Pruebas de calificación espacial para satélites (Parte 1)

Dr. Jorge Alfredo Ferrer Pérez y Dr. Carlos Romo Fuentes

Un satélite o plataforma satelital es un artefacto formado por circuitos electrónicos y sistemas mecánicos que orbita alrededor de la tierra y otros cuerpos celestes. Los satélites pueden ser usados para servicios de comunicaciones, predicción y monitoreo de clima; observación de la tierra; navegación; aplicaciones militares como seguridad nacional y misiones científicas.

Un satélite está formado por subsistemas con funciones específicas que impactan en su operación, entre los cuales están: el subsistema de estructura mecánica, propulsión, control térmico, suministro de potencia, telemetría-rastreo-y-comando (TT&C por sus siglas en ingles), de altitud y control de órbita, computadora-de-abordo-y-manejo-de-datos (OC&DH por sus siglas en ingles) y lo más importante, la instrumentación correspondiente a la carga útil.

El desarrollo de un satélite consiste en diferentes etapas: definición de objetivos, definición de la misión, evaluación de la misión, definición de requerimientos funcionales y operacionales, definición de restricciones, diseño conceptual de los modelos de ingeniería y de vuelo, desarrollo de instrumentación, integración de subsistemas, pruebas autónomas de subsistemas, pruebas de flat-sat, pruebas de software, integración de la plataforma satelital, pruebas de certificación espacial, campaña de lanzamiento, estabilización en órbita, operación y medidas para eliminación del satélite después de vida útil.

Para que un satélite sea puesto en una órbita específica se utilizan cohetes lanzados desde diferentes partes del mundo, para lo cual es importante reconocer tres momentos críticos durante el lanzamiento de un satélite hacia el espacio: a) ignición-lanzamiento, b) desacoplamiento del satélite con el cohete y c) posicionamiento del satélite en la órbita deseada.

Cuando el cohete enciende sus motores ocurren perturbaciones acústicas y vibraciones muy intensas que afectan toda la estructura del cohete incluyendo al satélite. Una vez que el cohete comienza a ascender y acelerarse se comienza a presentar un incremento de fuerza sobre todo el cohete de hasta 8 G (múltiplos de fuerza de gravedad). Durante los minutos que dura el recorrido, el cohete atraviesa varias capas de la atmosfera hasta que llega al espacio. Es pertinente mencionar que la definición de vuelo espacial de acuerdo con los Estados Unidos es aquel que supera los 80.5 km de altura. Cuando el cohete se desplaza hacia el espacio, este puede presentar problemas en su funcionamiento que resultan fatales como lo fue el caso del lanzamiento fallido del satélite adquirido por México, MEXSAT 1 en mayo del 2015, cuando el cohete Proton-M falló en su tercera etapa.

Dependiendo del tipo de satélite que se lance al espacio, estos pueden ser ubicados a diferentes alturas para que orbiten alrededor de la tierra. Las órbitas pueden ser clasificadas del siguiente modo: Órbita LEO (Low Earth Orbit), Órbita MEO (Medium Earth Orbit) y Órbita GEO (Geostationary Earth Orbit). La órbita LEO considera alturas entre 200 km y 2000 km, la órbita MEO considera alturas entre 10,000 km y 20,000 km y la órbita GEO está situada a 35,848 km. Para ubicar el satélite en una órbita particular se escoge un vehículo lanzador que lleve al satélite a una altura específica en donde el satélite se separará del cohete. Este momento es muy delicado, ya que si el satélite no se desprende correctamente la misión fallará. Un ejemplo de esta clase de situaciones se dio en 2009 con la misión OCO de NASA, la cual falló cuando el satélite no se pudo separar de lanzador.

Una vez que se desprende el satélite del vehículo lanzador con éxito, se procede a la fase final de posicionamiento, en la que el satélite se despliega y -con ayuda de sistemas de propulsión- se desplaza hacia la posición final donde el satélite comenzará a realizar la misión para lo cual fue diseñado.

Los párrafos anteriores describen de manera muy resumida el complejo proceso de posicionar un satélite en el espacio desde la Tierra. Como es de esperarse, las condiciones que el satélite deberá soportar durante el trayecto de la Tierra al espacio son muy diversas y extremas. En Tierra el satélite tiene que soportar condiciones mecánicas severas, acústicas y de vibraciones, ocasionadas por los movimientos del cohete en el lanzamiento. Cuando el satélite se separa del cohete, se deben de contar con los mecanismos necesarios para asegurar el despliegue apropiado de satélite y de diversos componentes, tales como antenas y paneles solares que permitan el funcionamiento del satélite. Finalmente una vez que el satélite se encuentra en el espacio, éste debe resistir todas las condiciones del entorno espacial: partículas de altas energías, condiciones de ultra alto vacío, temperaturas extremas, basura espacial, micro-meteoritos y partículas de polvo, generando un entorno agresivo y peligroso.

Para asegurar el correcto funcionamiento del satélite en todos los modos de operación durante el lanzamiento, se efectúan diversas pruebas en Tierra que emulan los diferentes momentos en el trayecto de la Tierra a la posición final en el espacio. Estas pruebas llamadas de pre-calificación y calificación espacial que se efectúan siguiendo altos estándares internacionales que aseguren el éxito de la misión espacial en cuestión.

Actualmente, el Centro de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería de la UNAM en Juriquilla, ahora Laboratorio Nacional, tiene como prioridad convertirse en el centro de calificación espacial en México. De esta forma además de introducir un área de investigación espacial satelital, se seguirán aportando elementos para contribuir a la independencia tecnología de México.

En las siguientes entregas, se profundizará en cada una de las pruebas de calificación espacial enfatizando su importancia y complejidad. 

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