Una de las características definitorias de la era moderna de la exploración espacial es su naturaleza abierta. En el pasado, el espacio era una frontera accesible solo para dos agencias espaciales federales: la NASA y el programa espacial soviético. Pero gracias a la aparición de nuevas tecnologías y medidas de reducción de costos, el sector privado ahora es capaz de proporcionar sus propios servicios de lanzamiento.
Además, las instituciones académicas y los países pequeños ahora son capaces de construir sus propios satélites con el fin de realizar investigaciones atmosféricas, hacer observaciones de la Tierra y probar nuevas tecnologías espaciales. Es lo que se conoce como el CubeSat, un satélite en miniatura que permite una investigación espacial rentable.
Estructura y diseño:
También conocidos como nanosatellites, los CubeSats están construidos con dimensiones estándar de 10 x 10 x 11 cm (1 U) y tienen forma de cubos (de ahí el nombre). Son escalables, vienen en versiones que miden 1U, 2Us, 3Us o 6Us en un lado, y típicamente pesan menos de 1.33 kg (3 lbs) por U. Los CubSats de 3U o más son los más grandes, compuestos de tres unidades apiladas longitudinalmente con un cilindro que los encierra a todos.
En los últimos años, se han propuesto plataformas CubeSat más grandes, que incluyen un modelo de 12U (20 x 20 x 30 cm o 24 x 24 x 36 cm), que ampliaría las capacidades de CubeSats más allá de la investigación académica y probar nuevas tecnologías, incorporando ciencia más compleja. y objetivos de defensa nacional.
La razón principal para miniaturizar los satélites es reducir el costo de implementación, y porque pueden implementarse en el exceso de capacidad de un vehículo de lanzamiento. Esto reduce los riesgos asociados con las misiones en las que hay que cargar carga adicional al lanzador, y también permite cambios de carga a corto plazo.
También se pueden hacer utilizando componentes electrónicos comerciales (COTS), lo que los hace relativamente fáciles de crear. Dado que las misiones de CubeSats a menudo se realizan en órbitas terrestres muy bajas (LEO) y experimentan el reingreso atmosférico después de solo días o semanas, la radiación se puede ignorar en gran medida y se puede usar la electrónica estándar de consumo.
Los CubeSats están construidos a partir de cuatro tipos específicos de aleación de aluminio para garantizar que tengan el mismo coeficiente de expansión térmica que el vehículo de lanzamiento. Los satélites también están recubiertos con una capa protectora de óxido a lo largo de cualquier superficie que entre en contacto con el vehículo de lanzamiento para evitar que se suelden en frío en su lugar por una tensión extrema.
Componentes:
Los CubeSats a menudo transportan múltiples computadoras a bordo por el simple hecho de llevar a cabo investigaciones, así como para proporcionar control de actitud, propulsores y comunicaciones. Por lo general, se incluyen otras computadoras de a bordo para garantizar que la computadora principal no esté sobrecargada por múltiples flujos de datos, pero todas las demás computadoras de a bordo deben ser capaces de interactuar con ella.
Por lo general, una computadora principal es responsable de delegar tareas a otras computadoras, como control de actitud, cálculos para maniobras orbitales y tareas de programación. Aún así, la computadora principal se puede usar para tareas relacionadas con la carga útil, como el procesamiento de imágenes, el análisis de datos y la compresión de datos.
Los componentes miniaturizados proporcionan control de actitud, que generalmente consiste en ruedas de reacción, magnetorquers, propulsores, rastreadores de estrellas, sensores solares y terrestres, sensores de velocidad angular y receptores y antenas GPS. Muchos de estos sistemas a menudo se usan en combinación para compensar las deficiencias y proporcionar niveles de redundancia.
Los sensores del sol y de las estrellas se utilizan para proporcionar una orientación direccional, mientras que la detección de la Tierra y su horizonte es esencial para realizar estudios terrestres y atmosféricos. Los sensores solares también son útiles para garantizar que CubsSat pueda maximizar su acceso a la energía solar, que es el medio principal para alimentar un CubeSat, donde los paneles solares se incorporan a la carcasa exterior de los satélites.
