El diseño de naves espaciales cubre un área amplia, incluido el diseño de naves espaciales robóticas ( satélites y sondas planetarias ) y naves espaciales para vuelos espaciales tripulados ( naves espaciales y estaciones espaciales ).
Origen
El diseño de naves espaciales nació como disciplina en las décadas de 1950 y 1960 con la llegada de los programas de exploración espacial estadounidenses y soviéticos . Desde entonces ha progresado, aunque normalmente menos que las tecnologías terrestres comparables. Esto se debe en gran parte al desafiante entorno espacial, pero también a la falta de I + D básica y a otros factores culturales dentro de la comunidad de diseño. Por otro lado, otra razón para el diseño de aplicaciones de viajes espaciales lentos es el alto costo de energía y la baja eficiencia para lograr la órbita. Este costo puede verse como un "costo inicial" demasiado alto. [ cita requerida ]
Áreas de ingeniería involucradas
El diseño de naves espaciales reúne aspectos de diversas disciplinas, a saber: [ cita requerida ]
- Astronáutica para el diseño de la misión y derivación de los requisitos de diseño,
- Ingeniería de sistemas para mantener la línea de base del diseño y la derivación de los requisitos del subsistema ,
- Ingeniería de comunicaciones para el diseño de los subsistemas que se comunican con el suelo (por ejemplo, telemetría ) y realizan la determinación de distancias .
- Ingeniería informática para el diseño de los ordenadores de a bordoy buses informáticos . Este subsistema se basa principalmente en tecnologías terrestres, pero a diferencia de la mayoría de ellas, debe: hacer frente al entorno espacial, ser altamente autónomo y proporcionar una mayor tolerancia a fallas.
- Puede incorporar componentes endurecidos por radiación calificados para uso espacial .
- Ingeniería de software para el software de a bordoque ejecuta todas las aplicaciones de a bordo, así como el software de control de bajo nivel. Este subsistema es muy similar a los diseños de software terrestre en tiempo real y embebido,
- Ingeniería eléctrica para el diseño del subsistema de potencia, que genera, almacena y distribuye la energía eléctrica a todos los equipos embarcados,
- Teoría de control para el diseño delsubsistema de control de actitud y órbita , que apunta correctamente la nave espacial y mantiene o cambia la órbita según el perfil de la misión; el hardware utilizado para la activación y la detección en el espacio suele ser muy específico de las naves espaciales,
- Ingeniería térmica para el diseño del subsistema de control térmico (incluidos radiadores, aislamiento y calentadores), que mantiene condiciones ambientales compatibles con las operaciones de los equipos de la nave espacial; Este subsistema tiene tecnologías muy específicas del espacio, ya que en el espacio, la radiación y la conducción suelen dominar como efectos térmicos, por oposición con la Tierra donde la convección suele ser la principal.
- Ingeniería de propulsión para el diseño del subsistema de propulsión, que proporciona los medios para transportar la nave espacial de una órbita a otra,
- Ingeniería mecánica para el diseño de estructuras y mecanismos de la nave espacial, así como la selección de materiales para uso en vacío . Estos incluyen vigas, paneles y apéndices desplegables o dispositivos de separación (para separarse del vehículo de lanzamiento ).
Subsistemas de naves espaciales
Estructura
El autobús de la nave espacial lleva la carga útil. Sus subsistemas admiten la carga útil y ayudan a apuntar la carga útil correctamente. Pone la carga útil en la órbita correcta y la mantiene allí. Proporciona funciones de limpieza. También proporciona mantenimiento de órbita y actitud, energía eléctrica, comando, telemetría y manejo 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 pueden ser una combinación. El adaptador de refuerzo proporciona la interfaz de transporte de carga con el vehículo (carga útil y bus de la nave espacial juntos).
La nave espacial también puede tener una carga propulsora, que se utiliza para conducir o empujar el vehículo hacia arriba, y una etapa de patada de propulsión. El propulsor comúnmente utilizado es un gas comprimido como nitrógeno, líquido como hidracina monopropulsante o combustible sólido, que se utiliza 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 de cohete separado para enviar la nave espacial a su órbita de misión. Al diseñar una nave espacial, la órbita que se utilizará debe considerarse en el punto, 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 causado en la carga útil debido a la órbita. Así, al diseñar la misión; el diseñador selecciona una órbita de este tipo que aumenta el rendimiento de la carga útil. El diseñador incluso calcula las características de rendimiento requeridas de la nave espacial, como apuntar, control térmico, cantidad de energía y ciclo de trabajo. A continuación, se fabrica la nave espacial, que cumple todos los requisitos. [ cita requerida ]
Determinación y control de la actitud
El subsistema de determinación y control de actitud (ADCS) se utiliza para cambiar la actitud (orientación) de la nave espacial. Hay algunos pares externos que actúan sobre la nave espacial a lo largo del eje que pasa por su centro de gravedad, lo que puede reorientar la nave espacial en cualquier dirección o darle un giro. El ADCS anula estos pares aplicando pares iguales y opuestos utilizando los subsistemas de propulsión y navegación. El momento de inercia de la carrocería debe calcularse para determinar los pares externos, lo que también requiere la determinación de la posición absoluta del vehículo mediante sensores. La propiedad denominada "rigidez giroscópica" se utiliza para reducir el efecto de giro. La nave espacial más simple logra el control girando o interactuando con los campos magnéticos o gravitatorios de la Tierra. A veces están descontrolados. Las naves espaciales pueden tener varios cuerpos o estar adheridas a partes importantes, como paneles solares o antenas de comunicación, que necesitan una orientación individual. Para controlar la actitud del apéndice, a menudo se utilizan actuadores, con sensores y controladores separados. Los diversos tipos de técnicas de control que se utilizan son: [ cita requerida ]
- Técnicas de control pasivo.
