Misiones Espaciales: Introducción al diseño y análisis

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2014-07-01


Cuando vemos los resultados impresionantes de misiones espaciales como el Telescopio Hubble, el rover Curiosity o las Misiones Apolo,  tal vez no nos imaginamos que estas alguna vez fueron únicamente una idea que alguien generó. El pasar de una idea a la acción es un proceso complejo que requiere mucha preparación, trabajo colaborativo y muchas iteraciones. Este proceso empieza con un análisis de la misión para determinar su viabilidad y, una vez determinada ésta, se genera una lista de requerimientos de sus diferentes componentes para poder implementarla.

 

En este proceso intervienen expertos de muchas disciplinas ya que se tienen que cubrir aspectos muy distintos de la misión como son:

 

  • Duración de la misión

  • Especificación de la carga útil y del vehículo espacial que la llevará

  • Selección de órbitas

  • Selección del vehículo de lanzamiento

  • Especificación del segmento terrestre

  • Especificación de los datos

  

Todos estos elementos están interrelacionados entre sí, por lo que un cambio en uno puede afectar a otro o más elementos. Por ejemplo un cambio en la órbita de la misión puede requerir de mayor combustible para realizar maniobras, mayor potencia de transmisión de señales de radiofrecuencia y exponer a la nave a radiaciones peligrosas, entre otras cosas. Todo esto tal vez aumente la masa de la nave, sus requerimientos de energía y requiera redefinir sus sistemas de blindaje a las radiaciones. Es por esto que el proceso tiene que ser iterativo. Es decir se tiene que desarrollar por aproximaciones sucesivas hasta llegar a una solución que cumpla con todos los requerimientos y las restricciones de la misión de manera equilibrada, pero sobre todo a un costo razonable.


Al proceso anterior se le denomina Análisis y Diseño de una Misión Espacial (Space Mission Analysis and Design, SMAD, por sus siglas en inglés) y en la siguiente figura se muestra un diagrama del proceso completo:

 

 

En esta ocasión presentaremos solamente un bosquejo de este amplio tema, ya que se requiere mucho espacio para entrar en un nivel mínimo de detalle. El lector interesado en profundizar en la materia puede consultar el libro Space Mission Analysis and Design, editado por James R. Wertz y Wiley J. Larson. Este texto es una excelente introducción a los sistemas espaciales, por lo que es ampliamente recomendado.

 

 

Concepto de Misión

Un concepto clave en el SMAD es el Concepto de Misión o Concepto de Operaciones, ConOps, el cual es una descripción amplia de cómo la misión trabajará en la práctica sin entrar en detalles técnicos. Por lo general, incluye ocho elementos principales:

 

  • Descripción de las principales fases de la misión

  • Cronología de la misión: Es el calendario general para la planificación, el despliegue de construcción, operación, reemplazo, y desecho de los sistemas.

  • Los eventos críticos

  • Entrega de datos: ¿Cómo se generan, distribuyen y utilizan datos de la misión?

  • Arquitectura de comunicación: ¿Cómo se comunican entre si los diferentes componentes de la misión?

  • Tareas, programación y control: ¿Cómo el sistema decide qué hacer a largo y a corto plazo?

  • Instalaciones operacionales: control de la misión, centros de procesamiento de datos

  • Apoyo logístico: reabastecimiento, mantenimiento y ensamblado.

 

 

 

Análisis y Diseño de Misiones Espaciales


El proceso de Análisis y Diseño de Misiones Espaciales es un proceso estructurado que sirve para transformar un enunciado de misión en una conjunto de requerimientos de los elementos que conformarán la Arquitectura de la Misión Espacial, al menor costo posible. Los requerimientos son las propiedades de diseño que definen qué hará la misión, qué tan bien lo hará y bajo qué restricciones. La arquitectura de misión espacial incluye todos los elementos espaciales y terrestres necesarios para lograr el éxito de la misión. Algunos de estos elementos son:

  • Carga útil y nave espacial
  • Sistema de lanzamiento
  • Órbitas
  • Sistemas de tierra
  • Arquitectura de comunicaciones

Y se describen a continuación:

Carga útil y nave espacial

Esto es, la instrumentación y el software que realizará la misión así como el bus de la nave espacial, es decir el sistema de apoyo a la carga útil encargado de mantener la órbita y la orientación, así como proporcionar energía eléctrica, telemetría para rastreo y control, manipulación de datos, control térmico y una estructura.

