Disseny dels elements mecànics d'un satèl·lit de baixa òrbita

Abstract

L’objectiu del present projecte és dissenyar el mecanisme d’obertura i l’estructura d’un satèl·lit de baixa òrbita per a la seva fabricació. La funció principal del satèl·lit és captar imatges, dades de temperatura així com dades de radiació a una òrbita de 400 km sobre la Terra. Un cop definit el tipus de satèl·lit, el disseny de l’estructura, les plaques solars i el tipus de mecanisme d’obertura, s’arriba a la conclusió que el millor satèl·lit serà de tipus CubeSat (nanosatèl·lit de mides estàndard) amb una estructura d’alumini; el mecanisme serà passiu, és a dir, els panells solars s’obriran sense l’accionament de cap motor elèctric ni de combustió. El tipus de mecanisme passiu triat ha estat la barra a torsió, fabricada a partir d’un material compòsit: la fibra de carboni amb resina epoxy. El procés de disseny del mecanisme passiu s’inicia a partir d’un estudi energètic del satèl·lit, per determinar la demanda energètica dels panells solars a partir dels components interiors del vehicle. Amb l’energia necessària, s’han dimensionat el nombre de panells solars necessaris per subministrar energia al satèl·lit i, alhora conservar reserves energètiques pels períodes d’eclipsi. Amb el pes dels panells i dels components interiors, s’ha pogut dimensionar el parell d’obertura en condicions terrestres i en condicions d’ òrbita. Aquest parell, pel cas en òrbita, ha permès calcular l’angle necessari a girar per la barra a torsió per tal d’obrir els panells. La secció de la barra a torsió s’ha escollit d’acord amb les condicions d’obertura, ja que és necessari que la inèrcia de la secció sigui el menor possible per fer el gir necessari sense trencar la barra. La secció que ha permès la menor inèrcia possible ha estat una secció circular oberta. Ja amb la secció dimensionada, el gir i el moment torsor adequat, s’ha procedit a fer el disseny mecànic per tal de realitzar el moviment que s’espera que faci. El disseny mecànic ha permès realitzar les comprovacions sobre l’eix i els rodaments en condicions terrestres per tal d’avaluar que durant les proves aquests no trencarien i estan ben dimensionats. La barra a torsió es fabrica a partir de capes de laminat per tal d’assegurar que no trenqui durant el gir de l’angle. Per mostrar-ne la viabilitat, s’ha simulat les condicions de treball a les que es trobaria sotmesa en òrbita mitjançant un programa d’elements finits: l’Abaqus. També s’ha comparat el comportament de la mateixa barra amb la mateixa geometria però fabricada amb Alumini 7075 T6 mitjançant el programa d’elements finits Ansys. Els resultats obtinguts per a les tensions equivalents i les deformacions mostren com el comportament de la barra a torsió en el mecanisme millora si es fabrica a partir de fibra de carboni amb resina epoxy. Totes les peces han estat dissenyades per ser mecanitzades amb acabats superficials molt precisos i unes bones toleràncies. A tot això s’han tingut en compte les dilatacions que puguin patir degudes a canvis de temperatura extrems en òrbita. Per a la barra de fibra de carboni i epoxy s’ha especificat que el procés de fabricació serà el bobinat de filaments. S’han estudiat les condicions del llançament del satèl·lit dins d’un coet a partir de les dades de l’enlairament del Saturn V. A partir d’aquest estudi, s’obtenen les velocitats d’escapament dels gasos de combustible, la velocitat final assolida per al coet i la massa final d’aquest un cop s’ha cremat tot el combustible disponible. Addicionalment s’ha estimat que el temps que trigarà el satèl·lit en realitzar una òrbita serà de 92,47 min. S’han proposat els components electrònics per a complir l’objectiu de la missió del satèl·lit així com els sistemes de control d’altitud, comunicació i posicionament. Per visualitzar el resultat final del satèl·lit dissenyat i validar el seu funcionament, s’ha realitzat un vídeo on se simulen les condicions de l’enlairament del satèl·lit fins que aquest es posa en òrbita i desplega els panells solars. Amb aquest disseny s’ofereix la possibilitat de la fabricació i construcció d’un satèl·lit de bones prestacions per a estudis científics o per a startups tecnològiques de l’àmbit aeroespacial a un cost assequible