Naves Espaciales: ¿Qué hay dentro?

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2013-12-01


Las naves espaciales son vehículos bastante complejos. Todos sus sistemas deben de trabajar a la perfección una vez que la nave está en órbita: Una vez en el espacio la nave debe suministrar energía al resto de los sistemas y asegurarse que su temperatura sea la adecuada. También debe mantener apuntados sensores y antenas en la dirección correcta, procesar datos y mantenerse en comunicación con sistemas en tierra. En esta ocasión explicaremos cómo funciona todo esto.


Naves Espaciales: ¿Qué hay dentro?
Una nave espacial típica consiste de una carga útil y de un bus o plataforma que proporciona servicios de apoyo a la carga útil. La carga útil es quien desarrolla la misión y ésta puede ser de muy diversa índole: comunicación, navegación, observación de la tierra, exploración del espacio, entre otras.
 
En la actualidad, el diseñador de una nave espacial puede disponer de una gran variedad de buses comerciales para realizar una misión determinada. Entre las especificaciones de los buses están: su capacidad de suministro de energía, sus dimensiones -para que quepa en determinado tipo de lanzador-, su masa, la precisión en el control de su orientación y apuntamiento, y el tipo de órbitas en el que puede operar.
 
Un ejemplo de bus comercial es la Plataforma ELiTeBus (Extended LifeTime Bus) del fabricante franco-italiano Thales Alenia Space. Esta plataforma está diseñada para misiones en órbitas bajas y medias y ha sido usada, entre muchas otras misiones, en las constelaciones de satélites de comunicaciones GlobalStar, Iridium y O3B.

 

 

El bus está compuesto por cinco subsistemas: estructura, control térmico, energía eléctrica, control de orientación y apuntamiento, y la telemetría, rastreo y mando (TT & C).

 


El subsistema de control térmico puede ser de dos clases: control térmico pasivo y térmico activo. Un subsistema pasivo mantiene la temperatura dentro de los límites deseados a través de controlar la radiación y la conducción del calor, a través de seleccionar la configuración y las propiedades termo-ópticas de las superficies. Un sistema pasivo no contiene partes móviles, ni fluidos en movimiento y no requiere energía eléctrica. Los sistemas pasivos pueden utilizar aisladores térmicos, disipadores de calor y otras técnicas para lograr su objetivo. A diferencia de los sistemas pasivos, los sistemas activos utilizan energía eléctrica para funcionar y pueden ser refrigerantes, calentadores o una combinación de ambos.
Energía eléctrica
 
La cantidad de energía eléctrica que requiere una nave espacial está determinada por su misión. A menudo, la energía ininterrumpida debe suministrarse durante 10 años o más y el susbsistema de energía eléctrica debe cumplir tanto con la demanda promedio como con la demanda pico de los demás subsistemas. La generación de energía eléctrica a bordo de una nave espacial implica generalmente cuatro elementos básicos:
 
1. Una fuente de energía como la radiación solar, la energía nuclear, o de reacciones químicas.
2. Un dispositivo para convertir la energía en electricidad.
3. Un dispositivo para el almacenamiento de energía eléctrica para cumplir con las demandas pico y durante eclipses.
4. Un sistema para el acondicionamiento, carga, descarga, regulación, y la distribución de la energía eléctrica generada en los niveles de voltaje especificados.
 
La fuente de energía más común para los satélites que orbitan la Tierra es la radiación solar. Como los satélites que orbitan la Tierra entran y salen de la sombra de la Tierra, la radiación solar debe ser complementada por otra fuente, como por ejemplo baterías recargables. Otra fuente de energía, sobre todo para misiones muy largas es la energía nuclear. El Curiosity utiliza un generador nuclear como fuente primaria de energía.
 
