ES2901174T3 - Método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre - Google Patents

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Abstract

Método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre, que comprende: proporcionar una nave espacial de transporte orbital (1), capaz de moverse a una altura orbital, y que comprende una pluralidad de desplegadores de órbita de picosatélite - POD - (11) para liberar satélites (12), transportados por la nave espacial de transporte orbital (1); alojar dicha nave espacial de transporte orbital (1) en un lanzador espacial (100), configurado para alcanzar una altura orbital; generar una señal de liberación y transmitir la misma a la nave espacial de transporte orbital (1), para liberar la nave espacial de transporte orbital (1) del lanzador espacial (100); en caso de fallo para liberar la nave espacial de transporte orbital (1) o en caso de avería de la nave espacial de transporte orbital (1), después de la liberación del lanzador espacial (100), activar un subsistema de seguridad (21) de la nave espacial de transporte orbital (1), para generar una secuencia de activación de POD (11), para liberar los satélites (12).

Description

DESCRIPCIÓN
Método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre
La presente invención se refiere a un método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre, preferentemente de satélites pequeños o de nanosatélites.
Ejemplos de la técnica anterior se proporcionan por los documentos US6276639 B1, US2017327253 A1, US9463882 B1, US5199672 A, US2011240802 A1 y DE202014008902 U1.
En la última década, la evolución tecnológica ha conducido a una rápida obsolescencia tecnológica de dispositivos de consumo y a tiempos de rotación de tecnología del orden de unos pocos años. En este sentido, el sector de la telefonía móvil puede considerarse como un ejemplo.
En el sector de satélites espaciales artificiales, el desarrollo tecnológico, por el contrario, tiende a avanzar a un ritmo mucho más lento, contando con la capacidad de los satélites artificiales de durar mucho tiempo, más de 15 años en algunos casos. Los costes de acceder a este sector espacial pueden sostenerse, por lo tanto, únicamente por agencias gubernamentales y unas pocas grandes empresas, los únicos que pueden incurrir en los enormes costes del desarrollo de satélites artificiales y situarlos en orden.
Sin embargo, las necesidades de investigación científica de los centros de investigación y universidades han conducido a nuevos intentos para usar el espacio por medio de satélites extremadamente pequeños, que pueden construirse con costes relativamente bajos usando la tecnología electrónica miniaturizada disponible en el mercado libre.
En este sentido, comenzando desde 1999 las universidades de Cal Poly y Stanford comenzaron a desarrollar y proponer como un estándar un nuevo satélite, llamado "Cubesat" debido a su particular forma cúbica, con tamaño de 10x10x10 cm. Este tipo de satélite (que coincide con la definición convencional de satélite pequeño y más específicamente nanosatélite) es un satélite modular y permite acomodar todos los subsistemas típicos de un satélite más grande, renunciando, sin embargo, al rendimiento de los satélites más grandes y costosos.
Los satélites pequeños y nanosatélites y, en particular, su versión estandarizada en formato CubeSat, se han vuelto muy populares y principalmente se han usado inicialmente por universidades para permitir que estudiantes e investigadores envíen componentes y proyectos de investigación al espacio.
Sin embargo, los satélites de este tipo se valoraron rápidamente para propósitos comerciales, y un número cada vez mayor de empresas privadas intuyeron el valor de ser capaces de lanzar constelaciones de CubeSats para prestar servicios en la Tierra, mitigando los niveles de rendimiento menores intrínsecos de estos satélites con su alto número en órbita (hasta varios cientos de muestras) y con su vuelo en formación o constelación.
Mientras que en los últimos 60 años se han lanzado aproximadamente 6.000 satélites artificiales, hoy cientos de nuevas empresas privadas, financiadas por capital privado, están construyendo y esperan lanzar más de 23.000 satélites artificiales en los próximos 5-10 años.
