Prólogo
El avance en tecnologías espaciales y la miniaturización de los componentes han permitido que las universidades de todo el mundo participen activamente en la exploración espacial a través de los CubeSats. Estas pequeñas plataformas satelitales ofrecen una oportunidad invaluable para la investigación, la educación y la innovación en el campo aeroespacial. Esta guía tiene como objetivo proporcionar un recurso integral para las universidades interesadas en desarrollar sus propias misiones CubeSat, abordando los aspectos clave desde la concepción del proyecto hasta su ejecución y operación en órbita.
Resumen Ejecutivo
Los CubeSats han revolucionado la manera en que se diseñan y operan los satélites en la actualidad. Esta guía proporciona un marco estructurado para el desarrollo de misiones universitarias basadas en CubeSats, cubriendo temas como la definición de objetivos, el diseño del sistema, la selección de componentes, la integración y pruebas, los procedimientos de lanzamiento y la operación post-lanzamiento. Se incluyen también recomendaciones para la gestión de proyectos, la financiación y la colaboración con la industria aeroespacial. Al seguir esta guía, las universidades podrán mejorar sus probabilidades de éxito en el diseño y despliegue de misiones CubeSat.
Capítulo 1: Introducción a los CubeSats
Historia y Evolución de los CubeSats
Los CubeSats surgieron a finales de la década de 1990 como una iniciativa educativa para proporcionar a los estudiantes experiencia práctica en la diseño, construcción y operación de satélites. Fueron creados por la Universidad Estatal de California, en colaboración con la Universidad de Stanford, con el objetivo de estandarizar el diseño de satélites pequeños y hacerlos accesibles para universidades y centros de investigación. La estandarización del formato CubeSat (1U = 10 cm x 10 cm x 10 cm) permitió la proliferación de estos nanosatélites, facilitando su integración y lanzamiento como carga secundaria en cohetes comerciales.
En las últimas dos décadas, los CubeSats han pasado de ser herramientas educativas a desempeñar un papel fundamental en la investigación espacial y la tecnología satelital. Actualmente, son utilizados en una variedad de aplicaciones, incluyendo telecomunicaciones, observación terrestre, investigación atmosférica y experimentación en el espacio profundo.
Beneficios de los CubeSats para la Educación y la Investigación
Los CubeSats han democratizado el acceso al espacio, permitiendo que universidades e instituciones con presupuestos limitados puedan desarrollar sus propios satélites. Algunos de los principales beneficios incluyen:
• Aprendizaje práctico: Los estudiantes adquieren experiencia directa en ingeniería de sistemas, diseño de hardware, software y análisis de misiones.
• Innovación tecnológica: Permiten la experimentación con nuevas tecnologías en el espacio, desde sensores miniaturizados hasta nuevos sistemas de propulsión.
• Costo accesible: En comparación con satélites tradicionales, los CubeSats son mucho más asequibles, con costos que varían entre unos pocos miles a cientos de miles de dólares.
• Flexibilidad en el diseño: Se pueden personalizar para una amplia gama de aplicaciones, desde la investigación ambiental hasta misiones de telecomunicaciones.
• Colaboración internacional: Muchos proyectos CubeSat involucran cooperación entre universidades, agencias espaciales y la industria privada, fomentando el intercambio de conocimientos y recursos.
Con estos beneficios en mente, el desarrollo de misiones CubeSat se ha convertido en una herramienta clave para la formación de la próxima generación de profesionales en el sector aeroespacial y en la expansión del conocimiento humano sobre el espacio.
Figura 1. Representación de un CubeSat en el espacio.
Fuente: El Radar - ¿Qué son los CubeSats?
Capítulo 2: Planificación de la Misión
Definición de Objetivos y Requisitos
El primer paso en el desarrollo de una misión CubeSat es establecer objetivos claros y bien definidos. Estos objetivos deben responder a preguntas clave como:
• ¿Cuál es el objetivo principal de la misión?
• ¿Qué datos o funciones se esperan obtener?
• ¿Cuáles son los parámetros operativos y de diseño del satélite?
Los requisitos de la misión se deben dividir en:
• Requisitos funcionales: Qué debe hacer el CubeSat para cumplir su misión.
• Requisitos técnicos: Especificaciones de hardware, software y rendimiento.
• Requisitos operacionales: Factores como la comunicación, la gestión de energía y el control térmico.
Figura 2. Concepto de Misión Cubsat
Fuente: Educación Espacial AEM - Curso ISE - Módulo 3
Consideraciones de Factibilidad
Antes de comprometerse con una misión, es fundamental realizar un estudio de factibilidad que evalúe:
• Disponibilidad de tecnología: ¿Existen los componentes necesarios o deben desarrollarse?
• Limitaciones presupuestarias: ¿Cuál es el costo estimado y cómo se financiará el proyecto?
• Capacidades del equipo: ¿Cuenta el equipo con el conocimiento técnico para desarrollar la misión?
• Restricciones regulatorias: ¿Se cumplen los requisitos legales y normativos?
Figura 3. CubeSat Irvine03 seleccionado por la NASA para una misión de lanzamiento.
Fuente: IPSF - NASA selects Irvine03 CubeSat for launch mission
Capítulo 3: Gestión de Proyectos y Formación del Equipo
La planificación y administración del proyecto son clave para el éxito de la misión. Esto implica:
• Conformar a un equipo de trabajo: Escoger a los integrantes del equipo que realizarán el proyecto, así como a un conjunto de mentores con experiencia en desarrollo de proyectos espaciales.
