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Diseño de naves espaciales

El diseño de naves espaciales es un proceso en el que se aplican sistemáticamente los principios de la ingeniería de sistemas para construir vehículos complejos destinados a mis...

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El diseño de naves espaciales es un proceso en el que se aplican sistemáticamente los principios de la ingeniería de sistemas para construir vehículos complejos destinados a misiones de viaje , operación o exploración en el espacio exterior . Este proceso de diseño genera las especificaciones de diseño detalladas , los esquemas y los planos del sistema de la nave espacial, incluyendo documentación completa que describe la arquitectura, los subsistemas, los componentes, las interfaces y los requisitos operativos de la nave, y potencialmente algunos prototipos o simulaciones . Todo ello, en conjunto, sirve como plano para la fabricación, el ensamblaje, la integración y las pruebas de la nave espacial, garantizando así que cumpla con los objetivos de la misión y los criterios de rendimiento.

El diseño de naves espaciales se lleva a cabo en varias fases. Inicialmente, se realiza un diseño conceptual para determinar la viabilidad y conveniencia de un nuevo sistema de nave espacial, demostrando que existe un diseño creíble para llevar a cabo la misión. La revisión del diseño conceptual garantiza que el diseño cumpla con la declaración de la misión sin fallas técnicas y con coherencia interna. A continuación, se realiza un diseño preliminar, donde el enfoque está en el rendimiento funcional, la definición de requisitos y la definición de interfaces tanto a nivel de subsistema como de sistema. La revisión del diseño preliminar evalúa la adecuación del diseño preliminar. En la siguiente fase, se dibuja y codifica el diseño detallado para el sistema en su conjunto y todos los subsistemas, y se realiza una revisión crítica del diseño donde se evalúa si el diseño es suficientemente detallado para fabricar, integrar y probar el sistema. [ 1 ] [ 2 ]

Durante el diseño de la nave espacial, los riesgos potenciales se identifican, evalúan y mitigan rigurosamente, los componentes del sistema se integran adecuadamente y se prueban exhaustivamente. Se considera todo el ciclo de vida (incluido el lanzamiento, las operaciones de la misión y la eliminación al final de la misión). Se emplea continuamente un proceso iterativo de revisiones y pruebas para refinar, optimizar y mejorar la eficacia y la fiabilidad del diseño. En particular, se consideran la masa, la potencia, el control térmico, la propulsión, el control de altitud, las telecomunicaciones, el comando y los datos, y los aspectos estructurales de la nave espacial. Elegir el vehículo de lanzamiento adecuado y adaptar el diseño al vehículo de lanzamiento elegido también es importante. [ 1 ] [ 2 ] El cumplimiento normativo, la adhesión a las normas internacionales y el diseño para un entorno espacial sostenible y libre de desechos son otras consideraciones que han cobrado importancia en los últimos tiempos.

El diseño de naves espaciales abarca tanto el diseño de naves robóticas ( satélites y sondas planetarias ) como el de naves para vuelos espaciales tripulados ( naves espaciales y estaciones espaciales ). Las naves tripuladas requieren sistemas adicionales de soporte vital, alojamiento para la tripulación y medidas de seguridad para los ocupantes humanos, así como consideraciones de ingeniería de factores humanos, como la ergonomía, la comodidad de la tripulación y el bienestar psicológico. Las naves robóticas requieren autonomía, fiabilidad y capacidad de operación remota sin presencia humana. La naturaleza distintiva y las necesidades y limitaciones únicas de cada una de ellas influyen significativamente en las consideraciones de diseño de las naves espaciales.

Los avances recientes en el diseño de naves espaciales incluyen sistemas de propulsión eléctrica (por ejemplo, propulsores iónicos y propulsores de efecto Hall ) para propulsión de alto impulso específico, velas solares (que utilizan la presión de la radiación solar ) para empuje continuo sin necesidad de cohetes tradicionales, [ 3 ] fabricación aditiva ( impresión 3D ) y materiales avanzados (por ejemplo, compuestos avanzados , nanomateriales y materiales inteligentes ) para prototipado rápido y producción de componentes ligeros y duraderos, inteligencia artificial y sistemas autónomos asistidos por aprendizaje automático para autonomía de naves espaciales y eficiencia operativa mejorada en misiones largas y lejanas, tecnologías de utilización de recursos in situ (ISRU) para extracción y utilización de recursos locales en cuerpos celestes, y CubeSats y otros satélites miniatura estandarizados [ 3 ] para misiones espaciales rentables alrededor de la Tierra.