Los CubeSats se transportan al espacio como cualquier otro satélite de una clase superior con un lanzador espacial. Sin embargo, su tamaño pequeño hace que su lanzamiento dedicado no sea rentable; por esta razón, siempre se han situado en órbita como cargas útiles secundarias de otros satélites más grandes. Habitualmente un lanzador se vende por 60 a 100 millones de dólares, por tanto es difícil que un satélite pequeño, que a menudo cuesta menos de un millón de euros, tenga acceso a una capacidad de lanzamiento dedicada.
Los Cubesats se liberan generalmente prácticamente al unísono justo después de la liberación del satélite principal, constituyendo una especie de nube que se dispersa lentamente en el espacio.
En particular, los Cubesats se alojan en POD (desplegador orbital de picosatélite) que se interconectan directamente con el lanzador para liberar los Cubesats una vez que el lanzador ha alcanzado la órbita establecida. Por medio de un temporizador simple, activado por el lanzador, los POD abren una puerta de liberación para liberar los Cubesats alojados dentro de los mismos.
Dado que, como se ha indicado, el lanzador se dispone para lanzar el satélite principal y el POD para los Cubesats constituyen una carga secundaria, muy a menudo las especificaciones de la misión del lanzador no proporcionan una liberación segura y garantizada de los Cubesats, sino que de forma más simple proporcionan únicamente los sistemas del lanzador para enviar una señal de liberación a los diversos POD. Por lo tanto, la tarea de los POD es asegurar una liberación efectiva de los Cubesats.
En caso de fallo de los POD, los Cubesats, por lo tanto, no se liberan, con evidentes problemas para los clientes.
En este contexto, la presente invención propone poner a disposición un método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre que está libre de los problemas críticos anteriormente mencionados.
En particular, la presente invención se refiere a un método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre que comprende:
proporcionar una nave espacial de transporte orbital capaz de moverse a una altura orbital y que comprende una pluralidad de POD para liberar satélites transportados por la nave espacial de transporte orbital;
alojar dicha nave espacial de transporte orbital en un lanzador espacial configurado para alcanzar una altura orbital; generar una señal de liberación y transmitir la misma a la nave espacial de transporte orbital para liberar la nave espacial de transporte orbital del lanzador espacial;
en caso de fallo para liberar la nave espacial de transporte orbital o en caso de avería de la nave espacial de transporte orbital después de la liberación del lanzador espacial, activar un subsistema de seguridad de la nave espacial de transporte orbital para generar una secuencia de activación de POD para liberar los satélites.
Preferentemente, activar un subsistema de seguridad comprende determinar un primer tiempo representativo del tiempo transcurrido desde que se produjo la última comunicación entre la nave espacial de transporte orbital y una estación de transmisión remota, comparar dicho primer tiempo con un tiempo de referencia indicativo de un tiempo de espera máximo, activar los miembros accionadores para la liberación de un satélite cuando el primer tiempo es mayor que el tiempo de referencia.
Preferentemente, activar los miembros accionadores comprende abrir una puerta de liberación de un POD, bloquear la puerta de liberación en posición abierta, ejercer un empuje de separación en el satélite a liberar.
Preferentemente, la activación de miembros accionadores viene seguida de esperar un tiempo de espera y activar los miembros accionadores de un POD adicional para liberar un satélite adicional.
Preferentemente, dicho subsistema de seguridad de dicha nave espacial de transporte orbital comprende una unidad de mando y de control a bordo de dicha nave espacial de transporte orbital o a bordo de cada POD alimentado por una fuente de alimentación eléctrica a bordo de dicha nave espacial de transporte orbital.
Preferentemente, dicha secuencia de activación se implementa por dicha unidad de mando y de control.
Preferentemente, dicha unidad de mando y de control es completamente autónoma e independiente de subsistemas adicionales de la nave espacial de transporte orbital.
Preferentemente, dichos satélites se liberan de acuerdo con un patrón de liberación predeterminado.
Preferentemente, el empuje de separación ejercido sobre cada satélite se calcula como una función de la órbita a alcanzar por el satélite.