• Definir roles y responsabilidades: Asignar tareas específicas a cada miembro del equipo.
• Elaborar un cronograma: Establecer hitos clave y plazos realistas.
• Gestionar los recursos: Presupuestar materiales, software y servicios.
• Estrategias de mitigación de riesgos: Identificar y gestionar posibles fallos durante el desarrollo y la operación del CubeSat.
El equipo debe estar compuesto por especialistas en diversas áreas como ingeniería aeroespacial, telecomunicaciones, programación, análisis de datos y gestión de proyectos. Además, la colaboración con otras instituciones y expertos puede fortalecer el desarrollo de la misión.
Con una planificación adecuada y una gestión efectiva, una misión CubeSat universitaria tiene mayores probabilidades de éxito, asegurando que todos los aspectos del proyecto estén alineados con los objetivos establecidos.
Figura 4. Ejemplo de un nanosatélite en órbita.
Fuente: ALEN Space - Guía básica de nanosatélites
Capítulo 4. Aplicación de la Ingeniería de Sistemas
Para la correcta gestión de una misión CubeSat, se recomienda aplicar la Ingeniería de Sistemas de la NASA. Esta disciplina se define como un enfoque metódico y multidisciplinario para el diseño, la realización, la gestión técnica, las operaciones y el retiro de un sistema. Este enfoque se basa en un "motor" de ingeniería de sistemas que consta de tres conjuntos de procesos técnicos comunes:
• Diseño del sistema
• Realización del producto
• Gestión técnica
Procesos técnicos comunes
Los procesos técnicos comunes se utilizan para desarrollar y realizar los productos finales, incluyen:
• Definición de las expectativas de los interesados
• Definición de requisitos técnicos
• Descomposición lógica
• Definición de la solución de diseño
• Implementación del producto
• Integración del producto
• Verificación del producto
• Validación del producto
• Transición del producto
Figura 5. El futuro de los CubeSats.
Fuente: NASA - The Future of CubeSats
Planes técnicos
La planificación técnica es esencial para garantizar la aplicación y gestión eficaces de cada proceso técnico común. Un documento clave que captura y actualiza los detalles del proceso de planificación técnica es el Plan de Gestión de Ingeniería de Sistemas o SEMP, por sus siglas en inglés.
Gestión del Proyecto
Planificación técnica
La planificación técnica define cómo se organizará, estructurará y conducirá el proyecto. Incluye la preparación del SEMP y otros planes técnicos. El SEMP es el principal documento de gestión técnica de nivel superior para el proyecto.
Desarrollo del Plan de Gestión de Ingeniería de Sistemas (SEMP)
El SEMP es el documento de gestión técnica de nivel superior para el proyecto y se desarrolla al principio de la Fase de Formulación y se actualiza a lo largo del ciclo de vida del proyecto.
Estimación de costos
La estimación de costos es un aspecto crítico de la planificación técnica. Los costos deben estimarse para todas las actividades del proyecto, incluidos los costos directos de mano de obra, los costos generales, los costos directos, los costos de subcontratos, los costos de materiales, los costos de equipos, los costos generales y administrativos, el costo del dinero y la tarifa.
Gestión de requisitos
La gestión de requisitos es el proceso de definir, documentar y controlar los requisitos del proyecto [6]. Esto incluye la identificación de las necesidades de los interesados, la traducción de esas necesidades en requisitos técnicos y la gestión de los cambios en los requisitos a lo largo del ciclo de vida del proyecto.
Gestión de interfaces
La gestión de interfaces es el proceso de definir, documentar y controlar las interfaces entre los diferentes componentes del sistema [6]. Esto es especialmente importante en proyectos complejos que involucran a múltiples equipos y organizaciones.
Gestión de riesgos técnicos
La gestión de riesgos técnicos es el proceso de identificar, evaluar y mitigar los riesgos técnicos que podrían afectar el éxito del proyecto [6]. Esto incluye la identificación de posibles fallas técnicas, la evaluación de la probabilidad y el impacto de esas fallas y la implementación de medidas para reducir o eliminar los riesgos.
Gestión de la configuración
La gestión de la configuración es el proceso de identificar, documentar y controlar la configuración del sistema. Esto incluye la gestión de los cambios en el diseño, el hardware y el software a lo largo del ciclo de vida del proyecto.
Gestión de datos técnicos
La gestión de datos técnicos es el proceso de recopilar, almacenar, proteger y distribuir los datos técnicos generados durante el proyecto. Esto incluye la gestión de documentos, dibujos, modelos y otros datos técnicos [19].
Evaluación técnica
La evaluación técnica es el proceso de evaluar el progreso técnico del proyecto.. Esto incluye la revisión de los diseños, el análisis de los resultados de las pruebas y la evaluación del cumplimiento de los requisitos [21].
Análisis de decisiones
El análisis de decisiones es el proceso de evaluar diferentes opciones y seleccionar la mejor opción en función de los objetivos del proyecto [20]. Esto incluye la identificación de posibles soluciones, la evaluación de los pros y los contras de cada solución y la selección de la solución que mejor se adapte a las necesidades del proyecto.
Figura 6. Aplicaciones y desarrollo de CubeSats en México.
