Ingeniería de Sistemas EspacialesAplicado a una misión CanSat

Entorno de la misión

Entorno de la misión

El diseño de un sistema espacial requiere un conocimiento profundo de las interfaces internas entre el segmento espacial/vehículo de lanzamiento-transferencia y el segmento espacial (volumen, masa, estática y cargas dinámicas), y entre el segmento espacial y el segmento terrestre (operaciones, comunicaciones).

Una nave espacial se expone a la atmósfera de la Tierra hasta que llega al ambiente del espacio después de su lanzamiento, así como al medio ambiente espacial, influido sobre todo por el Sol y la Tierra.

Además del ambiente espacial, una misión deberá situarse y mantenerse en condiciones de movimiento determinadas, de manera que pueda cumplir con sus objetivos.

Tales características de ubicación y movimiento determinan la órbita u órbitas en que la nave espacial deberá transitar, las cuales a su vez también tendrán impacto en las condiciones ambientales.

Tanto las condiciones ambientales y de viaje conforman lo que se denomina entorno de una misión espacial.

Fuente: National Aeronautics and Space Administration (NASA).

VER VIDEO 1

Ambiente espacial.¿Por qué preocuparse por el ambiente espacial?

Aproximadamente 25% de todas las anomalías de las naves espaciales están relacionadas con el medio ambiente espacial. A continuación te presentamos algunos ejemplos destacados:

1979:La creciente actividad solar calentó las capas externas de la atmósfera terrestre y en consecuencia incremento el arrastre en el Skylab, conduciéndolo a un reingreso temprano.

1990:Las partículas cargadas de alta energía causaron pequeños giros en los sistemas electrónicos de orientación final (FGS) del HST, pasando a través de la anomalía del sur atlántico (SAA) causando fallas en la adquisición de astros guía. Por consecuencia, el uso del FGS fue suspendido en el SSA.

1994: Los satélites canadienses Telsat Anik-E1 y E-2 repentinamente comenzaron a girar perdiendo el control debido a la carga que contenia la nave espacial.

2000: La nave espacial Stardust, resultó afectada y enviada a modo seguro por una llamarada solar.

2000: El satélite Boeing 702 (Anik-F1) sufrió una baja de desempeño en el sistema de celdas solares debido a la nebulización de desgasificación inducida.

2009: El satélite Iridium fue destruído cuando colisionó con el satélite muerto Cosmos 2251 (Desechos espaciales).

2010: Pérdida del control del Galaxy 15 debido a las descargas electrostáticas causadas por una llamarada solar. El satélite quedo a la deriva dentro del concurrido cinturón GEO en modo de transmisión y recepción completo.

Ambiente espacial.

Perspectiva Cósmica:

El espacio exterior se encuentra alrededor de 100 km de distancia. Comienza a una altura donde el satélite pueda mantener brevemente una órbita alrededor del planeta Tierra (donde la atmósfera se hace lo suficientemente delgada para no “frenar” demasiado a una nave. Si fuera posible viajar en línea recta hacia arriba de la superficie terrestre, a una velocidad de 100 km/hora estaríamos en el espacio muy pronto.

El sistema solar en perspectiva. Si la Tierra fuera del tamaño de una pelota de baseball, cerca de 10cm (~4in) de diámetro, la luna tendría un diámetro de sólo 2.54cm (1in) y estaría a cerca de 5.6m (18ft) de distancia.

A la misma escala el sol tendría el tamaño de un balón de 10m de diámetro (33ft) (Alrededor del tamaño y volumen de una casa pequeña con dos habitaciones); estaría a una distancia mayor a los 2km (aproximadamente 1.3mi).

Una nave espacial se mantien en Órbita a 130 Km(81mi).

Of cialmente eres astronauta a 92.6 Km (57.5mi).

Luna 25mm( 1 in )

5.6m (18ft)

2Km (1.3mi)Tierra100mm ( ~4 in )

86.1Km(53.5mi)

Plutón 25mm( 1 in )

Ambiente espacial.