Preferentemente, dicha fuente de alimentación eléctrica es una batería dedicada a la unidad de mando y de control o es una batería compartida con subsistemas de una plataforma de satélite de la nave espacial de transporte orbital o son paneles fotovoltaicos.
Características y ventajas adicionales de la presente invención se harán más claras a partir de la siguiente descripción detallada de algunas realizaciones preferidas de la misma, con referencia a los dibujos adjuntos y proporcionada por medio de un ejemplo indicativo y no limitativo. En tales dibujos:
- La Figura 1 muestra esquemáticamente un lanzador espacial;
- La Figura 2 muestra esquemáticamente una nave espacial de transporte orbital;
- La Figura 3 muestra esquemáticamente un primer componente de la nave espacial de transporte orbital de la Figura 2;
- La Figura 4 muestra un detalle del componente de la Figura 3;
- La Figura 5 muestra esquemáticamente un segundo componente de la nave espacial de transporte orbital de la Figura 2;
- La Figura 6 muestra esquemáticamente una disposición de satélites dentro del componente de la Figura 3; y - La Figura 7 es un diagrama de bloques de acuerdo con el método de la presente invención.
En la Figura 1, el número 100 indica un lanzador espacial capaz de alcanzar una altura orbital alrededor de la Tierra. El lanzador espacial 100 puede ser un lanzador espacial del tipo con despegue vertical que desde la superficie de la Tierra es capaz de alcanzar una órbita alrededor de la Tierra o un vehículo que, liberado desde una aeronave, es capaz de alcanzar una órbita alrededor de la Tierra.
Preferentemente, la altura orbital alcanzada es una órbita terrestre baja (LEO), es decir una órbita circular alrededor de la Tierra a una altura entre la atmósfera de la Tierra y el cinturón de Van Allen, entre 200 km y 2000 km de la superficie de la Tierra.
El lanzador espacial 100 comprende un sistema de propulsión 101 (por ejemplo, un propulsor químico), sistemas de control y guiado (no mostrados) y un compartimento de alojamiento 102 para una carga útil.
Dicha carga útil puede comprender, por ejemplo, un satélite principal 103 y una pluralidad de satélites secundarios 104.
Al menos una nave espacial de transporte orbital 1 encuentra espacio de almacenamiento y se aloja dentro del compartimento de alojamiento 102.
La nave espacial de transporte orbital 1 se conecta al lanzador espacial 100 a través de un sistema de separación orbital convencional 105 configurado para liberar con un empuje predeterminado la nave espacial de transporte orbital 1 una vez que el lanzador espacial 100 alcanza una altura orbital predeterminada.
Preferentemente, dicha altura orbital es la adaptada para la liberación del satélite principal 103, es decir, de la carga útil principal del lanzador espacial 100.
Como se muestra en la Figura 2, la nave espacial de transporte orbital 1 comprende una plataforma de satélite 2 que contiene los subsistemas necesarios para el control y la gestión de un satélite. Dichos subsistemas (no mostrados o descritos adicionalmente porque son convencionales) son redundantes, es decir, están duplicados para aumentar su fiabilidad.
Como se muestra esquemáticamente en la Figura 5, la plataforma de satélite 2 comprende además un subsistema de seguridad 21 que comprende una unidad de mando y de control 3 alimentada por una fuente de electricidad 4 (por ejemplo, una batería o paneles fotovoltaicos) preferentemente dedicada al módulo de mando y de control 3.
La unidad de mando y de control 3 comprende un transmisor de señales 5 capaz de enviar señales a la superficie de la Tierra y un receptor de señales 6 capaz de recibir señales desde la superficie de la Tierra.
La unidad de mando y de control 3 comprende además un temporizador 7 y una pluralidad de placas de circuito de excitación 8 configuradas para generar y enviar señales de excitación SP a los miembros accionadores 15.