Fuente: Hacia el Espacio - Agencia Espacial Mexicana
Capítulo 5 Cumplimiento Normativo y Seguridad
Licencias regulatorias
El lanzamiento y la operación de un CubeSat están sujetos a diversas regulaciones nacionales e internacionales, incluidas la concesión de las frecuencias de operación de la misión que expide la autoridad nacional de telecomunicaciones en coordinación con la International Telecommunications Union (ITU). Es fundamental que los equipos universitarios obtengan todas las licencias y permisos necesarios antes de comenzar las operaciones de la misión, por lo que se recomienda que se inicien los trámites ante las autoridades correspondientes desde el inicio del proyecto.
Documentación de seguridad
La seguridad es una preocupación primordial en el desarrollo de misiones espaciales. Los equipos universitarios deben preparar documentación de seguridad exhaustiva que identifique los peligros potenciales y describa las medidas para mitigar esos peligros.
Uso de materiales de alto punto de fusión
Se deben utilizar materiales con altos puntos de fusión para evitar la creación de desechos orbitales.
Figura 7. CubeSat en desarrollo por estudiantes universitarios.
Fuente: BYU Magazine - CubeSat
Capítulo 6: Diseño del CubeSat
El diseño de un CubeSat es un proceso complejo que requiere un enfoque sistemático y multidisciplinario. Este capítulo proporciona una guía general para el diseño de CubeSats, abarcando desde la definición de la misión hasta la selección de componentes y subsistemas. Sin embargo, cada proyecto es único y requerirá un enfoque de diseño adaptado a las necesidades específicas de la misión.
Definición de la Misión
El primer paso en el diseño de un CubeSat es definir claramente la misión. La definición de la misión debe incluir los siguientes elementos clave:
• Objetivos primarios y secundarios: Definir claramente qué se busca lograr, estableciendo una jerarquía de prioridades.
• Justificación científica, educativa o tecnológica: Documentar la relevancia y el valor esperado.
• Resultados esperados: Especificar los entregables concretos y medibles.
• Restricciones temporales y presupuestarias: Establecer el marco de recursos disponibles.
• Usuarios finales y beneficiarios: Identificar quiénes son los actores involucrados en todos los aspectos del proyecto y quién utilizará los datos o resultados.
Una vez definida la misión, es necesario desarrollar el Concepto de Operaciones (CONOPS), que describe cómo funcionará el sistema en la práctica para cumplir los objetivos de la misión. Un CONOPS típico incluye:
• Descripción del sistema: Componentes principales y sus interrelaciones.
• Perfil de la misión: Fases desde el lanzamiento hasta el fin de vida.
• Escenarios operacionales: Cómo responderá el sistema en diferentes situaciones.
• Modos de operación: Normal, degradado, seguro, etc.
• Flujo de datos: Generación, procesamiento, almacenamiento y transmisión.
• Interfaces: Con el vehículo lanzador, estaciones terrenas, usuarios.
• Procedimientos de contingencia: Respuestas a fallos o anomalías.
Selección de Componentes y Subsistemas
Un CubeSat consta de dos componentes principales: la plataforma (o bus) y la carga útil.
Componentes del bus o plataforma
La plataforma proporciona los servicios esenciales para que la carga útil pueda operar en el entorno espacial e incluye varios subsistemas:
Estructura: Proporciona soporte mecánico y protege los componentes internos contra el ambiente espacial. El diseño del sistema CubeSat se basa en una estructura modular que sigue los estándares definidos por el formato CubeSat. Las configuraciones más comunes incluyen:
• 1U (10 cm x 10 cm x 10 cm): Unidad básica, utilizada para experimentos pequeños y demostraciones tecnológicas.
• 2U y 3U: Configuraciones extendidas que permiten mayor capacidad de carga útil y sistemas más avanzados.
• 6U y superiores: Diseñadas para misiones más complejas, con capacidades avanzadas de telecomunicaciones, observación y experimentación.
La estructura del CubeSat debe proporcionar soporte mecánico y protección a todos los componentes. La estructura también debe cumplir con los requisitos del estándar CubeSat en cuanto a dimensiones, masa y materiales.
• Energía: Incluye paneles solares, baterías y sistemas de gestión de energía para alimentar el satélite.
• Telecomunicaciones: Maneja las comunicaciones entre el CubeSat y la estación terrestre mediante radios UHF, VHF o bandas superiores.
• Computación y control: La computadora de a bordo gestiona las operaciones del satélite y ejecuta comandos desde la estación terrestre.
• Control térmico: Regula la temperatura del satélite utilizando aislantes térmicos y disipadores de calor.
• Propulsión (si aplica): Para maniobras orbitales y control de actitud, dependiendo de la misión.
• Carga útil
La carga útil comprende los instrumentos o equipos que cumplen con el objetivo principal de la misión:
• Cámaras e instrumentos ópticos.
• Sensores científicos.
• Experimentos tecnológicos.
• Equipos de comunicaciones especializados.
• Instrumentos de observación terrestre.
Al seleccionar los componentes y subsistemas, es importante considerar los siguientes factores:
• Rendimiento: Los componentes y subsistemas deben ser capaces de cumplir con los requisitos de la misión.
• Fiabilidad: Los componentes y subsistemas deben ser fiables y capaces de operar en el entorno espacial.
• Costo: Los componentes y subsistemas deben ser asequibles dentro del presupuesto del proyecto.
