Pruebas de vibración en satélites

Pruebas de vibración en satélites

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Las pruebas en satélites son las pruebas con mayores exigencias en el mundo, un mínimo error puede implicar grandes consecuencias y pérdidas económicas. ¿Cuáles son los equipos más confiables para estas pruebas? El Centro de Investigación RAL Space te dice la respuesta.

Laboratorio Rutherford Appleton – RAL Space

RAL Space es líder mundial en proporcionar desarrollo tecnológico y de investigación espacial a clientes en todo el mundo. Dentro de su amplia gama de servicios se encuentran; ofrecer instalaciones para pruebas espaciales en tierra, diseño y construcción de instrumentos, análisis y procesamiento de datos, operación de estaciones en tierra, estudios conceptuales para futuras misiones, entre otros.

Actualmente, es el departamento de ciencia espacial más grande en Europa y ha participado en más de 150 misiones espaciales en años recuentes incluyendo las misiones solares STEREO y SOHO.

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Técnicos trabajando en el MIRI, uno de los cuatro instrumentos en el JWST. Fotografía: RAL Space / STFC / Stephen Kill


El proyecto del telescopio espacial James Webb

El telescopio espacial James Webb será lanzado en el 2018 y su misión de 10 años consiste en encontrar y estudiar objetos luminosos, conjunto de galaxias, nacimiento de estrellas y sistemas planetarios, así como el origen de la vida. Este proyecto de la NASA cuenta con apoyo internacional de la agencia espacial europea y la agencia espacial canadiense e incluye colaboraciones de cincuenta naciones.

RAL Space estará involucrado en la calificación del diseño y pruebas de aceptación de MIRI. El MIRI es uno de los cuatro instrumentos que llevará consigo el telescopio espacial y contiene una cámara infrarroja y un espectrómetro de imágenes desarrollado en Europa.

 

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A diferencia del telescopio espacial Hubble, el JWST no estará en la órbita terrestre baja, sino que será estacionado en el “segundo punto de Lagrange” mejor conocido como L2. Este punto se encuentra a 1,500,000 km de la tierra, que es 4 veces la distancia que hay entre la luna y la tierra, lo que hará que el mantenimiento sea más complicado que el del telescopio Hubble.

 

Desde la ubicación del JWST el sol siempre estará detrás de la tierra, por lo que los efectos radicales de la radiación serán mínimos. Sin embargo, la masa de esta frágil tecnología debe soportar una carga de 6 toneladas de un vehículo de lanzamiento. Además, el satélite y sus componentes (como el MIRI) deben resistir el ruido y la vibración subsecuente de la interacción de 145 dB entre los motores del cohete y la plataforma de lanzamiento, la fase de ascenso transónico discordante, el choque dinámico estructural, la capa límite turbulenta, entre otras.

Lineamientos de la prueba

La industria espacial tiene los requerimientos más altos en todo el mundo para sus pruebas de vibración, ya que las cargas generadas en el lanzamiento pueden generar fatiga en estructuras metálicas, sin mencionar lo que pueden generar en los componentes eléctricos y ópticos del MIRI. Además, se debe considerar que un satélite dañado no se puede reparar fácilmente una vez que ha sido lanzado y es indispensable realizar pruebas exhaustivas antes de lanzarlo al violento viaje fuera de la órbita.

El principal objetivo del sistema de vibración que instalará el centro de investigación es establecer el buen funcionamiento o falla de la robustez de componentes, subsistemas y ensamblado de la nave, garantizando así, la inversión multimillonaria en el proyecto JWST. Por tanto, se definieron diversas pruebas dependiendo del nivel del proyecto.

Pruebas de calificación

Estas pruebas usualmente se llevan a cabo en el modelo estructural durante el proceso de desarrollo con el fin de demostrar que el diseño permite al equipo soportar los niveles de vibración durante el lanzamiento. En algunos casos, también se hacen pruebas de destrucción a ciertos objetos.

En palabras del experto en ingeniería Paul Ecleston “Jamás aprenderás nada sobre un objeto a menos que lo rompas. Todo lo que necesitas saber es sí, efectivamente se encuentra dentro de los márgenes de seguridad y para averiguarlo debes romper las cosas deliberadamente, así que, ocasionalmente eso es lo que se hace en los modelos de desarrollo”.