- Técnicas de control de giro.
- Técnicas de control de tres ejes.
Telemetría, seguimiento y comando
La telemetría, seguimiento y comando (TT&C) se utiliza para la comunicación entre la nave espacial y los sistemas terrestres. Las funciones del subsistema son:
- Control de la nave espacial por parte del operador en la Tierra
- Recibir los comandos de enlace ascendente, procesarlos y enviarlos a otros subsistemas para su implicación.
- Reciba los comandos de enlace descendente de los subsistemas, procéselos y transmítalos a la Tierra.
- Informar constantemente sobre la posición de la nave espacial.
Comunicación
El proceso de enviar información hacia la nave espacial se denomina enlace ascendente o enlace directo y el proceso opuesto se denomina enlace descendente o enlace de retorno. El enlace ascendente consta de comandos y tonos de distancia, mientras que el enlace descendente consta de telemetría de estado, tonos de distancia e incluso puede incluir datos de 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 velocidades de datos pueden incluso utilizar una antena direccional, si es necesario. El subsistema puede proporcionarnos la coherencia entre las señales de enlace ascendente y descendente, con la ayuda de la cual podemos medir los cambios Doppler de rango-tasa. El subsistema de comunicación se dimensiona según la tasa de datos, la tasa de error permitida, la longitud de la ruta de comunicación y la frecuencia de RF.
La gran mayoría de las naves espaciales se comunican mediante antenas de radio : comunicación por satélite . [ cita requerida ] Algunas naves espaciales se comunican usando láseres, ya sea directamente al suelo como con LADEE ; o entre satélites como OICETS , Artemis , Alphabus y el Sistema de retransmisión de datos europeo .
Energía
El subsistema de energía eléctrica (EPS) consta de 4 subunidades:
- Fuente de energía (batería, celda solar, celdas de combustible, par termoeléctrico)
- Unidad de almacenamiento (No de baterías en serie)
- Distribución de energía (cableado, conmutación, protección contra golpes)
- 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. Los límites superior e inferior se definen para cada componente. Hay dos límites, a saber, operativo (en condiciones de trabajo) y de supervivencia (en condiciones no laborales). La temperatura se controla mediante el uso de aisladores, radiadores, calentadores, rejillas y dando un acabado de superficie adecuado a los componentes. [ cita requerida ]
Propulsión
La función principal del subsistema de propulsión es proporcionar empuje para cambiar la velocidad de traslación de la nave espacial o aplicar pares para cambiar su momento angular. No hay ningún requisito de empuje y, por lo tanto, ni siquiera un requisito de equipo de propulsión en una nave espacial más simple. Pero muchos de ellos necesitan un empuje controlado en su sistema, por lo que su diseño incluye alguna forma de propulsión medida (un sistema de propulsión que se puede encender y apagar en pequeños incrementos). El empuje se utiliza para los siguientes propósitos: para cambiar los parámetros orbitales, para controlar la actitud durante el empuje, corregir errores de velocidad, maniobra, contrarrestar fuerzas perturbadoras (por ejemplo, arrastre) y controlar y corregir el momento angular. El subsistema de propulsión incluye un propulsor, tanque, sistema de distribución, presurizante y controles de propulsor. También incluye propulsores o motores.
Arquitectura de la misión espacial
El diseño de la nave espacial siempre está informado por la arquitectura particular de la misión del vuelo espacial en consideración. Por lo general, se puede imaginar una variedad de arquitecturas de misión que lograrían el objetivo general del vuelo, ya sea que esos objetivos sean recopilar datos científicos o simplemente transportar carga a través del entorno espacial para cumplir una variedad de propósitos, gubernamentales o económicos. [1]
Las arquitecturas de las misiones de vuelos espaciales especificarán si una nave espacial será autónoma o telerobótica , o incluso estará tripulada para hacer frente a las exigencias o los objetivos 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 varios grados de tolerancia a fallas . [1]
Referencias
- ↑ a b Wertz, James R .; Larson, Wiley J. (1999). Análisis y diseño de misiones espaciales (3ª ed.). Editores académicos de Kluwer. ISBN 1-881883-10-8.
- "Las velas solares vuelan de la ciencia ficción a la realidad" . Mecánica popular .