Mientras tanto, la propulsión puede venir en varias formas, todas las cuales involucran propulsores miniaturizados que proporcionan pequeñas cantidades de impulso específico. Los satélites también están sujetos al calentamiento radiativo del Sol, la Tierra y la luz solar reflejada, sin mencionar el calor generado por sus componentes.
Como tal, los CubeSat también vienen con capas de aislamiento y calentadores para garantizar que sus componentes no excedan sus rangos de temperatura y que el exceso de calor se pueda disipar. Los sensores de temperatura a menudo se incluyen para controlar aumentos o caídas de temperatura peligrosos.
Para las comunicaciones, los CubeSat pueden confiar en antenas que funcionan en las bandas VHF, UHF o L, S, C y X. En su mayoría, están limitados a 2 W de potencia debido al pequeño tamaño y la capacidad limitada del CubeSat. Pueden ser antenas monopolares helicoidales, dipolo o monodireccionales, aunque se están desarrollando modelos más sofisticados.
Propulsión:
CubeSats se basa en muchos métodos diferentes de propulsión, lo que a su vez ha llevado a avances en muchas tecnologías. Los métodos más comunes incluyen gas frío, químicos, propulsión eléctrica y velas solares. Un propulsor de gas frío depende del gas inerte (como el nitrógeno) que se almacena en un tanque y se libera a través de una boquilla para generar empuje.
A medida que avanzan los métodos de propulsión, es el sistema más simple y útil que un CubeSat puede usar. También es uno de los más seguros, ya que la mayoría de los gases fríos no son volátiles ni corrosivos. Sin embargo, tienen un rendimiento limitado y no pueden lograr maniobras de alto impulso. Por lo tanto, por qué se usan generalmente en sistemas de control de actitud, y no como impulsores principales.
Los sistemas de propulsión química se basan en reacciones químicas para producir gas a alta presión y alta temperatura que luego se dirige a través de una boquilla para crear empuje. Pueden ser líquidos, sólidos o híbridos, y generalmente se reducen a la combinación de productos químicos combinados con un catalizador o un oxidante. Estos propulsores son simples (y, por lo tanto, se pueden miniaturizar fácilmente), tienen bajos requisitos de potencia y son muy confiables.
La propulsión eléctrica depende de la energía eléctrica para acelerar las partículas cargadas a altas velocidades, también conocido como. Propulsores de efecto Hall, propulsores de iones, impulsores de plasma pulsado, etc. Este método es beneficioso ya que combina un alto impulso específico con una alta eficiencia, y los componentes se pueden miniaturizar fácilmente. Una desventaja es que requieren energía adicional, lo que significa células solares más grandes, baterías más grandes y sistemas de energía más complejos.
Las velas solares también se utilizan como método de propulsión, lo cual es beneficioso porque no requiere propulsor. Las velas solares también se pueden escalar a las dimensiones propias del CubSat, y la pequeña masa del satélite da como resultado una mayor aceleración para el área de una vela solar determinada.
Sin embargo, las velas solares aún deben ser bastante grandes en comparación con el satélite, lo que hace que la complejidad mecánica sea una fuente adicional de falla potencial. En este momento, pocos CubeSats han empleado una vela solar, pero sigue siendo un área de desarrollo potencial ya que es el único método que no necesita propulsor o involucra materiales peligrosos.
Debido a que los propulsores están miniaturizados, crean varios desafíos técnicos y limitaciones. Por ejemplo, la vectorización de empuje (es decir, gimbals) es imposible con propulsores más pequeños. Como tal, la vectorización debe lograrse utilizando múltiples boquillas para empujar asimétricamente o usando componentes accionados para cambiar el centro de masa en relación con la geometría del CubeSat.
Historia:
A partir de 1999, la Universidad Politécnica del Estado de California y la Universidad de Stanford desarrollaron las especificaciones CubeSat para ayudar a las universidades de todo el mundo a realizar actividades de exploración y ciencia espacial. El término "CubeSat" fue acuñado para denotar nano-satélites que se adhieren a los estándares descritos en las especificaciones de diseño de CubeSat.
Estos fueron presentados por el profesor de ingeniería aeroespacial Jordi Puig-Suari y Bob Twiggs, del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica de la Universidad de Stanford. Desde entonces, se ha convertido en una asociación internacional de más de 40 institutos que están desarrollando nano-satélites que contienen cargas científicas.
