Ingeniería espacial desde los hombros de gigantes

Por Alejandro Sánchez, José Manuel San Román, Eduardo Martínez, Carlos Contreras y Daniela Rodríguez.

Para un ingeniero, la historia es una de sus más grandes herramientas. El análisis del pasado contribuye a la mejora de la humanidad en el presente y por eso cuando diseñamos, construimos, reinventamos y modificamos cualquier máquina, artefacto o invento, estamos avanzando y aportando nuevo conocimiento a partir de un largo proceso creativo que nos antecede.

El progreso de la ciencia va acompañado de la constante revisión de los aciertos y errores que tuvieron experimentaciones pasadas, aquellas que tenían en la mira conseguir la propuesta perfecta pero que necesitan de más científicos que se animen a mejorar lo ya realizado con ideas que cada vez tengan menos fallas posibles.

Al hablar de pruebas y errores, podemos pensar también en prototipos y modificaciones a distintos modelos, como es el caso de la estructura de un satélite. Aquí es en donde entra nuestro trabajo: nosotros somos miembros del subsistema de “Structure” o “Estructura” en Misión Colibrí.

Este subsistema es el responsable de unir las aportaciones y componentes de todas las demás áreas técnicas que conforman a nuestro nanosatélite CubeSat, además de asegurar que todo el conjunto sobreviva a las condiciones del despegue, es decir, que el trabajo realizado por todos los subsistemas no resulte afectado por deformaciones, roturas, o desprendimientos.

Nuestro papel es muy importante porque a través del diseño, pruebas, simulaciones y validaciones que realicemos es como podremos asegurar que Pakal, nuestro CubeSat, llegue a salvo a la órbita. Si tan solo ocurriera un problema físico con la estructura, el satélite quedaría inútil en el espacio y nuestra misión no podría ser completada.

Considerando el costo del proyecto y el trabajo de nuestros compañeros, es vital asegurarnos de realizar el mayor número de pruebas posibles para reducir riesgos y contribuir a que Misión Colibrí sea exitosa.

Del aula al espacio

¿Cómo es que un grupo de universitarios puede poner en órbita un nanosatélite? Es una pregunta muy amplia pero una parte de la respuesta se debe a las intenciones de dos profesores: Jordi Puig-Suari, de la Universidad Politécnica Estatal de California (CalPoly), y Robert ‘Bob’ Twiggs, de la Universidad de Stanford.

En 1999, ambos profesores propusieron un diseño de satélite que, por sus características, permitiera a los estudiantes probar y operar un proyecto satelital en la Órbita Baja de la Tierra. A diferencia de un satélite con gran capacidad, este modelo simplifica sus funciones y hace que se reduzca el tiempo de desarrollo, por lo cual resulta costeable para una universidad.

Este modelo de satélite pequeño es conocido como CubeSat y no inició siendo un estándar de diseño, sino que se convirtió en uno con el tiempo. Existen numerosos reportajes que cuentan la historia de cómo surgió la idea del CubeSat, pero lo cierto es que una de sus principales motivaciones fue optimizar a los inmensos satélites, haciéndolos más fáciles de fabricar, transportar y operar.

El término “CubeSat” se refiere nanosatélites que siguen las especificaciones de su diseño.

Estándar CubeSat

El CubeSat Design Specification (CDS) se estableció después de que se lanzaron los primeros en 2003. Con el paso del tiempo el programa de los profesores Puig-Suari y Twiggs fue abriéndose a instituciones educativas y científicas, iniciativas públicas y, al final, a empresas de todo el mundo.

Sus aplicaciones tienen un amplio rango de posibilidades, ya que pueden adaptarse para cumplir los requerimientos de una misión: desde tomar mediciones, establecer comunicación entre satélites e incluso tomar fotografías de la Tierra y el espacio exterior, hasta orbitar satélites naturales y analizarlos, como la misión NEA Scout de NASA.

La pieza estandarizada CubeSat se basa en un cubo de láminas perforado y anclado a cuatro soportes que se acoplan a una caja llamada P-POD (Poly Picosatelite Orbital Deployer), las perforaciones funcionan como medio para mitigar esfuerzos, vibraciones o aceleraciones que puedan llegar a afectar tanto la misma estructura como los componentes que cargará internamente.

El P-POD funciona como un contenedor durante el despegue y como un lanzador una vez estando en el espacio para lograr poner al satélite en órbita. Cuenta con una entrada axial para que un brazo robótico pueda sostenerlo y posicionarlo; y también con un resorte axial para lanzar el nanosatélite.

Ejemplo P-POD. GIF: KySat-1. Tyler Doering.

Nuestro equipo tomó en cuenta esta información y decidimos fabricar nuestra propia estructura en vez de comprar un cubesat prefabricado, como se menciona en el video, ya que esto nos permite: a) moldearlo y adaptarlo mejor a cualquier necesidad que surja dentro de los múltiples subsistemas, principalmente por la propulsión eléctrica y naturaleza de nuestro experimento; y b) adquirir más conocimiento de ingeniería espacial ya que nos relacionamos a profundidad con nuestro propio nanosatélite.

Nuestra propuesta

Misión Colibrí desarrolla su propio 3U CubeSat; sin los documentos que permite consultar NASA, sin las investigaciones publicadas de otras misiones, sin el análisis de diversas simulaciones o del comportamiento de ciertos materiales, las complicaciones del proyecto serían altísimas.

Muchos de los cambios que le hemos realizado a la estructura se deben a los resultados que obtuvimos de las distintas pruebas que hemos realizado con apoyo de simuladores. Otros se han dado por peticiones de los demás subsistemas para que no se obstruya el funcionamiento de algún componente.

Después de varias pruebas, análisis y búsqueda de información llegamos al diseño actual, cuyas características cumplen una función que nos acerca más a lo que buscamos como diseño final: recortes en un cierto patrón que reducen la masa y permiten manipular los componentes dentro de ésta; barrenos a lo largo de los extremos de cada cara para sujetar componentes y ensamblar la estructura; un diseño que permite remover una o dos de las caras del satélite para instalar o quitar algún componente sin tener que desarmar todo.

Diseño de estructura. Pakal, Misión Colibrí 2020-1.

Falta aún recorrer un largo camino para llegar a una versión definitiva. Este subsistema, al igual que los otros, itera en sus propuestas de diseño hasta conseguir una estructura confiable que se acople a cada una de las necesidades de los diversos componentes y que cumpla con el propósito de que todo llegue en buena forma a su destino. Seguimos aprendiendo y eso es parte del registro que dejaremos a futuros proyectos CubeSat.