 

Proceso SMAD

El proceso SMAD, consta de los siguientes cuatro pasos:

 

  • Definición de objetivos

  • Caracterización de la misión

  • Evaluación de la misión

  • Definición de requerimientos

  • Estos pasos se describen de manera general a continuación:

 

Definición de objetivos

Este paso consiste en definir los objetivos y las restricciones de la misión de la manera más general posible para llevarla a cabo al menor costo. Comienza con un enunciado general de la misión que establece para qué se va a llevar a cabo. Después de eso se establecen de manera cuantitativa las necesidades y los requerimientos de la misión, dadas la tecnología aplicable y las restricciones de costo. Un ejemplo de enunciado de misión es el siguiente:

Los derrames de petróleo en el Golfo de México son un problema ambiental que causa muchas pérdidas económicas y daños a los ecosistemas marinos y costeros. Se pretende desarrollar un sistema que detecte y monitorice estos derrames casi en tiempo real para dar información actualizada y expedita a los tomadores de decisiones para su mitigación y remediación. Los datos recabados deberán ser compatibles con los de las agencias encargadas de su atención y deberán ser accesibles a técnicos medios en la materia sin necesidad de reentrenamiento.

Nótese lo general y amplio del enunciado de misión. En él no se establecen los cómos para resolver el problema. El tipo de sensores, su resolución, el número de satélites y sus órbitas, entre muchas otras especificaciones serán los resultados del proceso de análisis y diseño de la misión.

 

Caracterización de la misión


La caracterización de una misión es el proceso inicial de selección de alternativas para llevar a cabo la misión espacial. El objetivo de esta etapa es seleccionar el mejor enfoque general a partir de una amplia gama de opciones para ejecutar una misión espacial, ya que el número disponible de opciones es enorme. Entre estas opciones están las órbitas, los sistemas de lanzamiento,  los vehículos espaciales y los conceptos de misión. Lo que se busca es reducir este gran número de opciones a un nivel manejable, sin descartar opciones que ofrezcan ventajas significativas.

Luego, para cada uno de los conceptos de misión alternativos seleccionados se lleva a cabo un exploración de sus consecuencias de manera independiente, a través de lo que se llama  Flujo de Exploración de Concepto o Concept Exploration Flow. Esta exploración se realiza a través de simulaciones y cálculos que establecen las consecuencias de cada alternativa. Aquí, resulta muy importante documentar todas las alternativas, así como los supuestos y las decisiones que tomaron en el curso de la exploración. Esto con la intención de poder regresar en cualquier momento y realizar una revisión para encontrar las mejores alternativas.

Una clave para la implementación exitosa de este flujo es la repetición. Las iteraciones sucesivas a través del flujo se traducirán en una mayor comprensión del sistema y permiten descubrir los factores clave que controlan la misión.

 

Evaluación de la misión


En esta etapa se identifican los factores clave de la misión. Los factores clave son aquéllos que dominan el diseño general de la misión espacial y, por lo tanto, afectan más fuertemente el rendimiento, el riesgo, el cronograma y el costo de la misión y que el usuario o el diseñador puede controlar. La correcta identificación de los factores clave del sistema es un paso crítico en el análisis y diseño de la misión. Una identificación equivocada de estos factores es una de las causas más comunes de error de análisis de misión.

Al identificar explícitamente a los factores clave de la misión, podemos concentrar nuestros esfuerzos en los parámetros que tienen el mayor impacto en el diseño y, por tanto, sobre el costo de la misión espacial. Este método mejora nuestras posibilidades de conseguir el mejor diseño posible dentro del presupuesto disponible.

La cobertura, la resolución en la captura de imágenes, el peso, el tamaño, el consumo de potencia, la rapidez de transmisión de datos y la capacidad de apuntamiento de la nave espacial son ejemplos de factores clave. El identificar estos factores para cada concepto de misión nos permite determinar rápidamente cuales conceptos de misión son los más apropiados para cumplir la misión al menor costo.

 

Definición de requerimientos

Una vez que se determina el concepto de misión más apropiado, se procede a calcular los requerimientos del sistema. Estos requerimientos a los elementos que conforman la arquitectura espacial. Entre estos requerimientos se encuentran:

Tipo de órbita y maniobras orbitales
     Presupuesto de combustible para realizar la maniobras

Especificaciones de la carga útil
     Resolución, capacidad de almacenamiento de datos, peso, tamaño, etc.

Especificaciones del bus
     Potencia proporcionada, calidad del apuntamiento, etc.

Lanzador
     Empuje, impulso específico, tamaño, peso, etc.

Comunicaciones
    Potencia de transmisión, frecuencias, esquemas de modulación, cifrado de datos, etc.

Segmento terrestre
    Localización de las estaciones, capacidad de conectividad a redes terrestres, etc.

Entre muchas otras.

Así, una lista final de requerimientos en detalle refleja qué tan bien se ha realizado el trabajo de análisis y diseño de la misión.

Hasta aquí hemos bosquejado el proceso de Análisis y Diseño de una Misión Espacial. Diseñar una misión espacial es un proceso complejo y costoso, en el que encontrar maneras de reducir los costos es uno de los objetivos principales. Por lo tanto quien diseña la misión debe estar constantemente buscando conseguir reducciones adicionales en los costos, siempre y cuando no se comprometa la seguridad de la misión. Así, reto principal en el diseño de una misión espacial es optimizar su rendimiento y minimizar los riesgos dentro de las limitaciones de costo prescritas.



Etiquetas: Misiones,Espaciales

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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