Inicialmente, a pesar de su pequeño tamaño, las instituciones académicas estaban limitadas porque se veían obligadas a esperar, a veces años, una oportunidad de lanzamiento. Esto fue remediado en cierta medida por el desarrollo del Poly-Pico Satellite Orbital Deployer (también conocido como P-POD), por California Polytechnic. Los P-POD se montan en un vehículo de lanzamiento y llevan los CubeSats a la órbita y los despliegan una vez que se recibe la señal adecuada del vehículo de lanzamiento.
El propósito de esto, según JordiPuig-Suari, era "reducir el tiempo de desarrollo del satélite al marco de tiempo de la carrera de un estudiante universitario y aprovechar las oportunidades de lanzamiento con una gran cantidad de satélites". En resumen, los P-POD aseguran que muchos CubeSats se puedan iniciar en cualquier momento.
Varias compañías han construido CubeSats, incluido el gran fabricante de satélites Boeing. Sin embargo, la mayoría del desarrollo proviene de la academia, con un registro mixto de CubeSats orbitados con éxito y misiones fallidas. Desde su inicio, CubeSats se han utilizado para innumerables aplicaciones.
Por ejemplo, se han utilizado para implementar sistemas de identificación automática (AIS) para monitorear embarcaciones marinas, implementar sensores remotos de la Tierra, probar la viabilidad a largo plazo de las ataduras espaciales, así como realizar experimentos biológicos y radiológicos.
Dentro de la comunidad académica y científica, estos resultados se comparten y los recursos se ponen a disposición comunicándose directamente con otros desarrolladores y asistiendo a talleres de CubeSat. Además, el programa CubeSat beneficia a empresas privadas y gobiernos al proporcionar una forma de bajo costo de volar cargas útiles en el espacio.
En 2010, la NASA creó la "Iniciativa de lanzamiento de CubeSat", cuyo objetivo es proporcionar servicios de lanzamiento para instituciones educativas y organizaciones sin fines de lucro para que puedan llevar sus CubeSats al espacio. En 2015, la NASA inició su Cube Quest Challenge como parte de sus Programas de desafíos centenarios.
Con un premio de $ 5 millones, esta competencia de incentivos tenía como objetivo fomentar la creación de pequeños satélites capaces de operar más allá de la órbita terrestre baja, específicamente en la órbita lunar o el espacio profundo. Al final de la competencia, se seleccionarán hasta tres equipos para lanzar su diseño CubeSat a bordo de la misión SLS-EM1 en 2018.
La misión de aterrizaje InSight de la NASA (programada para su lanzamiento en 2018) también incluirá dos CubeSats. Estos realizarán un sobrevuelo de Marte y proporcionarán comunicaciones de retransmisión adicionales a la Tierra durante la entrada y el aterrizaje del módulo de aterrizaje.
Designado Mars Cube One (MarCO), este CubeSat experimental de 6U será la primera misión en el espacio profundo que dependerá de la tecnología CubeSat. Utilizará una antena de banda X de panel plano y alta ganancia para transmitir datos al Orbitador de Reconocimiento de Marte (MRO) de la NASA, que luego lo transmitirá a la Tierra.
Hacer que los sistemas espaciales sean más pequeños y asequibles es una de las características de la era de la exploración espacial renovada. También es una de las principales razones por las que la industria de NewSpace ha crecido a pasos agigantados en los últimos años. Y con mayores niveles de participación, estamos viendo mayores retornos cuando se trata de investigación, desarrollo y exploración.
Hemos escrito muchos artículos sobre CubeSat para la revista Space. Aquí está la Sociedad Planetaria para lanzar tres velas solares separadas, los primeros CubeSats interplanetarios que se lanzarán en el InSight Mars Lander 2016 de la NASA, ¿Cómo hacer que los CubeSats hagan astronomía? ¿Qué se puede hacer con un Cubesat?
Si desea obtener más información sobre el CubeSat, consulte la página de inicio oficial de CubeSat.
Hemos grabado un episodio de Astronomy Cast sobre el transbordador espacial. Escucha aquí, Episodio 127: El transbordador espacial estadounidense.
Fuentes:
- NASA - CubeSats
- Wikipedia - CubeSat
- CubeSat - Sobre nosotros
- CubeSatkit
