Diseño de naves espaciales: ¿Qué son los presupuestos?

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2016-01-01


El diseño de una nave espacial es un proceso complejo que tiene por objeto asegurar que la nave desarrollada cumplirá la misión dadas las restricciones de confiabilidad, costo y tiempo de desarrollo impuestas por el proyecto.

 

 


El diseño comienza especificando la misión y de ahí se definen la órbita y la carga útil, las cuales a su vez definen las especificaciones de los demás subsistemas. El diseño requiere de la intervención de muchas personas de diversas disciplinas y se realiza de acuerdo a una metodología estricta de administración de sistemas espaciales que guía el proceso de diseño de manera iterativa hasta que se alcanzan las especificaciones finales. Durante el proceso de diseño se consideran seis especificaciones generales, llamadas presupuestos, los cuales se refieren a los límites máximos permitidos para diferentes aspectos del desarrollo y operación de la nave espacial. Estos presupuestos son:        

1. Presupuesto de costos
 
Este presupuesto es el límite de los costos del diseño, desarrollo, construcción, validación, verificación de todos los subsistemas, así como los costos asociados al lanzamiento y la operación en tierra.
 
2.  Presupuesto de masas
 
Este presupuesto impone un límite a la masa total de la nave espacial y generalmente está asociado al lanzador escogido.
 
3. Presupuesto propelente
 
Este presupuesto es parte del presupuesto de masa y consiste en el límite máximo de la masa de propelente que puede alojar la nave espacial.  La cantidad de propelente máxima impone límites a la capacidad de maniobra de la nave una vez que está en órbita y en algunos casos, como en el de los satélites geoestacionarios, puede ser el factor más importante que defina la vida útil de la nave espacial.
 
4. Presupuesto de potencia
 
Este presupuesto impone una limitación a la potencia y la energía disponible para cada uno de los subsistemas de la nave espacial y la carga útil. Este presupuesto está limitado por la masa de los elementos de captación, generación y almacenamiento de energía eléctrica de la nave espacial.
 
5. Presupuesto de transferencia de datos
 
Este presupuesto define la velocidad máxima de transferencia de datos entre la nave espacial y los sistemas en tierra. Este presupuesto lo generan las contribuciones de los datos recabados por la carga útil y la telemetría que indica el estado de los demás subsistemas de la nave. Este presupuesto está estrechamente vinculado con el presupuesto de potencia y la capacidad de procesamiento a bordo.
 
6. Presupuesto de error de apuntamiento
 
Este presupuesto tiene que ver con la exactitud del sistema de control actitud (o apuntamiento) de la nave espacial. Esta exactitud tiene que ver con la misión, ya que ésta fija el máximo error en el apuntamiento de los sistemas tales como cámaras o antenas. El presupuesto de error de apuntamiento toma en cuenta los posibles errores en los diferentes componentes involucrados en el apuntamiento de manera que su efecto acumulativo no exceda los requisitos impuestos.
 
El valor de los presupuestos está limitado por varios factores entre los que se encuentran los económicos, los tecnológicos y los regulatorios. Por ejemplo, una vez que se elige un lanzador para el vehículo, es muy difícil hacer un cambio, por lo que el presupuesto de masa no se puede modificar. El presupuesto de potencia puede estar determinado por el tipo de celdas solares y baterías disponibles, así como la órbita impuesta por misión, por lo que también no resulta fácil aumentarlo. El presupuesto de transferencia de datos puede estar limitado por la banda de comunicaciones empleada, la cual a su vez pudo haber estado definida por una regulación.
 
Es evidente que estos presupuestos no son independientes entre sí, ya que el cambio en uno de ellos puede afectar a uno o más presupuestos. Por ejemplo, el cumplir con el presupuesto de masa puede implicar un aumento en el presupuesto de costo, al requerir de materiales con características de resistencia y densidad que resulten más costosos que los convencionales; un aumento en el presupuesto de transferencia de datos, puede aumentar el presupuesto de potencia y así por el estilo. De manera general cualquier intento por mejorar otros presupuestos tiene como efecto aumentar el presupuesto de costos y el presupuesto de masas. Es por esto que el administrador del diseño de una nave espacial debe considerar en todo momento los efectos de cualquier cambio sobre cada uno de los presupuestos y si es necesario ajustarlos a nuevos valores para lograr que el diseño final cumpla con los requerimientos de la misión.

 

 

ARQUITECTURA DE UNA NAVE ESPACIAL
 
Toda nave espacial se compone de ocho subsistemas principales:
 
1. Subsistema estructural y mecánico
 
Este subsistema proporciona integridad estructural a los demás componentes de la nave espacial y se encarga de desplegar a todos los componentes encapsulados tales como antenas, radiadores y paneles solares, así como de proveer los medios mecánicos para cambiar sus orientaciones según se requiera.
 
2. Subsistema de energía
 
Este subsistema genera, almacena, distribuye y controla toda la energía eléctrica a todos los componentes de la nave espacial, incluyendo la carga útil.
 
3. Subsistema de control de actitud
 
Este subsistema controla la orientación de la nave espacial para asegurar que todos los componentes apunten en la dirección correcta, por ejemplo los paneles solares deben apuntar hacia el sol, las antenas de comunicaciones hacia tierra, los radiadores térmicos al espacio lejano, y los sensores de carga útil hacia los objetivos de interés;
 
4. Subsistema de propulsión
 
Este subsistema se encarga de proporcionar los impulsos para que la nave realice maniobras como mantenimiento y cambio de órbita. El sistema incluye a uno o varios propulsores, así como tanques de almacenamiento de propelente, bombas y válvulas y otros componentes.  
 
5. Subsistema de control térmico
 
Este subsistema asegura que todos los componentes de la nave espacial se mantengan dentro de un rango de temperaturas que asegure su operación correcta.
 
6.  Subsistema de comunicaciones
 
Este subsistema mantiene el enlace de comunicaciones de radiofrecuencia entre la nave espacial y la tierra para asegurar la carga de mandos de control, la descarga de la telemetría y la descarga de datos proporcionados por la carga útil.
 
7.- Subsistema de  computadora de abordo                                            

Este subsistema adquiere, procesa y almacena los mandos de control, los datos telemetría y de los datos generados por la carga de la nave espacial.
 
8. Subsistema de carga útil
 
Este subsistema es el que lleva a cabo la misión de la nave espacial.

 

 

 



Etiquetas: diseño,nave,espacial,misión,desarrrollo,lanzamiento

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




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