Las pruebas también proporcionan una verificación de los modelos matemáticos satelitales mediante la medición del movimiento a frecuencias de resonancia en las que los elementos estructurales del satélite son propensos a autovibrar una vez que se inicia la vibración.

Pruebas de aceptación 

Estas pruebas se llevan a cabo en el modelo de vuelo con el fin de verificar la calidad y asegurarse de que, efectivamente el equipo funcione adecuadamente y no se degrade durante las vibraciones generadas por el lanzamiento. Naturalmente, esta etapa es crítica, por lo que tener confianza en el equipo de prueba es de suma importancia, ya que, causar un fallo por la sobrecarga accidental del objeto de prueba es una eventualidad impensable. También se debe considerar la demanda que existe en las instalaciones de prueba, por lo que un montaje rápido y un menor tiempo para la prueba son consideraciones de suma importancia.

El nuevo sistema de vibración en RAL Space

En 2010 RAL Space decidió reemplazar su sistema de vibración LDS V954 por un sistema mucho más poderoso y flexible que le ayudará a cumplir con sus altos requerimientos en las pruebas. Su antiguo equipo V954 no tenía ninguna falla, pero con el aumento de las masas de carga útil y más requerimientos de pruebas, RAL Space necesitaba mejorar las capacidades de su sistema.

La nueva solución es capaz de aumentar su capacidad de acuerdo a las exigencias futuras de los programas de prueba y está basada en el Shaker electrodinámico LDS V8. Este Shaker cuenta con la habilidad de funcionar tanto en posición horizontal como vertical y su mesa deslizable con baleros hidrostáticos de alta presión ubicados en una matriz de 3×3 permite una máxima resistencia al par torsional de los instrumentos bajo prueba con un elevado centro de gravedad. Por otra parte, cuenta con un plato deslizable de 750 mm x 750 mm para pruebas de alta aceleración.

El amplificador 56kVA clase ‘D’ es enfriado con aire forzado e incorpora una fuente de alimentación integral de campo de corriente continua que es necesaria para las bobinas del Shaker. El Shaker también es enfriado con aire forzando mediante un soplador fijo para un enfriamiento eficiente durante la operación.


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Shaker V8 con el MIRI

 

El ventilador de enfriamiento del Shaker incluye un aislamiento acústico de todo tipo de condiciones atmosféricas lo que le permite estar ubicado muy cerca del laboratorio de vibración. Es importante destacar que las condiciones ambientales son un factor de suma importancia para mantener la integridad de la limpieza del laboratorio y del aire acondicionado. Esto se consigue con una cámara de aire superior sellada y uso de mangueras para permitir que el aire de refrigeración se pueda extraer y evacuar fuera de la atmósfera del laboratorio.

La PC usada para el control de la vibración contiene un software basado en un control remoto que puede:

  • Apagar o encender el amplificador de forma remota
  • Realizar el ajuste de ganancia remota
  • Monitoreo remoto de alertas
  • Monitorear la armadura, la tensión y corriente de la bobina de campo

Cuando se especificó la plataforma de soporte de carga, el RAL Space tenía en mente realizar pruebas al MIRI, pero también quería poder usar la plataforma para probar grandes estructuras en el futuro, por lo que esta plataforma puede ser removida del Shaker cuando no se requiera y proporciona un soporte de carga adicional y restricción de movimiento transversal y par torsional.

Brüel & Kjaer también les proporcionó un kit de accesorios de bloques hechos a medida que permiten unir al MIRI al sistema de vibración sin la necesidad de uniones complejas o pesadas. Eso hace posible poner a prueba al MIRI en su posición vertical.

El que un cliente como RAL Space cuyas preocupaciones de fiabilidad y márgenes de error se encuentran entre las más exigentes en todo el mundo, optara por cambiar su equipo por uno de la misma marca es un voto de confianza para Brüel & Kjaer, que siempre se ha destacado por brindar soluciones óptimas de acuerdo a las necesidades específicas de sus clientes.

 

Referencia: Referencia: Brüel & Kjaer. Case Study ” Ensuring satellite reliability with vibration testing” [documento en línea http://bksv.com acceso: julio de 2016].

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