• Disponibilidad: Los componentes y subsistemas deben estar disponibles en el mercado.
• Compatibilidad: Los componentes y subsistemas deben ser compatibles entre sí y con el estándar CubeSat.
Figura 8. Elemento de un satelite
Fuente: Educación Espacial AEM - Curso ISE - Módulo 3
Diseño Eléctrico
El sistema eléctrico del CubeSat debe proporcionar energía a todos los componentes y subsistemas. El sistema eléctrico debe incluir los siguientes elementos:
• Paneles solares: Para generar energía a partir de la luz solar.
• Baterías: Para almacenar energía para su uso durante los períodos de eclipse.
• Sistema de distribución de energía: Para distribuir la energía a los diferentes componentes y subsistemas.
• Sistema de gestión de energía: Para controlar la carga y descarga de las baterías y para proteger el sistema eléctrico de sobrecargas y cortocircuitos.
Al diseñar el sistema eléctrico, es importante considerar los siguientes factores:
• Potencia requerida: El sistema eléctrico debe ser capaz de proporcionar suficiente energía para todos los componentes y subsistemas.
• Eficiencia: El sistema eléctrico debe ser lo más eficiente posible para maximizar la energía disponible para la carga útil.
• Fiabilidad: El sistema eléctrico debe ser fiable y capaz de operar en el entorno espacial.
• Protección: El sistema eléctrico debe estar protegido contra sobrecargas, cortocircuitos y otros fallos.
Diseño de Software
El software del CubeSat controla las operaciones del satélite y gestiona los datos recopilados por la carga útil. El software debe incluir los siguientes elementos:
• Sistema operativo: Para gestionar los recursos del sistema.
• Software de control de actitud: Para controlar la orientación del satélite.
• Software de gestión de datos: Para gestionar los datos recopilados por la carga útil.
• Software de comunicaciones: Para comunicarse con las estaciones terrestres.
Al diseñar el software, es importante considerar los siguientes factores:
• Rendimiento: El software debe ser capaz de realizar sus funciones de manera eficiente y en tiempo real.
• Fiabilidad: El software debe ser fiable y capaz de operar en el entorno espacial.
• Robustez: El software debe ser robusto y capaz de recuperarse de errores y fallos.
• Seguridad: El software debe ser seguro y protegido contra ataques maliciosos.
Consideraciones de Integración y Compatibilidad
El diseño del CubeSat debe garantizar la compatibilidad entre sus subsistemas y con los sistemas de lanzamiento. Para ello, se deben seguir estándares como la Especificación de Diseño CubeSat (CDS) y las directrices de compatibilidad con el vehículo lanzador.
Además, es fundamental considerar la redundancia en sistemas críticos, la tolerancia a fallos y la eficiencia en el consumo de energía para maximizar la vida útil de la misión.
Documentación
Es importante documentar todos los aspectos del diseño del CubeSat, incluyendo la definición de la misión, la selección de componentes y subsistemas, el diseño estructural, el diseño eléctrico, el diseño del software, las pruebas y la verificación. La documentación debe ser clara, concisa y completa, y debe estar disponible para todos los miembros del equipo del proyecto.
Figura 9. Mantenimiento y operación de satélites en órbita.
Fuente: Negocios contra la Obsolescencia
Capítulo 7: Selección de Componentes y Proveedores
Tecnologías Comerciales Disponibles
La selección de componentes para un CubeSat debe equilibrar el costo, la disponibilidad y la capacidad tecnológica. Existen diversas empresas y proveedores que ofrecen soluciones comerciales compatibles con el estándar CubeSat, lo que permite a las universidades acceder a tecnologías avanzadas sin necesidad de desarrollarlas desde cero.
Entre los principales componentes disponibles en el mercado se incluyen:
• Estructuras modulares: Fabricadas en aluminio o materiales compuestos, cumplen con los estándares de integración de lanzadores.
• Sistemas de energía: Paneles solares de alta eficiencia, baterías de ion-litio y sistemas de distribución de energía (EPS).
• Computadoras de a bordo: Procesadores embebidos diseñados para operar en entornos espaciales con tolerancia a fallos.
• Subsistemas de telecomunicaciones: Radios UHF/VHF, transmisores en banda S y X, y antenas desplegables.
• Sistemas de propulsión: Motores de propulsión eléctrica y química en miniatura para maniobras orbitales.
• Sensores y carga útil: Cámaras, espectrómetros, magnetómetros y otros instrumentos científicos o tecnológicos.
Evaluación de Proveedores y Costos
Es fundamental realizar un análisis detallado antes de seleccionar un proveedor. Algunos factores a considerar incluyen:
• Compatibilidad: Verificar que el componente cumpla con los estándares CubeSat y los requisitos de la misión.
• Calidad y fiabilidad: Revisar certificaciones, pruebas realizadas y experiencia del proveedor en misiones previas.
• Costo y presupuesto: Comparar opciones y evaluar si es más conveniente comprar un sistema llave en mano o desarrollar tecnología propia.
• Tiempo de entrega: Considerar los plazos de fabricación y envío para evitar retrasos en la integración del CubeSat.
• Soporte técnico y documentación: Asegurar que el proveedor ofrezca asistencia y manuales detallados para la integración del componente.
Desarrollo de Componentes Personalizados
En algunos casos, puede ser necesario diseñar y fabricar componentes específicos cuando las soluciones comerciales no cumplen con los requisitos de la misión. Esto implica:
• Uso de laboratorios universitarios o centros de investigación para el diseño y prueba de hardware.