Efectos del Ambiente Espacial:

El entorno gravitacional ocasiona algunos problemas de manejo fisiológicos y manejo de fluídos, pero proporciona oportunidades de manufactura.

La atmósfera de la Tierra afecta las naves espaciales, incluso en órbita principalmente en el arrastre.

El vacío en el espacio por encima de la atmósfera representa a las naves espaciales otros desafíos.

Los desechos naturales y artificiales en el espacio son factores de riesgo de colisión.

La radiación y las partículas carga-das pueden dañar severamente las astronaves no protegidas.

Factores que afectan una nave espacial en el entorno espacial.

Existen seis desafíos con los que únicamente lidiamos en el medio ambiente espacial.

Gravedad, atmósfera, vacío, meteoritos y desechos, radiación y partículas con carga.

Ambiente espacial.

Gravedad

La fuerza de gravedad de la Tierra, es la fuerza que mantiene en órbita a las naves espaciales, además determina la forma y tamaño de la órbita.

•Los objetos en órbita continuamente caen alrededor de la Tierra.•No existe tal cosa como “gravedad cero”.•La “caída libre” describe mucho mejor los objetos en órbita.

Órbita terrestre baja (LEO, debajo de los 300 km de altura) • La fuerza gravitacional terrestre es dominante• Prácticamente se pueden ignorar la gravedad de la Luna y el Sol.

La naturaleza del campo gravitacional de la Tierra ocasiona otros problemas para las naves espaciales en órbita.

• Perturbaciones. Las naves no permanecen donde las pones.• Torcas de perturbación. Dan a la órbita una mala orientación.• La caída libre ocasiona problemas de manejo de fluidos (propelentes, etc.) y mediciones.

Órbita terrestre baja (LEO, debajo de los 100 km).

Ambiente espacial.

Atmósfera, arrastre y oxigeno atómico.

La atmósfera no solo desaparece cuando llegas al espacio, sino también disminuye gradualmente con la altitud. Sin embargo, es lo suficientemente densa como para causar problemas debajo de los 600km, en dos formas principales:

Arrastre. Acorta el tiempo de vida de las orbitas y cambia su posición.

Interacciones con elementos atmosféricos, principal-mente oxigeno diatómico. Esto degrada las superficies de la nave espacial e interfiere con los sensores.

Región de Arrastre Atmosférico

600Km

Orbita sinArrastre

Orbita conArrastre

400Km

200Km

Ambiente espacial.

Atmósfera, arrastre y oxigeno atómico.

Golpear con la atmósfera aún cuando se ha vuelto delgada a velocidades orbitales de ~7.5 km/s, produce un arrastre que frena la nave espacial con el tiempo.

•La densidad atmosférica es altamente dependiente de la actividad solar y por lo tanto es muy difícil de predecir y modelar.

•Los cambios de magnitud del mínimo solar al máximo solar se reflejan en altitudes de 400 a 700 km sobre la superficie media del nivel del mar.

La radiación en la parte alta de la atmosfera causa que el oxígeno se disocie en átomos libres de oxígeno, oxígeno atómico AO (Atomix Oxigen).

•El AO es demasiado radiactivo y potencialmente dañino para la superficie de la nave espacial.

Ciclo Solar.El ciclo solar dura 11 años, desde el máximo al mínimo solar, causando efectos directos en el planeta Tierra, incluyendo dilatación de la atmosfera, lo que tiene un

impacto en el arrastre atmosférico.

Ambiente espacial.

Efectos del Vacio

Degasificación. Con el tiempo, algunos materiales liberan gases atrapados y volátiles cuando se exponen al vacío o a una baja presión, esto incluye:

• Liberación de gases en la cabina de tripulación.• Los gases emitidos pueden recondensarse en las superficies sensibles de la nave espacial.

Soldadura en frío. Los metales se unen en el vacío.