Todos los dispositivos del subsistema de seguridad 21 son redundantes, para aumentar la fiabilidad del subsistema. La plataforma de satélite 2 comprende además al menos un sistema de propulsión convencional 9 configurado para mover la nave espacial de transporte orbital 1 a lo largo de una órbita o para mover la misma a una órbita diferente. El sistema de propulsión 9 está configurado adicionalmente para corregir y/o cambiar la posición de la nave espacial de transporte orbital 1.
La nave espacial de transporte 1 comprende además una interfaz mecánica 10 de modo que la nave espacial de transporte orbital 1 se conecta al lanzador espacial 100.
La nave espacial de transporte orbital 1 comprende una pluralidad de sistemas de liberación 20. Cada sistema de liberación 20 comprende un POD (desplegador orbital de picosatélite) 11 dentro del cual se alojan uno o más satélites 12. Los POD sirven como tubos de liberación, con la función de almacenar, transportar y liberar los satélites 12 que tienen que situarse en órbita y se alojan preferentemente en un área de carga 12a de la nave espacial de transporte orbital 1.
Los POD 11 son modulares e independientes entre sí. A modo de ejemplo, la nave espacial de transporte orbital 1 puede transportar 48 Cubesats, cada uno de 1 unidad (1 unidad de Cubesat se define por un volumen de 10x10x10 cm), o 16 Cubesats, cada uno de 3 unidades, o de lo contrario 8 Cubesats, cada uno de 6 unidades, o 4 Cubesats, cada uno de 12 unidades y configuraciones mixtas de los mismos.
La Figura 6 muestra un ejemplo de una configuración mixta de Cubesats transportados por la nave espacial de transporte orbital 1, en la que A1 y C1 representan respectivos Cubesats de 6 unidades, A3, A4, B1, B2, C1, D1, D3, D4 representan respectivas filas de tres Cubesats de 1 unidad, B3 representa un Cubesats de 12 unidades.
La Figura 3 muestra una pluralidad de POD 11 en la que cada POD es capaz de alojar un Cubesat de 3 unidades. Los POD 11 pueden alimentarse por paneles fotovoltaicos 11a instalados en la estructura de los propios POD.
Como se muestra en la Figura 4 (que muestra un POD para el transporte y liberación de un Cubesat de 3 unidades), cada POD está provisto de una carcasa de contención 13, una puerta de apertura 14 y miembros empujadores 16 para expulsar los Cubesats transportados impartiendo un empuje predeterminado a los mismos.
Dichos miembros empujadores 16 pueden ser, por ejemplo, muelles precargados de acuerdo con el empuje a impartir al Cubesat en el momento de la liberación.
Los miembros accionadores 15 actúan en cada POD 11 y, en particular, en la puerta de apertura 14 y en los miembros empujadores 15, como se indica esquemáticamente en la Figura 4.
Los POD 11 se disponen mutualmente uno al lado del otro para formar una matriz de POD en la que, preferentemente, todas las puertas de apertura 14 se encuentran con la misma orientación y son coplanares, como se muestra en la Figura 3.
La nave espacial de transporte orbital 1 se equipa con los satélites 12 insertados en los POD 11 y, a continuación, se aloja en el lanzador espacial 100.
El lanzador espacial 100 se sitúa en órbita alrededor de la Tierra. La altura orbital y la posición alcanzadas por el lanzador espacial 100 es, por ejemplo, la prescrita específicamente para la liberación del satélite principal 103 que representa la carga útil más importante del lanzador espacial y para el que se concibió principalmente la misión espacial.
Durante una misión de lanzamiento que no se enfrenta a ningún problema, el lanzador espacial 100 libera la nave espacial de transporte orbital 1. La etapa de liberación se produce impartiendo un empuje de separación a la nave espacial de transporte orbital 1 capaz de retirar la nave espacial de transporte orbital 1 del lanzador espacial 100. Dicho empuje proporciona a la nave espacial de transporte 1 una cantidad de movimiento que, dependiendo de regulaciones actuales y/o de los parámetros de la misión, es capaz de mover la nave espacial de transporte orbital 1 la órbita alcanzada durante un periodo de tiempo de unos pocos días (normalmente 2 o 3 días).
