El diseño de naves espaciales es un proceso en el que los principios de la ingeniería de sistemas se aplican sistemáticamente para construir vehículos complejos para misiones que implican viajes , operaciones o exploración en el espacio exterior . Este proceso de diseño produce las especificaciones de diseño detalladas , los esquemas y los planos para el sistema de la nave espacial, incluida la documentación completa que describe la arquitectura, los subsistemas, los componentes, las interfaces y los requisitos operativos de la nave espacial, y potencialmente algunos modelos prototipo o simulaciones , todos los cuales, en conjunto, sirven. como el modelo para la fabricación, montaje, integración y prueba de la nave espacial para garantizar que cumpla con los objetivos de la misión y los criterios de rendimiento.
El diseño de naves espaciales se lleva a cabo en varias fases. Inicialmente se realiza un diseño conceptual para determinar la viabilidad y conveniencia de un nuevo sistema de nave espacial, demostrando que existe un diseño creíble para llevar a cabo la misión. La revisión del diseño conceptual garantiza que el diseño cumpla con la declaración de la misión sin fallas técnicas y al mismo tiempo sea internamente consistente. A continuación, se lleva a cabo un diseño preliminar, donde la atención se centra en el rendimiento funcional, la definición de requisitos y la definición de la interfaz tanto a nivel de subsistema como de sistema. La revisión del diseño preliminar evalúa la idoneidad del diseño preliminar. En la siguiente fase, se dibuja y codifica el diseño detallado para el sistema en su conjunto y todos los subsistemas, y se realiza una revisión crítica del diseño donde se evalúa si el diseño es lo suficientemente detallado para fabricar, integrar y probar el sistema. [1] [2]
Durante el diseño de una nave espacial, los riesgos potenciales se identifican, evalúan y mitigan rigurosamente, los componentes de los sistemas se integran adecuadamente y se prueban exhaustivamente. Se tiene en cuenta todo el ciclo de vida (incluido el lanzamiento, las operaciones de la misión y la eliminación al final de la misión). Se emplea continuamente un proceso iterativo de revisiones y pruebas para refinar, optimizar y mejorar la efectividad y confiabilidad del diseño. En particular, se tienen en cuenta la masa, la potencia, el control térmico, la propulsión, el control de altitud, las telecomunicaciones, el mando y los datos y los aspectos estructurales de la nave espacial. También es importante elegir el vehículo de lanzamiento adecuado y adaptar el diseño al vehículo de lanzamiento elegido. [1] [2] El cumplimiento normativo, la adhesión a las normas internacionales y el diseño de un entorno espacial sostenible y libre de desechos son algunas otras consideraciones que se han vuelto importantes en los últimos tiempos.
El diseño de naves espaciales incluye el diseño tanto de naves espaciales robóticas ( satélites y sondas planetarias ), como de naves espaciales para vuelos espaciales tripulados ( naves espaciales y estaciones espaciales ). Las naves espaciales que transportan seres humanos requieren sistemas de soporte vital adicionales, alojamiento para la tripulación y medidas de seguridad para apoyar a los ocupantes humanos, así como consideraciones de ingeniería de factores humanos como la ergonomía, la comodidad de la tripulación y el bienestar psicológico. Las naves espaciales robóticas requieren autonomía, confiabilidad y capacidades de operación remota sin presencia humana. La naturaleza distintiva y las necesidades y limitaciones únicas relacionadas con cada uno de ellos impactan significativamente las consideraciones de diseño de las naves espaciales.
Los avances recientes en el diseño de naves espaciales incluyen sistemas de propulsión eléctrica (por ejemplo, propulsores de iones y propulsores de efecto Hall ) para propulsión de impulsos específicos elevados, velas solares (que utilizan presión de radiación solar ) para un empuje continuo sin necesidad de cohetes tradicionales, [3] fabricación aditiva ( impresión 3D ) y materiales avanzados (por ejemplo, compuestos avanzados , nanomateriales y materiales inteligentes ) para la creación rápida de prototipos y la producción de componentes ligeros y duraderos, inteligencia artificial y sistemas autónomos asistidos por aprendizaje automático para la autonomía de las naves espaciales y una mayor eficiencia operativa en misiones largas y lejanas. tecnologías de utilización de recursos in situ (ISRU) para la extracción y utilización de recursos locales en cuerpos celestes, y CubeSats y otros satélites en miniatura estandarizados [3] para misiones espaciales rentables alrededor de la Tierra.
