Diseño de una vela de arrastre para un CubeSat 3U basado en patrones de origami

Abstract

Un CubeSat es una clase de nanosatélite de diseño estandarizado. Las misiones de Cube Sats han tenido un auge significativo en los últimos años, especialmente en universidades de todo el mundo. Tal es el caso del Laboratorio de Exploración Espacial y Planetaria (SPEL) de la Universidad de Chile, para el cual se desarrolló este trabajo de título. El aumento de misiones de CubeSats y lanzamientos espaciales ha generado una crisis de basura espacial, lo que ha impulsado normativas que limitan la vida útil de los CubeSats a 25 años, exigiendo su desorbitación al final de esta. Para cumplir con este requisito, se utilizan diferentes mecanismos, tales como las velas de arrastre, cuyo diseño enfrenta restricciones estrictas de tamaño y peso. En este contexto, los diseños basados en origami ofrecen una solución innovadora al permitir el despliegue de estructuras grandes en espacios reducidos. En este trabajo se plantean los origamis Miura y Flasher como opciones para el diseño de velas de arrastre en CubeSats. Se desarrollan modelos matemáticos para ambos origamis, los cuales son optimizados para maximizar el área desplegada y cumplir con las restricciones es paciales impuestas. En particular, el origami Miura se selecciona como el más adecuado para la aplicación, entregando un área desplegada de 168.000 mm2 con la posibilidad de duplicar este valor utilizando dos velas. Se desarrollan prototipos preliminares de la vela de arrastre, usando una lámina de Mylar de 0,1 mm de espesor. Además se propone un mecanismo de despliegue utilizando un sistema inflado, con una fuente de aire basada en inyectores de vehículos, los cuales fueron previa mente propuestos en una tesis de magister del mismo laboratorio. Se llevaron a cabo pruebas de despliegue con aire comprimido para validar el diseño propuesto. Se calculó el efecto de una y dos velas de arrastre en el tiempo de desorbitación de un CubeSat 3U, el cual disminuyó de 14 años a aproximadamente 4 años para el primer caso y a poco más de 2 años para el segundo caso. En resumen, se propone una solución innovadora para el despliegue de velas de arrastre en CubeSats, en donde el modelo propuesto no utiliza espacio interno del satélite y minimiza el impacto sobre la masa total del CubeSat. Además, los modelos de optimización desarrollados son versátiles para cualquier restricción espacial y grosor de membrana, permitiendo adaptar el diseño a diferentes aplicaciones y misiones.