El diseño de naves espaciales involucra a expertos de diversas disciplinas como ingeniería, física, matemáticas e informática, quienes colaboran en equipos interdisciplinarios. Además, la colaboración internacional y las alianzas entre agencias espaciales, organizaciones y países facilitan el intercambio de conocimientos, recursos y capacidades para el beneficio mutuo. Los desafíos del diseño de naves espaciales impulsan la innovación tecnológica y los avances de ingeniería en los sectores profesional e industrial. La complejidad de este diseño motiva a los estudiantes a interesarse por las disciplinas STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas), fomenta la alfabetización científica e inspira a la próxima generación de científicos, ingenieros e innovadores.

Origen

El diseño de naves espaciales nació como disciplina en las décadas de 1950 y 1960 con el surgimiento de los programas de exploración espacial estadounidenses y soviéticos . Desde entonces, ha progresado, aunque generalmente a un ritmo menor que las tecnologías terrestres comparables. Esto se debe en gran medida al exigente entorno espacial, pero también a la falta de investigación y desarrollo básicos, así como a otros factores culturales dentro de la comunidad de diseño. Por otro lado, otra razón para la lentitud en el diseño de aplicaciones para viajes espaciales es el alto costo energético y la baja eficiencia para alcanzar la órbita. Este costo podría considerarse un "costo inicial" demasiado elevado.

Áreas de ingeniería involucradas

El diseño de naves espaciales reúne aspectos de diversas disciplinas, a saber:

Subsistemas de naves espaciales

Estructura

El bus de la nave espacial transporta la carga útil. Sus subsistemas la soportan y ayudan a orientarla correctamente. La coloca en la órbita adecuada y la mantiene allí. Realiza funciones de mantenimiento. También proporciona mantenimiento de órbita y actitud, energía eléctrica, control, telemetría y procesamiento de datos, estructura y rigidez, control de temperatura, almacenamiento de datos y comunicación, si es necesario. La carga útil y el bus de la nave espacial pueden ser unidades diferentes o estar integradas. El adaptador del propulsor proporciona la interfaz de transporte de carga con el vehículo (carga útil y bus de la nave espacial).

La nave espacial también puede tener una carga de propulsor, que se usa para impulsar o empujar el vehículo hacia arriba, y una etapa de impulso de propulsión. El propulsor comúnmente utilizado es un gas comprimido como el nitrógeno, un líquido como la hidracina monopropelente o combustible sólido, que se usa para correcciones de velocidad y control de actitud. En una etapa de impulso (también llamada motor de impulso de apogeo, módulo de propulsión o etapa de propulsión integral) se usa un motor cohete independiente para enviar la nave espacial a su órbita de misión. Al diseñar una nave espacial, la órbita que se va a usar debe tenerse en cuenta, ya que afecta el control de actitud, el diseño térmico y el subsistema de energía eléctrica. Pero estos efectos son secundarios en comparación con el efecto que causa la órbita en la carga útil. Por lo tanto, al diseñar la misión, el diseñador selecciona una órbita que maximice el rendimiento de la carga útil. El diseñador incluso calcula las características de rendimiento requeridas de la nave espacial, como el apuntamiento, el control térmico, la cantidad de potencia y el ciclo de trabajo. Luego se construye la nave espacial que cumple con todos los requisitos.

Determinación y control de la actitud

El subsistema de determinación y control de actitud (ADCS) se utiliza para estabilizar (corregir el vuelco) o cambiar la actitud (orientación) de la nave espacial. Existen pares externos que actúan sobre la nave espacial a lo largo del eje que pasa por su centro de gravedad, los cuales pueden reorientarla en cualquier dirección o hacerla girar. El ADCS anula estos pares aplicando pares iguales y opuestos mediante la propulsión y la navegación. Para determinar los pares externos, se debe calcular el momento de inercia del cuerpo, lo que también requiere la determinación de la actitud absoluta del vehículo mediante sensores. La propiedad denominada "rigidez giroscópica" se utiliza para reducir el efecto de giro. Las naves espaciales más simples logran el control girando o interactuando con los campos magnéticos o gravitatorios de la Tierra. A veces, no están controladas. Las naves espaciales pueden tener varios cuerpos o estar unidas a partes importantes, como paneles solares o antenas de comunicación, que necesitan una orientación de actitud individual. Para controlar la actitud del apéndice, se suelen utilizar actuadores, con sensores y controladores independientes. Los diversos tipos de técnicas de control utilizadas son:

  • Técnicas de control pasivo.
  • Técnicas de control de efecto.
  • Técnicas de control de tres ejes.

Telemetría, seguimiento y comando

La telemetría, el seguimiento y el comando (TT&C) se utilizan para la comunicación entre las naves espaciales y los sistemas terrestres. Las funciones del subsistema son:

  • Control de naves espaciales por el operador en la Tierra
  • Recibir los comandos de enlace ascendente, procesarlos y enviarlos a otros subsistemas para su ejecución.
  • Recibir las órdenes de enlace descendente de los subsistemas, procesarlas y transmitirlas a la Tierra.
  • Informar constantemente sobre la posición de la nave espacial.