• Desarrollo de software personalizado para la gestión del CubeSat.
• Colaboraciones con la industria para la fabricación de piezas especializadas.
La selección adecuada de componentes y proveedores es clave para garantizar el éxito de la misión CubeSat, optimizando costos y minimizando riesgos técnicos.
Figura 10. Los CubeSats y su impacto en la nueva era espacial de México.
Fuente: La Lupa - CubeSats en México: La nueva era espacial de la nación
Capítulo 8: Integración y Pruebas
Integración de CubeSats
La integración de un CubeSat es un proceso crítico que asegura que todos los componentes y subsistemas funcionen juntos como un sistema cohesivo y cumplan con los requisitos de la misión y las especificaciones de lanzamiento. Este capítulo proporciona una guía para la integración de CubeSats, cubriendo desde la planificación hasta las pruebas finales y la entrega.
Planificación de la Integración
La planificación de la integración es fundamental para un proceso exitoso.
Esta fase incluye:
• Definición de la estrategia de integración y verificación: Cómo se ensamblarán los elementos para formar los subsistemas y cómo se unirán todos los subsistemas para crear el sistema final.
• Descripción de las actividades: Detallar qué se necesita hacer en cada paso de la integración.
• Identificación de recursos: Determinar los recursos necesarios, cuándo y dónde se necesitarán.
• Cronograma: Establecer un cronograma realista que considere los tiempos académicos y la rotación de estudiantes en entornos universitarios.
• Asignación de responsabilidades: Definir claramente quién es responsable de cada actividad.
• Gestión de problemas: Establecer cómo se documentarán y resolverán los problemas de integración.
Proceso de Integración
El proceso de integración típicamente sigue estos pasos:
• Integración de Subsistemas: Ensamblar los componentes para formar cada subsistema (EPS, ADCS, OBC, Comunicaciones, etc.).
• Integración de la Carga Útil: Incorporar la carga útil a la plataforma del CubeSat.
• Integración Estructural: Asegurar que todos los componentes estén correctamente montados en la estructura del CubeSat, cumpliendo con los requisitos de dimensiones, masa y materiales.
• Verificación Dimensional: Realizar una verificación dimensional para asegurar que el CubeSat cumple con las especificaciones del estándar CubeSat y del dispensador.
• Integración Eléctrica: Conectar todos los componentes eléctricos y subsistemas, verificando la correcta distribución de energía y la protección contra sobrecargas y cortocircuitos.
• Integración de Software: Cargar y configurar el software de control de actitud, gestión de datos y comunicaciones.
Pruebas y Verificación
Las pruebas son una parte integral del proceso de integración. Las pruebas deben incluir:
• Pruebas Funcionales: Verificar que todos los componentes y subsistemas funcionan correctamente por separado y en conjunto.
• Pruebas Eléctricas: Verificar el correcto funcionamiento del sistema de potencia, la distribución de energía y las comunicaciones.
• Pruebas de Comunicación: Asegurar que el CubeSat puede comunicarse con las estaciones terrestres.
• Pruebas Ambientales: Someter el CubeSat a condiciones que simulen el entorno espacial, incluyendo pruebas de vacío térmico y vibración.
• Pruebas de Integración del Sistema: Verificar que todos los subsistemas funcionan correctamente juntos.
La integración y pruebas son etapas críticas en el desarrollo de una misión CubeSat, ya que permiten detectar fallos y corregirlos antes del lanzamiento, aumentando significativamente las probabilidades de éxito de la misión.
Documentación
Es crucial documentar cada paso del proceso de integración. La documentación debe incluir:
• Plan de Integración: Describir la estrategia y los pasos a seguir [3].
• Procedimientos de Prueba: Detallar cómo se realizan las pruebas y cuáles son los criterios de aceptación [21].
• Resultados de las Pruebas: Registrar los resultados de cada prueba, incluyendo cualquier problema encontrado y cómo se resolvió [21].
• Lista de Materiales: Identificar cada material utilizado en el CubeSat, su masa, ubicación y propiedades de desgasificación [25, 26].
• Informe de Propiedades de Masa: Indicar la masa total del CubeSat, el centro de gravedad y los momentos de inercia [27].
• Informe Eléctrico: Verificar el número de inhibiciones de RF y que el CubeSat es autónomo [13].
• Análisis de Ventilación: Demostrar que el CubeSat tiene una ventilación adecuada para prevenir la descompresión explosiva [28].
Preparación para la Entrega
Antes de la entrega, es necesario completar las siguientes tareas:
• Revisión de Preparación para la Misión (MRR): Presentar el CubeSat a un panel de expertos para verificar que cumple con todos los requisitos y está listo para el lanzamiento.
• Integración al Dispensador: Insertar el CubeSat en el dispensador, asegurando que encaja correctamente y que los interruptores de separación funcionan.
• Pruebas Finales: Realizar pruebas finales en el CubeSat integrado en el dispensador para asegurar que no se ha producido ningún daño durante la integración.
Entrega e Integración al Vehículo de Lanzamiento
La entrega del CubeSat al sitio de integración marca el final del proceso de integración. Una vez allí, se realizan las siguientes actividades:
• Inspección Final: El integrador realiza una inspección final del CubeSat.