El diseño de naves espaciales involucra a expertos de diversos campos como ingeniería, física, matemáticas, informática, etc., que se unen para colaborar y participar en trabajos en equipo interdisciplinarios. Además, la colaboración y las asociaciones internacionales entre agencias, organizaciones y países espaciales ayudan a compartir conocimientos, recursos y capacidades para el beneficio mutuo de todas las partes. Los desafíos del diseño de naves espaciales impulsan la innovación tecnológica y los avances de ingeniería en los sectores profesionales e industriales. La complejidad del diseño de naves espaciales involucra a los estudiantes en materias STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas), fomenta la alfabetización científica e inspira a la próxima generación de científicos, ingenieros e innovadores.
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 otros factores culturales dentro de la comunidad del diseño. Por otro lado, otra razón para que el diseño de aplicaciones de viajes espaciales sea lento es el alto costo energético y la baja eficiencia para alcanzar la órbita. Este costo podría verse como un "costo inicial" demasiado alto. [ cita necesaria ]
El diseño de naves espaciales reúne aspectos de diversas disciplinas, a saber: [ cita necesaria ]
El autobús de la nave espacial transporta la carga útil. Sus subsistemas soportan la carga útil y ayudan a orientarla 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 unidad combinada. 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 impulsar o empujar el vehículo hacia arriba, y una etapa de propulsión. El propulsor comúnmente utilizado es un gas comprimido como el nitrógeno, un quid a como la hidracina monopropulsor o un combustible sólido, que se utiliza para correcciones de velocidad y control de actitud. En una etapa de patada (también llamada motor de impulso de apogeo, módulo de propulsión o etapa de propulsión integral), se utiliza un motor de cohete separado para enviar la nave espacial a la órbita de su misión. Al diseñar una nave espacial, se debe tener en cuenta la órbita que se va a utilizar, 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 que aumenta el rendimiento de la carga útil. El diseñador incluso calcula las características de rendimiento requeridas de la nave espacial, como orientación, control térmico, cantidad de energía y ciclo de trabajo. A continuación se fabrica la nave espacial que cumple todos los requisitos. [ cita necesaria ]
El subsistema de control y determinación 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 y que pueden reorientar la nave espacial en cualquier dirección o darle un giro. El ADCS anula estos pares aplicando pares iguales y opuestos utilizando el proión y la navegación. Se debe calcular el momento de inercia de la carrocería para determinar los pares externos, lo que también requiere la determinación de la actitud absoluta del vehículo mediante sensores. La propiedad denominada "rigidez giroscópica" se utiliza para reducir el efecto de giro. Las naves espaciales más simples logran el control girando o interactuando con los campos magnéticos o de gravedad de la Tierra. A veces están descontrolados. Las naves espaciales pueden tener varios cuerpos o estar unidas a partes importantes, como paneles solares o antenas de comunicación, que necesitan 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 utilizadas son: [ cita necesaria ]
La telemetría, seguimiento y comando (TT&C) se utiliza para la comunicación entre las naves espaciales y los sistemas terrestres. Las funciones del subsistema son:
El proceso de envío de 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 alcance, mientras que el enlace descendente consta de telemetría de estado, tonos de alcance e incluso puede incluir datos de carga útil. El receptor, el transmisor y una antena 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. El subsistema de comunicación se dimensiona según la velocidad 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 necesaria ] Algunas naves espaciales se comunican mediante láseres , ya sea directamente al suelo como con LADEE ; o entre satélites como ocurre con OICETS , Artemis , Alphabus y el Sistema Europeo de Retransmisión de Datos .
El subsistema de energía eléctrica (EPS) consta de 4 subunidades:
El subsistema de control térmico (TCS) se utiliza para mantener la temperatura de todos los componentes de la nave espacial dentro de ciertos límites. Tanto el límite superior como el inferior están definidos para cada componente. Hay dos límites, a saber, operativo (en condiciones laborales) y supervivencia (en condiciones no laborales). La temperatura se controla mediante el uso de aisladores, radiadores, calentadores, rejillas y dando un acabado superficial adecuado a los componentes. [ cita necesaria ]
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 existe ningún requisito de empuje y, por tanto, ni siquiera 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: cambiar los parámetros orbitales, controlar la actitud durante el empuje, corregir errores de velocidad, maniobrar, contrarrestar fuerzas perturbadoras (por ejemplo, arrastre) y controlar y corregir el momento angular. El subsistema de propulsión incluye propulsor, tanque, sistema de distribución, presurización y controles de propulsor. También incluye propulsores o motores.
El diseño de una nave espacial siempre se basa en la arquitectura particular de la misión del vuelo espacial en cuestión. 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 servir a cualquier variedad de propósitos, gubernamentales o económicos. [4]
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 exigencias u 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 diversos grados de tolerancia a fallas . [4]
Medios relacionados con el diseño de naves espaciales en Wikimedia Commons