Evaluación de un propulsor electrospray para misiones de CubeSats de tres unidades

Abstract

Las misiones de satélites tipo CubeSat actualmente no tienen planificado el periodo posterior a la vida operacional del satélite. Al ser lanzados cada vez en mayor cantidad, estas naves tienen el potencial de congestionar el espacio en órbita terrestre baja y presentar un peligro creciente de colisiones. Dentro de las estrategias para remover a estas naves de la órbita es la de descenso controlado o deorbitación realizado con propulsores eléctricos. Dentro de las tecnologías existentes de propulsores eléctricos se encuentra el electrospray que presenta una alternativa atractiva para su uso en satélites tipo CubeSat. En el presente trabajo se evalúa esta tecnología y su uso en la deorbitación de CubeSats de tres unidades, para considerar su desarrollo para misiones futuras. En la primera parte del presente trabajo se presenta un marco teórico que permite entender las problemáticas que presenta el diseño y construcción de sistemas para CubeSats. Luego se explora la propulsión espacial eléctrica para estudiar su impacto los cambios orbitales de una órbita terrestre baja. Finalmente se presenta el fenómeno basal de la tecnología electrospray para luego comprenderlo en términos de su desempeño como sistema de propulsión espacial eléctrica. Se construyó un experimento en base a un capilar para estudiar las variables de importancia expuestas en la primera parte de este trabajo. En primer lugar se determinó la región de operación del experimento donde se producía de forma estable el fenómeno basal del electrospray, cuantificando las variables de importancia. De esta región de estabilidad se calcularon los parámetros de desempeño propulsivo de empuje e impulso específico en base un modelo físico. Luego se realizan pruebas para estudiar el comportamiento del experimento ante el vacío presente fuera de la atmósfera terrestre. Una vez determinados los parámetros de desempeño propulsivo, se realizan cálculos para determinar el desempeño total de un propulsor práctico utilizando esta tecnología en los puntos de operación que maximizan cada parámetro respectivamente. Junto al desempeño, se estima el volumen utilizado y la cantidad de propelente factible. Finalmente se evaluó el desempeño del propulsor propuesto en términos de vida orbital mediante la simulación en el software STK. Estas simulaciones incluyen dos maniobras cuyos resultados son comparados a los resultados de una caída sin la asistencia de propulsión. Mediante las simulaciones se obtuvieron reducciones significativas a la vida orbital del satélite lo que el propulsor posee el desempeño suficiente para su uso en deorbitación de CubeSats de tres unidades.