Control de orientación y apuntamiento
 
El control de orientación y apuntamiento se puede definir como el proceso de lograr y mantener una orientación deseada en el espacio. En general, un sistema de control de orientación y apuntamiento consiste en tres componentes: sensores de navegación, sección de orientación, y la sección de control. Al realizar una maniobra de control de orientación y apuntamiento, los sensores localizan objetivos de referencia conocidos como la Tierra o el Sol para determinar la orientación de la nave espacial. La sección de orientación determina cuánto se requiere maniobrar, es decir qué torques se necesitan para lograr la orientación deseada y cómo generarlos. La sección de control incluye hardware y actuadores que suministran los torques de control.
 
Existen dos tipos de sistemas de control de orientación y apuntamiento: activos y pasivos. Los sistemas activos utilizan sistemas de control retroalimentado para mantener la orientación y el apuntamiento. Los tipos más comunes de actuadores para los sistemas de control activos son propulsores, electroimanes, y ruedas de reacción. En contraste, el control pasivo hace uso de torques ambientales para mantener la orientación. El gradiente de gravedad, el campo magnético terrestre y las velas solares son métodos pasivos de control comunes.

Telemetría, rastreo y mando (TT & C)

El subsistema de telemetría, rastreo y control (TT&C por sus siglas en inglés) proporciona una conexión entre el vehículo espacial y las instalaciones en tierra. Su propósito es asegurar que el vehículo funcione correctamente. Las funciones del TT&C son: (1) la vigilancia de la salud y el estado del satélite a través de la recopilación, el procesamiento y la transmisión de los datos de los distintos subsistemas de la nave (2) la determinación exacta de la posición del vehículo a través de la recepción, procesamiento y transmisión de señales, y, (3) el control adecuado del vehículo a través de la recepción, el procesamiento, y la ejecución de los mandos transmitidos desde tierra.
Este sistema incluye los sensores de posición, velocidad y salud del vehículo tales como temperaturas, presiones y voltajes; los sistemas de comunicación, así como los canales de transmisión de datos desde y hacia el vehículo; así como la computadora de vuelo.
 
Aunque los vehículos espaciales son sistemas complejos, su complejidad no está fuera del alcance de naciones como México. El diseñar, construir, probar y operar vehículos espaciales requiere de mucha disciplina, trabajo colaborativo y apego a estándares, pero sobre todo de contar con la confianza de que todas estas tareas pueden realizarse. En los próximos años estaremos siendo testigos del ingreso de México a la era espacial, gracias a la decisión y trabajo de ingenieros, científicos y administradores mexicanos.
 
 
Estructura
 
La función del subsistema de estructura es confinar y proteger a los demás subsistemas de la nave y proporcionar una interfaz mecánica con el vehículo de lanzamiento. La estructura confina a los otros componentes de la nave, tales como: como baterías, tanques de combustible, módulos electrónicos, etc. La estructura debe ser lo suficientemente robusta como para soportar las fuerzas derivadas del lanzamiento, la inyección en órbita, así como del despliegue de paneles solares y antenas. Encima de todo esto, el diseñador debe mantener su masa y su costo al mínimo.
 
Control térmico
 
El objetivo del subsistema de control térmico es mantener a todos los componentes de la nave dentro de límites de temperatura que garanticen el funcionamiento correcto de la nave durante la vida de la misión. Algunos componentes deben mantenerse por debajo de una temperatura crítica. Por ejemplo, las altas temperaturas limitan la fiabilidad y la vida útil de los transistores debido a efectos electromigración. Los sensores ópticos requieren que la temperatura permanezca dentro de un rango crítico para minimizar la distorsión de la lente, y un propulsor de hidrazina deben mantenerse por encima de una temperatura crítica (10 grados Celsius), o se congelará.