La nave espacial de transporte orbital 1 libera, a continuación, de acuerdo con una secuencia predeterminada, los satélites 12 que se colocan en las órbitas seleccionadas.
Si el lanzador espacial 100 no libera la nave espacial de transporte orbital 1 por cualquier razón (por ejemplo, porque un accionador de liberación de la nave espacial de transporte 1 tiene un mal funcionamiento o porque los subsistemas de la plataforma de satélite 2 de la nave espacial de transporte orbital 1 tienen un mal funcionamiento), el subsistema de seguridad 21 de la nave espacial de transporte orbital 1 se activa para activar una secuencia de activación de los POD 11.
El subsistema de seguridad 21 de la nave espacial de transporte 1 activa la secuencia de activación de los POD 11 también si el lanzador espacial 100 libera correctamente la nave espacial de transporte 1, pero, posteriormente, sufre una avería, por cualquier razón, que compromete la capacidad de completar la misión para la liberación del satélites 12.
El subsistema de seguridad 21 es independiente y está separado de los otros subsistemas de la plataforma de satélite 2, de modo que un fallo en cualquier subsistema de la plataforma de satélite 2 no compromete la operación del subsistema de seguridad 21.
El subsistema de seguridad 21 genera una secuencia de activación de los POD 11 para liberar los satélites 12 también si la nave espacial de transporte orbital 1 está aún en el lanzador espacial 100.
En particular, como se muestra esquemáticamente en la Figura 7, el temporizador 7 genera una señal ST1 representativa de un primer tiempo transcurrido desde la última comunicación entre la nave espacial de transporte orbital 1 y una estación de transmisión remota (por ejemplo, en la Tierra). Si el lanzador espacial 100 no liberó la nave espacial de transporte orbital 1 (o sufrió una avería después de la liberación por el lanzador espacial 100) y, en consecuencia, no envió ninguna señal a la estación de transmisión remota (por ejemplo, porque los subsistemas de la plataforma de satélite 2 son defectuosos), la señal perdida es indicativa de la imposibilidad de que la nave espacial de transporte orbital 1 complete la misión para la liberación del satélites 12.
La unidad de mando y de control 3, alimentada por la fuente de electricidad 4, compara la señal ST1 con una señal STR indicativa de un tiempo de espera máximo de referencia.
Si el resultado del control es de tal forma que ST1>STR, entonces la unidad de mando y de control 3 genera una señal de activación SA y envía la misma a las placas de excitación 8 de los POD 11.
Si el resultado del control es de tal forma que ST1<STR, entonces el control se efectúa de nuevo después de un periodo de tiempo predeterminado.
Cuando las placas de circuito de excitación 8 reciben la señal de activación SA, generan la señal de excitación SP y envía la misma a los miembros accionadores 15 que liberan un satélite predeterminado 12 desde el correspondiente POD 11.
En particular, tras recibir la señal de excitación SP, los miembros accionadores 15 actúan sobre la puerta de liberación 14 abriendo la misma y manteniendo la misma en una condición de abierta y sobre los miembros empujadores 15 que imparten un empuje de liberación al satélite 12 alejándolo de la nave espacial de transporte orbital 1. El impulso de liberación, así como la dirección de liberación, se calculan por la unidad de mando y de control 3 para dirigir al satélite 12 a la posición orbital seleccionada.
Después de que transcurre un cierto tiempo, necesario para que el satélite 12 se aleje de la nave espacial de transporte orbital 1 y/o del lanzador espacial 100, las placas de circuito de excitación 8 generan una señal de excitación SP adicional y se repite el ciclo de liberación de un nuevo satélite 12, como se muestra esquemáticamente en la Figura 7. El ciclo se repite iterativamente hasta que se liberan todos los satélites 12.