• Integración al Vehículo de Lanzamiento: El dispensador cargado con el CubeSat se integra al vehículo de lanzamiento.
Consideraciones Adicionales
• Control de Cambios: Mantener al integrador de la misión informado de todos los cambios y problemas encontrados durante el desarrollo del CubeSat.
• Establecer Márgenes: Incluir tiempo extra en el cronograma para abordar cualquier problema inesperado.
• Documentación Fotográfica: Tomar fotos durante todas las fases de la integración, el ensamblaje y las pruebas.
• Conocimiento del Equipo: Asegurar que los miembros del equipo tengan el conocimiento y la experiencia necesarios para realizar las tareas de integración.
• Equipamiento de Soporte en Tierra (GSE): Informar a los integradores sobre cualquier GSE que se planee llevar al sitio de integración, así como cualquier peligro potencial para el personal de integración.
Este capítulo proporciona una guía completa para la integración de CubeSats. Sin embargo, cada proyecto es único y requerirá un enfoque adaptado a las necesidades específicas de la misión y los requisitos del vehículo de lanzamiento.
Figura 11:. El CubeSat español XaTcobeo.
Fuente: Agencia Espacial Europea (ESA) - El CubeSat español XaTcobeo
Capítulo 9: Proceso de Lanzamiento
Opciones de Lanzamiento y Colaboraciones
El lanzamiento de un CubeSat es una de las fases más críticas de la misión, ya que implica coordinarse con proveedores de lanzamiento y asegurarse de cumplir con los requisitos técnicos y regulatorios. Existen varias opciones para lanzar un CubeSat:
• Carga secundaria en un lanzamiento comercial: Se envía el CubeSat junto con otros satélites en un cohete lanzador como SpaceX Falcon 9, Rocket Lab Electron o Arianespace Vega.
• Lanzamiento desde la Estación Espacial Internacional (ISS): Mediante el despliegue de CubeSats utilizando dispositivos como el Nanoracks CubeSat Deployer.
• Lanzadores dedicados para satélites pequeños: Empresas como Rocket Lab y Firefly Aerospace ofrecen soluciones específicas para pequeños satélites.
Procedimientos Previos al Lanzamiento
Antes de que el CubeSat pueda ser integrado en el lanzador, debe cumplir con una serie de requisitos y pruebas:
• Certificación de compatibilidad: Garantizar que el satélite cumple con los estándares del lanzador.
• Pruebas ambientales: Asegurar que el CubeSat soportará las condiciones del lanzamiento.
• Carga y encapsulación: El CubeSat es instalado en el sistema de despliegue del lanzador.
• Verificación final: Se realizan pruebas de comunicación y funcionalidad antes del despegue.
El éxito del lanzamiento depende de una planificación meticulosa y la coordinación con los proveedores de servicios espaciales. Un proceso de lanzamiento bien gestionado reduce los riesgos y maximiza las posibilidades de que el CubeSat llegue a su órbita objetivo en condiciones óptimas.
Figura 12. Proyecto tecnológico de innovación en CubeSats.
Fuente: UPAEP - Proyectos de Innovación en Tecnología
Capítulo 10: Operación en Órbita y Análisis de Datos
Comunicaciones y Telemetría
Una vez en órbita, el CubeSat debe establecer comunicación con la estación terrena para enviar datos y recibir comandos. Esto implica el uso de:
• Frecuencias de radio: VHF, UHF, banda S o X, dependiendo de los requisitos de la misión.
• Protocolos de comunicación: Modulación digital y codificación de señales para garantizar una transmisión confiable.
• Telemetría: Monitoreo en tiempo real de parámetros como energía, temperatura y orientación.
Figura 13. Cómo desarrollar un CubeSat desde el concepto hasta la órbita terrestre.
Fuente: GlobalSpec - How to Develop a CubeSat: From Concept to Earth Orbit
Análisis y Almacenamiento de Datos
Los datos recopilados por el CubeSat deben ser procesados y almacenados eficientemente:
• Procesamiento a bordo: Algoritmos que permiten la compresión y selección de datos antes de la transmisión.
• Descarga de datos: Uso de ventanas de comunicación programadas para maximizar la eficiencia.
• Análisis en tierra: Software especializado para interpretar la información científica o técnica.
La operación en órbita requiere una planificación cuidadosa para maximizar el tiempo útil del satélite y asegurar la correcta recepción de datos por parte del equipo en tierra.
Figura 14. Lanzamiento histórico del CubeSat de la NASA para regresar a la Luna.
Fuente: DW - La NASA lanza su nanosatélite CubeSat en una misión histórica para volver a la Luna
Capítulo 11: Fin de Vida y Consideraciones de Sostenibilidad
Estrategias de Mitigación de Desechos Espaciales
Los CubeSats, al igual que otros satélites, contribuyen al problema de los desechos espaciales. Para minimizar su impacto, es fundamental implementar estrategias adecuadas de desorbitación y eliminación:
• Órbitas de reentrada controlada: Ubicar el CubeSat en una órbita donde la resistencia atmosférica lo degrade con el tiempo hasta su destrucción en la atmósfera.
• Uso de sistemas de desorbitación: Incorporar mecanismos como velas de arrastre o propulsión para reducir el tiempo en órbita.
• Cumplimiento de normativas internacionales: Seguir las directrices del Comité de Coordinación de Desechos Espaciales (IADC) y la Oficina de las Naciones Unidas para Asuntos del Espacio Exterior (UNOOSA).