El subsistema de control térmico puede ser de dos clases: control térmico pasivo y térmico activo. Un subsistema pasivo mantiene la temperatura dentro de los límites deseados a través de controlar la radiación y la conducción del calor, a través de seleccionar la configuración y las propiedades termo-ópticas de las superficies. Un sistema pasivo no contiene partes móviles, ni fluidos en movimiento y no requiere energía eléctrica. Los sistemas pasivos pueden utilizar aisladores térmicos, disipadores de calor y otras técnicas para lograr su objetivo. A diferencia de los sistemas pasivos, los sistemas activos utilizan energía eléctrica para funcionar y pueden ser refrigerantes, calentadores o una combinación de ambos.
Energía eléctrica
 
La cantidad de energía eléctrica que requiere una nave espacial está determinada por su misión. A menudo, la energía ininterrumpida debe suministrarse durante 10 años o más y el susbsistema de energía eléctrica debe cumplir tanto con la demanda promedio como con la demanda pico de los demás subsistemas. La generación de energía eléctrica a bordo de una nave espacial implica generalmente cuatro elementos básicos:
 
1. Una fuente de energía como la radiación solar, la energía nuclear, o de reacciones químicas.
2. Un dispositivo para convertir la energía en electricidad.
3. Un dispositivo para el almacenamiento de energía eléctrica para cumplir con las demandas pico y durante eclipses.
4. Un sistema para el acondicionamiento, carga, descarga, regulación, y la distribución de la energía eléctrica generada en los niveles de voltaje especificados.
 
La fuente de energía más común para los satélites que orbitan la Tierra es la radiación solar. Como los satélites que orbitan la Tierra entran y salen de la sombra de la Tierra, la radiación solar debe ser complementada por otra fuente, como por ejemplo baterías recargables. Otra fuente de energía, sobre todo para misiones muy largas es la energía nuclear. El Curiosity utiliza un generador nuclear como fuente primaria de energía.
 
Control de orientación y apuntamiento
 
El control de orientación y apuntamiento se puede definir como el proceso de lograr y mantener una orientación deseada en el espacio. En general, un sistema de control de orientación y apuntamiento consiste en tres componentes: sensores de navegación, sección de orientación, y la sección de control. Al realizar una maniobra de control de orientación y apuntamiento, los sensores localizan objetivos de referencia conocidos como la Tierra o el Sol para determinar la orientación de la nave espacial. La sección de orientación determina cuánto se requiere maniobrar, es decir qué torques se necesitan para lograr la orientación deseada y cómo generarlos. La sección de control incluye hardware y actuadores que suministran los torques de control.
 
Existen dos tipos de sistemas de control de orientación y apuntamiento: activos y pasivos. Los sistemas activos utilizan sistemas de control retroalimentado para mantener la orientación y el apuntamiento. Los tipos más comunes de actuadores para los sistemas de control activos son propulsores, electroimanes, y ruedas de reacción. En contraste, el control pasivo hace uso de torques ambientales para mantener la orientación. El gradiente de gravedad, el campo magnético terrestre y las velas solares son métodos pasivos de control comunes.

Telemetría, rastreo y mando (TT & C)

El subsistema de telemetría, rastreo y control (TT&C por sus siglas en inglés) proporciona una conexión entre el vehículo espacial y las instalaciones en tierra. Su propósito es asegurar que el vehículo funcione correctamente. Las funciones del TT&C son: (1) la vigilancia de la salud y el estado del satélite a través de la recopilación, el procesamiento y la transmisión de los datos de los distintos subsistemas de la nave (2) la determinación exacta de la posición del vehículo a través de la recepción, procesamiento y transmisión de señales, y, (3) el control adecuado del vehículo a través de la recepción, el procesamiento, y la ejecución de los mandos transmitidos desde tierra.
Este sistema incluye los sensores de posición, velocidad y salud del vehículo tales como temperaturas, presiones y voltajes; los sistemas de comunicación, así como los canales de transmisión de datos desde y hacia el vehículo; así como la computadora de vuelo.
 
Aunque los vehículos espaciales son sistemas complejos, su complejidad no está fuera del alcance de naciones como México. El diseñar, construir, probar y operar vehículos espaciales requiere de mucha disciplina, trabajo colaborativo y apego a estándares, pero sobre todo de contar con la confianza de que todas estas tareas pueden realizarse. En los próximos años estaremos siendo testigos del ingreso de México a la era espacial, gracias a la decisión y trabajo de ingenieros, científicos y administradores mexicanos.

 



Etiquetas: NavesEspaciales,Controltérmico,dispositivos,vehículos

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




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