De esta manera, incluso si falla la liberación de la nave espacial de transporte orbital 1 o si la nave espacial de transporte orbital 1 sufre una avería después de la liberación del lanzador espacial 100, todos los satélites 12 se colocarían en órbita correctamente.
De manera evidente, un experto en la materia, para cumplir con necesidades específicas y contingentes, puede hacer numerosas modificaciones y variantes a la invención descrita anteriormente, sin alejarse de este modo del alcance de protección de la presente invención según se define mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre, que comprende:
proporcionar una nave espacial de transporte orbital (1), capaz de moverse a una altura orbital, y que comprende una pluralidad de desplegadores de órbita de picosatélite - POD -(11) para liberar satélites (12), transportados por la nave espacial de transporte orbital (1);
alojar dicha nave espacial de transporte orbital (1) en un lanzador espacial (100), configurado para alcanzar una altura orbital;
generar una señal de liberación y transmitir la misma a la nave espacial de transporte orbital (1), para liberar la nave espacial de transporte orbital (1) del lanzador espacial (100);
en caso de fallo para liberar la nave espacial de transporte orbital (1) o en caso de avería de la nave espacial de transporte orbital (1), después de la liberación del lanzador espacial (100), activar un subsistema de seguridad (21) de la nave espacial de transporte orbital (1), para generar una secuencia de activación de POD (11), para liberar los satélites (12).
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la activación de un subsistema de seguridad (21) comprende determinar un primer tiempo (ST1) representativo del tiempo transcurrido desde que se produjo la última comunicación entre la nave espacial de transporte orbital (1) y una estación de transmisión remota, comparar dicho primer tiempo (ST1) con un tiempo de referencia (STR), indicativo de un tiempo de espera máximo, activar miembros accionadores (15) para la liberación de un satélite (12), cuando el primer tiempo (ST1) es mayor que el tiempo de referencia (STR).
3. Método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la activación de miembros accionadores (15) comprende abrir una puerta de liberación (14) de un POD (11), bloquear la puerta de liberación (14) en posición abierta, ejercer un empuje de separación en el satélite (12) que hay que liberar.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la activación de miembros accionadores (15) viene seguida de esperar un tiempo de espera y activar miembros accionadores (15) de un POD adicional (11), para liberar un satélite (12) adicional.
5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho subsistema de seguridad (21) de dicha nave espacial de transporte orbital (1) comprende una unidad de mando y de control (3) a bordo de dicha nave espacial de transporte orbital (1) o a bordo de cada POD (11), alimentado por una fuente de alimentación eléctrica (4) a bordo de dicha nave espacial de transporte (1).
6. Método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicha secuencia de activación es implementada por dicha unidad de mando y de control (3).
7. Método de acuerdo con las reivindicaciones 5 o 6, en el que dicha unidad de mando y de control (3) es completamente autónoma e independiente de subsistemas adicionales de la nave espacial de transporte orbital (1).
8. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos satélites (12) se liberan de acuerdo con un patrón de liberación predeterminado.
9. Método de acuerdo con las reivindicaciones 3 o 4, en el que el empuje de separación ejercido sobre cada satélite (12) se calcula como una función de la órbita a alcanzar por el satélite (12).
10. Método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicha fuente de alimentación eléctrica (4) es una batería dedicada a la unidad de mando y de control (3) o es una batería compartida con subsistemas de una plataforma de satélite (2) de la nave espacial de transporte orbital (1) o son paneles fotovoltaicos.
ES18830935T 2017-12-01 2018-11-29 Método para la liberación segura de satélites artificiales en la órbita terrestre Active ES2901174T3 (es)

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IT201700138590 2017-12-01
PCT/IB2018/059456 WO2019106595A1 (en) 2017-12-01 2018-11-29 Method for the safe release of artificial satellites in earth's orbit

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ES2901174T3 true ES2901174T3 (es) 2022-03-21

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