Transferencia de calor. Complicada en el vacío. Existen tres formas de transferir calor:

• Convección: transferencia de calor por un medio líquido o gaseoso.• Conducción: trasferencia de calor a través de un medio sólido.• Radiación: transferencia de energía calorífica directamente por radiación electromagnética (infrarroja, IR).

La radiación es la forma principal en la que el calor entra o sale de una nave espacial en el vacío.

Radiadores.

Las compuertas de la bahía de carga del

transbordador espacial,contaba con radiadores

que colectaban el calor producido por el equipamiento, y lo expulsaban hacia el

espacio.

Pruebas de Vacío.

Las naves espaciales se prueban en cámaras de vacío para simular los efectos del ambiente

espacial.

Ambiente espacial.

Micrometeoritos y basura espacial:¿Que tan malo es?

El centro de control espacial de la fuerza aérea de E.U.A., monitoriza alrededor de 16,000 objetos artificiales, que van del tamaño de una pelota de basquetbol, hasta algunos de mayores proporciones, que se ubican en la orbita terrestre.

• Existe un estimado de 40000 objetos del tamaño de una pelota de golf, demasiado pequeños como para ser monitorizados, y millones más de dimensiones más pequeñas.

• La nave china Fengyun-1C, de pruebas de intercepción creó aproximadamente 1900 frag-mentos de desecho por sí solo.

En el espacio, las probabilidades de ser golpeado por un objeto grande son mínimas, sin embargo el ser golpeado por objetos pequeños, tiene mayor probabilidad. Numerosos satélites han sido dañados, por ejemplo ; CERISE, Space Shuttle, Iridium, o algunas han tenido que realizar maniobrados para evitar los desechos de basura espacial.

A pesar de los esfuerzo de diferentes naciones por disminuir la cantidad de desechos generados, no existe aún una ley internacional para tal efecto.

Fuente: National Aeronautics and Space Administration (NASA).

Ambiente espacial.

Ambiente radiactivo

La radiación electromagnética del sol puede causar:

•Calentamiento en las superficies expuestas, debido a la radiación infrarroja o térmica.• La prolongada exposición a la radiación ultra-violeta puede comenzar a degradar las superficies de la nave espacial.• Ráfagas de interferencia de radio frecuencias.• La presión solar, puede ocasionar un cambio en la orientación de la nave espacial.

Los fotones pueden conferir un momento de aproxima-damente 5N por km2 de superficie.

Ambiente espacial.

Partículas con carga: Efectos debidos a partículas cargadas de baja Energía

Las tres principales fuentes de estas partículas son:

• Los eventos de partículas solares y el viento solar.• Rayos cósmicos galácticos.• Los cinturones de radiación de Van Allen.

Las partículas de baja energía pueden causar:

Interferencia Electromagnética

Descargas electrostáticas (de punto a punto), causadas por diferencias de potencial elevadas.

Ruptura de la rigidez dieléctrica. (A través de un material)

Las descargas electricas ocasionan interferencia electro-magnética y causan daños en las superficies (los daños en los paneles solares y la electrónica son los más preocupantes).

La re-atracción de contaminación puede ser significante en el daño a las superficies.

El Átomo.

El núcleo de un átomo esta constituído por una carga positiva (PROTÓN) y una carga neutra (NEUTRÓN).

Al rededor del núcleo existe una carga negativa (ELECTRÓN).

NOTA: Revisa el Video 13

sobre la emisión de masa coronal del sol

VIDEO 13

Ambiente espacial.

Efectos de alta energía

Las partículas de alta energía pueden causar:

Fenómenos por Eventos Individuales (SEP o Single-Event Phenomenom).

•Una sola partícula cargada puede penetrar profundamente dentro de la nave espacial y modificar la electrónica.

•Un tipo de SEP corresponde a un evento individual o SEU, (Single Event Upset) que produce un cambio en un bit (o bit flip).

•La mitigación de estos efectos incluye:

o Blindaje de la nave espacial. Ofrece protección limitada. o Uso de componentes electrónicos tolerantes a la radiación. o Algoritmos de detección y corrección de errores.

