Investigación sobre fenómenos de transferencia de calor relacionados en el proceso del diseño del sistema de control y regulación térmica para satélites.

Abstract

Un satélite o plataforma satelital es un artefacto formado por circuitos electrónicos y sistemas mecánicos que órbita 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.

Las condiciones que un 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.

El subsistema de control térmico tiene por objetivo mantener los componentes electrónicos y mecánicos de un satélite en los límites de temperatura operacional. Los principales criterios para diseñar el control térmico de satélites son: el ambiente espacial, el calor disipado por el equipo abordo del satélite, la distribución de la disipación térmica dentro del satélite, los requerimientos de temperatura operacional de todos los componentes y la configuración del satélite (geometría, materiales, sistemas de montaje, etc.)

La propuesta aquí descrita tiene por objetivo, estudiar los modos de trasferencia de calor predominantes en sistemas satélites: conducción y radiación de manera numérica y experimental. Dependiendo de la misión espacial los requerimientos térmicos cambian y el sistema de control térmico es diseñado a la medida.

Este proyecto se desarrolla en el marco del cambio de paradigma mundial al migrar el uso de grandes satélites a constelaciones de satélites más pequeños que son más baratos y mucho más accesibles para todas las naciones.

Por ejemplo, el satélite ambiental ENVISAT fue lanzado por la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2002 con un costo de fabricación y operación de 2 mil 900 millones de dólares. Este satélite con peso mayor a 8 toneladas y de tamaño similar a un autobús de 47 pasajeros, tenia 10 instrumentos científicos abordo para medir diferentes aspectos de la atmósfera de la tierra desde el espacio. Sin embargo, si se sustituyera el ENVISAT por una constelación de micro-satélites (uno por cada instrumento) se podría tener un ahorro de más 90% del costo de este gran satélite.

Por esta razón, hay esfuerzos internacionales serios para la investigación y desarrollo de todos los subsistemas que forman satélites pequeños: micro, nano y pico.

En este momento, el Centro de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería de la UNAM está desarrollando 3 proyectos microsatelitales (menores de 100 kg.) donde se pretende que cada subsistema sea desarrollado en México. De esta manera se contribuirá de manera sustancial en la independencia tecnológica del país.