Comunicación

El proceso de envío de información hacia la nave espacial se denomina enlace ascendente o de avance, y el proceso inverso se denomina enlace descendente o de retorno. El enlace ascendente consiste en comandos y tonos de localización, mientras que el enlace descendente consiste en telemetría de estado, tonos de localización e incluso puede incluir datos de la carga útil. El receptor, el transmisor y una antena de gran angular (hemisférica u omnidireccional) son los componentes principales de un subsistema de comunicación básico. Los sistemas con altas tasas de datos pueden incluso utilizar una antena direccional, si es necesario. El subsistema nos proporciona la coherencia entre las señales de enlace ascendente y descendente, con la que podemos medir los desplazamientos Doppler de la velocidad de alcance. El subsistema de comunicación se dimensiona en función de la tasa de datos, la tasa de error admisible, la longitud de la ruta de comunicación y la frecuencia de radiofrecuencia.

La gran mayoría de las naves espaciales se comunican mediante antenas de radio ( comunicación por satélite) . Algunas naves espaciales se comunican mediante láseres , ya sea directamente con la Tierra, como en el caso de LADEE , o entre satélites, como en el caso de OICETS , Artemis , Alphabus y el Sistema Europeo de Retransmisión de Datos .

Fuerza

El subsistema de energía eléctrica (EPS) consta de 4 subunidades  :

  • Fuente de alimentación (batería, célula solar, pilas de combustible, par termoeléctrico)
  • Unidad de almacenamiento (Número de baterías en serie)
  • Distribución de energía (cableado, conmutación, protección contra descargas eléctricas)
  • Regulación y control de potencia (para evitar la sobrecarga y el sobrecalentamiento de la batería)

Térmico

El subsistema de control térmico (TCS) se utiliza para mantener la temperatura de todos los componentes de la nave espacial dentro de ciertos límites. Se definen límites superiores e inferiores para cada componente. Existen dos límites: operativo (en condiciones de funcionamiento) y de supervivencia (en condiciones de no funcionamiento). La temperatura se controla mediante el uso de aislantes, radiadores, calentadores, rejillas de ventilación y un acabado superficial adecuado de los componentes.

Propulsión

La función principal del subsistema de propulsión es proporcionar empuje para modificar la velocidad de traslación de la nave espacial o aplicar pares para cambiar su momento angular. En una nave espacial simple, no se requiere empuje ni, por lo tanto, equipo de propulsión. Sin embargo, muchas de ellas necesitan un empuje controlado en su sistema, por lo que su diseño incluye algún tipo de propulsión dosificada (un sistema de propulsión que se puede activar y desactivar en pequeños incrementos). El empuje se utiliza para los siguientes fines: modificar los parámetros orbitales, controlar la actitud durante el empuje, corregir errores de velocidad, maniobrar, contrarrestar fuerzas perturbadoras (por ejemplo, la resistencia aerodinámica) y controlar y corregir el momento angular. El subsistema de propulsión incluye un propulsor, tanques, sistema de distribución, presurizador y controles de propulsor. También incluye propulsores o motores.

Un ejemplo de la arquitectura de una misión espacial tripulada a Marte, tal como la concibió la agencia espacial estadounidense NASA, a mediados de la década de 2010.

Requisitos

El diseño de las naves espaciales siempre está condicionado por la arquitectura específica de la misión en cuestión. Por lo general, se pueden concebir diversas arquitecturas de misión que permitan alcanzar el objetivo general del vuelo, ya sea recopilar datos científicos o simplemente transportar carga a través del espacio para diversos fines, gubernamentales o económicos. [ 4 ]

Las arquitecturas de las misiones espaciales especifican si una nave espacial será autónoma o telerrobótica , o incluso tripulada , para hacer frente a las exigencias o metas particulares de la misión. Otras consideraciones incluyen trayectorias rápidas o lentas, composición y capacidad de la carga útil, duración de la misión o el nivel de redundancia del sistema para que el vuelo pueda alcanzar diversos grados de tolerancia a fallos . [ 4 ]

Referencias

  1. 1 2 Charles D. Brown (2002), Elementos del diseño de naves espaciales , Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, págs. 13–17 
  2. 1 2 Vincent L. Pisacane (2005), Fundamentos de los sistemas espaciales , Oxford University Press, págs. 11–15 
  3. 1 2 Jackie Appel (5 de mayo de 2023). "Las velas solares y los microsatélites podrían ser el futuro de la exploración espacial" . Popular Mechanics . Consultado el 16 de abril de 2024 .
  4. 1 2 Wertz, James R.; Larson, Wiley J. (1999). Análisis y diseño de misiones espaciales (3.ª ed.). Kluwer Academic Publishers. ISBN  1-881883-10-8.
  • "Las velas solares pasan de la ciencia ficción a la realidad" . Popular Mechanics .
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