Cumplimiento de Regulaciones Internacionales
El fin de vida de un CubeSat debe cumplir con regulaciones establecidas por agencias espaciales y organizaciones internacionales:
• Normativas de la NASA y la ESA: Exigen que los CubeSats en órbitas bajas no superen los 25 años de vida post-operacional.
• Registro y seguimiento: Notificar a las autoridades espaciales sobre la ubicación y destino final del satélite.
• Estrategias de sostenibilidad: Desarrollar CubeSats con materiales que minimicen el impacto ambiental tras su reentrada.
La planificación del fin de vida de un CubeSat es crucial para reducir el riesgo de colisiones y contribuir a la sostenibilidad del espacio, asegurando que futuras misiones puedan operar sin mayores riesgos de desechos espaciales.
Capítulo 12: Gestión y Financiación del Proyecto
Fuentes de Financiamiento y Colaboraciones
El desarrollo de un CubeSat universitario requiere financiamiento para cubrir costos de diseño, fabricación, pruebas, lanzamiento y operación. Algunas fuentes de financiamiento incluyen:
• Subvenciones y programas gubernamentales: Oficinas de gobierno como la Secretaría de Economía, la SECIHTI y otras, pueden ofrecer fondos para proyectos de investigación y desarrollo tecnológico.
• Colaboraciones con la industria: Empresas aeroespaciales pueden patrocinar CubeSats como parte de sus programas de innovación y responsabilidad social.
• Fondos universitarios y crowdfunding: Algunas instituciones asignan recursos a proyectos estudiantiles, y plataformas de financiación colectiva pueden ayudar a obtener apoyo económico.
• Participación en concursos y desafíos: Existen competencias internacionales que otorgan financiamiento y oportunidades de lanzamiento a los proyectos ganadores. Un ejemplo de estos concursos es el KiboCube de JAXA y UNOOSA que ofrecen proporcionar el lanzamiento a los proyectos ganadores.
• Fondos internacionales: Agencias espaciales como JAXA y ESA, así como oficinas de la ONU, como UNOOSA, ofrecen fondos para el desarrollo de misiones espaciales basadas en CubeSats.
Estrategias para la Sostenibilidad del Proyecto
Para asegurar la continuidad y éxito del programa CubeSat universitario, se deben considerar estrategias de sostenibilidad a largo plazo:
• Generación de conocimiento y documentación: Crear manuales y bases de datos para facilitar la transferencia de conocimientos entre generaciones de estudiantes.
• Desarrollo de asociaciones estratégicas: Establecer convenios con agencias espaciales, laboratorios de investigación y empresas tecnológicas.
• Implementación de un modelo de negocio: Explorar oportunidades de comercialización de tecnología o servicios derivados del CubeSat.
• Participación en redes de colaboración: Unirse a consorcios y foros internacionales para compartir experiencias y acceder a recursos adicionales.
Una adecuada gestión y financiamiento del proyecto es esencial para garantizar que los CubeSats universitarios sigan desarrollándose con éxito y contribuyan a la formación de nuevos profesionales en el sector espacial.
Capítulo 13 Estudios de Caso
Ejemplos de Misiones Universitarias Exitosas
Las misiones espaciales universitarias representan una oportunidad única para que estudiantes e investigadores adquieran experiencia práctica en el campo aeroespacial. Estas misiones, a menudo centradas en nanosatélites, permiten a los participantes vivir todo el ciclo de vida de un proyecto espacial, desde la concepción y el diseño hasta la construcción, las pruebas, el lanzamiento y la operación en órbita [1, 2]. Además, fomentan la colaboración entre universidades, agencias espaciales y la industria, impulsando el desarrollo de tecnología espacial y la formación de talento humano [2-4].
En esta ocasión, por ser proyectos latinoamericanos más cercanos a la realidad de México, vamos a analizar los casos destacados del AztechSat-1 y el GuaraníSat-1
AztechSat-1: El Primer Nanosatélite Mexicano de la UPAEP
AztechSat-1 es el primer nanosatélite mexicano administrado, diseñado y construido por un equipo de estudiantes de ingeniería y otras áreas de la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla (UPAEP). El proyecto, auspiciado por la Agencia Espacial Mexicana (AEM) y la NASA, tuvo como misión conectarse con la constelación de satélites Globalstar y transmitir datos para mejorar el tránsito de información.
• Lecciones Aprendidas Clave
• Metodología de ingeniería de sistemas de la NASA: La aplicación rigurosa de esta metodología fue fundamental para cumplir con todas las fases del proyecto.
• Importancia de la documentación: La documentación exhaustiva en cada etapa del proyecto es esencial para el éxito.
• Licenciamiento de frecuencia: Iniciar el trámite de licenciamiento de la frecuencia y el recurso orbital al inicio del proyecto es crucial para evitar retrasos.
• Gestión de la rotación del personal: Los estudiantes de los niveles superiores deben guiar a los estudiantes de los primeros semestres para asegurar que todos puedan contribuir al proyecto.
GuaraníSat-1: El Primer Satélite Paraguayo
GuaraníSat-1 es el primer satélite de Paraguay, desarrollado en el marco del programa BIRDS del Instituto Tecnológico de Kyushu (Kyutech) en Japón. El satélite, de tipo CubeSat de una unidad, tenía como objetivo principal probar tecnologías para futuras misiones y dar continuidad al desarrollo de satélites de Filipinas y Japón. Además de las pruebas de ingeniería, tenía como misión la detección de los vectores transmisores de la enfermedad de Chagas.
