El diseño de naves espaciales es un proceso en el que se aplican sistemáticamente los principios de ingeniería de sistemas para construir vehículos complejos para misiones que impliquen viajes , operaciones o exploración en el espacio exterior . Este proceso de diseño produce las especificaciones de diseño detalladas , los esquemas y los planes 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 modelo para la fabricación, el ensamblaje, la integración y las pruebas de la nave espacial para garantizar que cumpla con los objetivos de la misión y los criterios de rendimiento.
El diseño de una nave espacial se lleva a cabo en varias fases. En primer lugar, se realiza un diseño conceptual para determinar la viabilidad y la 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 misión sin fallas técnicas y que sea coherente internamente. A continuación, se lleva a cabo un diseño preliminar, en el que el enfoque 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 en la que se evalúa si el diseño es lo suficientemente detallado para fabricar, integrar y probar el sistema. [1] [2]
Durante todo el proceso de diseño de una nave espacial, se identifican, evalúan y mitigan rigurosamente los riesgos potenciales, se integran adecuadamente los componentes de los sistemas 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 eficacia y la fiabilidad 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 para un entorno espacial sostenible y libre de residuos son otras consideraciones que han cobrado importancia en los últimos tiempos.
El diseño de naves espaciales incluye el diseño de naves espaciales robóticas ( satélites y sondas planetarias ) y naves espaciales para vuelos espaciales tripulados ( naves espaciales y estaciones espaciales ). Las naves espaciales que transportan 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 una de ellas afectan significativamente las consideraciones de diseño de las naves espaciales.
Los desarrollos 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 alto impulso específico, velas solares (que utilizan la presión de la radiación solar ) para un empuje continuo sin la 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, sistemas autónomos asistidos por inteligencia artificial y aprendizaje automático para la autonomía de las naves espaciales y una mejor 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 reúnen para colaborar y participar en un trabajo en equipo interdisciplinario. Además, la colaboración internacional y las asociaciones entre agencias espaciales, organizaciones y países 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 los años 50 y 60 con la llegada de los programas de exploración espacial estadounidenses y soviéticos . Desde entonces ha avanzado, aunque por lo general menos que las tecnologías terrestres comparables. Esto se debe en gran parte al difícil entorno espacial, pero también a la falta de I+D básica y a otros factores culturales dentro de la comunidad de diseño. Por otro lado, otra razón para el lento diseño de aplicaciones para viajes espaciales es el alto costo de energía y la baja eficiencia para alcanzar la órbita. Este costo podría verse como un "costo inicial" demasiado alto. [ cita requerida ]
El diseño de naves espaciales reúne aspectos de varias disciplinas, a saber: [ cita requerida ]
El bus de la nave espacial transporta la carga útil. Sus subsistemas soportan la carga útil y ayudan a orientarla correctamente. Coloca la carga útil en la órbita correcta y la mantiene allí. Proporciona funciones de mantenimiento. También proporciona mantenimiento de la órbita y la 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 combinación. 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 que se utiliza habitualmente es un gas comprimido como el nitrógeno, un líquido como la hidracina monopropulsora o un combustible sólido, que se utiliza para las correcciones de velocidad y el control de actitud. En una etapa de propulsión (también llamada motor de refuerzo de apogeo, módulo de propulsión o etapa de propulsión integral) se utiliza un motor de cohete independiente para enviar la nave espacial a su órbita de misión. Al diseñar una nave espacial, se debe tener en cuenta la órbita que se va a utilizar, ya que afecta al 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. Por lo tanto, 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 la orientación, el control térmico, la cantidad de energía y el ciclo de trabajo. Luego se fabrica la nave espacial, que satisface todos los requisitos. [ cita requerida ]
El subsistema de determinación y control 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 pueden hacerla girar. El ADCS anula estos pares aplicando pares iguales y opuestos utilizando la posición y la navegación. Se debe calcular el momento de inercia del cuerpo 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 no están controladas. Las naves espaciales pueden tener varios cuerpos o estar unidas a partes importantes, como paneles solares o antenas de comunicación que necesitan apuntar la actitud individualmente. 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 requerida ]
La telemetría, el seguimiento y el mando (TT&C) se utilizan para la comunicación entre la nave espacial y los sistemas terrestres. Las funciones del subsistema son:
El proceso de enviar 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 medición de distancia, mientras que el enlace descendente consta de telemetría de estado, tonos de medición de distancia e incluso puede incluir datos de carga útil. El receptor, el transmisor y una antena de ángulo amplio (hemisférico 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 la velocidad de medición de distancia. El subsistema de comunicación se dimensiona en función de la velocidad de datos, la tasa de error admisible, 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 requerida ] Unas pocas naves espaciales se comunican mediante láseres , ya sea directamente a tierra como con LADEE ; o entre satélites como 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. Se definen límites superiores e inferiores para cada componente. Hay dos límites, a saber, el operativo (en condiciones de trabajo) y el de supervivencia (en condiciones de no trabajo). La temperatura se controla mediante el uso de aisladores, radiadores, calentadores, rejillas de ventilación y mediante el acabado superficial adecuado de los componentes. [ cita requerida ]
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 hay ningún requisito de empuje y, por lo tanto, ni siquiera de equipo de propulsión en una nave espacial más simple. Pero muchas de ellas necesitan un empuje controlado en su sistema, por lo que su diseño incluye alguna forma de propulsión dosificada (un sistema de propulsión que se puede activar y desactivar en pequeños incrementos). El empuje se utiliza para los siguientes fines: para cambiar los parámetros orbitales, para controlar la actitud durante el empuje, corregir errores de velocidad, maniobrar, contrarrestar fuerzas de perturbación (por ejemplo, arrastre) y controlar y corregir el momento angular. El subsistema de propulsión incluye un propulsor, un tanque, un sistema de distribución, un presurizador y controles de propulsor. También incluye propulsores o motores.
El diseño de una nave espacial siempre se basa en la arquitectura de la misión particular del vuelo espacial en cuestión. Normalmente, se pueden imaginar diversas arquitecturas de misión que permitan alcanzar el objetivo general del vuelo, ya sea que esos objetivos sean reunir datos científicos o simplemente transportar carga a través del entorno espacial para cumplir con diversos propósitos, gubernamentales o económicos. [4]
Las arquitecturas de las misiones espaciales especificarán si una nave espacial será autónoma o telerrobótica , o incluso si estará tripulada para hacer frente a exigencias o metas 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 lograr varios grados de tolerancia a fallas . [4]
Medios relacionados con el diseño de naves espaciales en Wikimedia Commons