Efectos de dosificación total.

o El daño de dosificación total, es un daño a largo plazo de la estructura cristalina de los semiconductores dentro de la todos los sistemas electrónicos de la nave espacial.

o Con el tiempo, el daño acumulado disminuye la eficiencia del material de los componentes causando problemas en los sistemas electrónicos.

Fuente: National Aeronautics and Space Administration (NASA).

Partículas altamente cargadas, penetran la memoria de Silicio y otros dispositivos, causando daños de manera inmediata.

Evento de Partículas Solares.

DRENAJE Compuerta

Ambiente espacial.

Cinturones de radiación de Van Allen

Son regiones del campo magnético de la Tierra que atrapan partículas cargadas electrícamente.

Imagina estos cinturones como dos donas, una más grande que la otra centradas en la Tierra.

Las naves espaciales tratan de evadir estas regiones debido a la alta concentración de partículas con cargadas.

Fuente: National Aeronautics and Space Administration (NASA).

VER VIDEO 2

Ambiente espacial.

La anomalía del atlántico sur.

Un satélite en órbita terrestre baja (LEO) permanece seguro debajo del cinturón de protones, excepto en la anomalía del Atlántico sur (South Atlantic Anomaly o SAA).

•Las naves espaciales que pasan a través de esta región son bombardeadas por protones con energías que exceden los 10 millones de electron-volts (ev) con un flujo aproximado de 3000 partículas por cm2.•Estas partículas pueden ser un peligro para los sistemas espaciales y los astronautas.

Ejemplos de SEU’s mientras volaban a través de la anomalía del Atlántico sur:

•Justo un día después del lanzamiento en 1999, la antena de alta ganancia de la nave espacial Terra de la NASA, de manera espontánea entro en modo seguro. El software de vuelo tuvo que ser revisado para corregir estos eventos.•El telescopio espacial Hubble ha experimentado errores de bit cuando ha viajado a través de la anomalía. Como resultado muchos instrumentos de alto voltaje fueron apagados antes de que el telescopio entrara en la SAA, un evento que sucede varias ocasiones al día.•Desde el Apollo, los astronautas en el espacio han reportado ver destellos de luz aleatorios con los ojos cerrados.

o Se cree que estos destellos son causados por partículas cargadas de energía impactando áreas sensibles de la retina.

Fuente: National Aeronautics and Space Administration (NASA).

Ambiente espacial.

Repaso.

Para propósitos nuestros, el espacio comienza a una altitud donde el satélite puede mantener brevemente una órbita. Por lo tanto, el espacio está muy cercano, alrededor de 1o0 km directamente hacia arriba.

Los seis principales factores ambientales que afectan a una nave espacial en una órbita terrestre:

Gravedad. La Tierra ejerce una atracción gravitacional la cual mantiene a la nave espacial en órbita. Describimos de una mejor manera la condición de una nave espacial y los astronautas en órbita como caída libre, debido a que están cayendo alrededor de la Tierra.

Atmósfera. La atmósfera de la Tierra no está completamente ausente en las orbitas terrestres bajas. Puede causar arrastre y exposición al oxigeno atómico dañino.

Vacío. En el vacío del espacio, la nave espacial puede experimentar: degasificación, soldadura en frío y problemas de transferencia de calor.

Micrometeoritos y basura espacial. Pueden dañar la nave espacial durante un impacto de alta velocidad.

Radiación Solar. Esta radiación puede causar: calentamiento en las superficies expuestas, daños a los componentes electrónicos, disrupción en la comunicación y la presión solar que causan un cambio en la orientación de la nave espacial.

Partículas cargadas. Provienen del viento solar y llamaradas solares, rayos cósmicos galácticos (GCR’s Galactic Cosmic Rays), así como los cinturones de radiación de Van Allen, los cuales ocasionan, fenómenos de eventos únicos (SEP) y efectos de dosificación total.