• Lecciones Aprendidas Clave
• Asegurar el stock de componentes: Es fundamental contar con un stock suficiente de componentes, especialmente aquellos con herencia espacial.
• Cálculo de energía: Asegurarse de que la energía generada por los paneles solares tenga suficiente margen para cargar la batería y alimentar la carga útil, incluso en escenarios de fallo de paneles.
• Pruebas de larga duración: Simular las condiciones de vuelo en las pruebas de larga duración y evitar modificaciones al software de vuelo después de estas pruebas.
• Importancia de las alianzas interinstitucionales: Las alianzas estratégicas son fundamentales para el éxito de proyectos espaciales, especialmente en países con poca experiencia en el sector.
• Cumplimiento de regulaciones: Es crucial cumplir con las regulaciones nacionales e internacionales, incluyendo las relacionadas con el uso del espectro radioeléctrico y el registro de objetos espaciales.
• Gestión del capital humano: Es importante capacitar continuamente a los ingenieros del proyecto.
Lecciones Adicionales
Más allá de las lecciones específicas de cada misión, existen aspectos transversales que son relevantes para cualquier proyecto espacial universitario:
• Comunicación efectiva: Mantener una comunicación fluida y constante entre todos los miembros del equipo es crucial para evitar malentendidos y asegurar el cumplimiento de los objetivos.
• Gestión de riesgos: Identificar y mitigar los riesgos potenciales en cada etapa del proyecto es fundamental para minimizar la probabilidad de fallos y asegurar el éxito de la misión.
• Adaptación a los desafíos: Los proyectos espaciales están llenos de desafíos inesperados. La capacidad de adaptarse a estos desafíos y encontrar soluciones creativas es esencial para el éxito de la misión.
Figura 15. CubeSat AztechSat-1, el primer CubeSat mexicano.
Fuente: Wikipedia - AztechSat-1
Conclusión
Las misiones espaciales universitarias como AztechSat-1 y GuaraníSat-1 demuestran el enorme potencial de la colaboración entre universidades, agencias espaciales e industria para impulsar el desarrollo del sector aeroespacial y formar talento humano [2-4]. Al aplicar las lecciones aprendidas de estas misiones y abordar los desafíos con creatividad y perseverancia, las universidades pueden jugar un papel clave en la exploración y utilización del espacio para el beneficio de la sociedad.
Capítulo 14. Lecciones Aprendidas y Mejores Prácticas
El desarrollo de CubeSats universitarios ha proporcionado valiosas enseñanzas para futuras misiones. Entre las mejores prácticas destacan:
• Planificación rigurosa: Definir objetivos claros y asegurar un plan de contingencia para posibles fallos.
• Pruebas exhaustivas: Evaluar cada componente y realizar pruebas de validación antes del lanzamiento.
• Colaboraciones estratégicas: Asociarse con agencias espaciales, empresas tecnológicas y otros centros de investigación para obtener apoyo técnico y financiero.
• Documentación y transferencia de conocimiento: Mantener registros detallados del proyecto para garantizar su continuidad con futuras generaciones de estudiantes.
Los estudios de caso muestran que, con una planificación adecuada y un equipo comprometido, los CubeSats pueden convertirse en una plataforma efectiva para la investigación y la educación espacial.
Reflexiones finales
El desarrollo de misiones universitarias basadas en CubeSats ofrece una oportunidad única para que estudiantes y académicos participen en el sector espacial. Siguiendo esta guía, las universidades pueden diseñar, construir y operar con éxito sus propios satélites, contribuyendo al avance de la ciencia y la tecnología aeroespacial. La clave del éxito radica en la planificación meticulosa, la colaboración con expertos y la adopción de mejores prácticas en cada etapa del proyecto.
Apéndice
Los "10 Mandamientos del Desarrollo de Misiones de Nanosatélites" son directrices esenciales para asegurar el éxito en proyectos CubeSat]. Estos mandamientos abarcan desde la definición del proyecto hasta la gestión de riesgos y la verificación:
• Define el alcance, los objetivos y los criterios de éxito desde el comienzo del proyecto.
• Hazte cargo de los aspectos regulatorios y de lanzamiento desde el principio.
• Asigna suficiente tiempo para la integración, verificación y pruebas, preferiblemente, de un tercio a la mitad del programa general.
• Aumenta la posibilidad de éxito de la misión basado en la administración de riesgos.
• Diseña por simplicidad y robustez.
• Incluye personal experimentado en el equipo.
• Planea para enfrentar la rotación de personal.
• Mantén un stock de componentes de repuesto para permitir el desarrollo paralelo y pruebas más rigurosas.
• Realiza al menos cuatro pruebas de aseguramiento de la misión: prueba del día en la vida, pruebas de enlace de comunicación, pruebas del sistema de potencia y pruebas térmicas.
• Ve las hojas de datos con escepticismo.
Palabras Clave
Nanosatélites, CubeSat, misiones espaciales universitarias, ingeniería espacial, gestión de proyectos espaciales, estándar CubeSat, carga útil, subsistemas satelitales, certificación para lanzamiento, estación terrena, regulación espacial, ITU, operaciones satelitales, órbita terrestre baja, misiones educativas.
