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• Alvaro Malque

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Segmento espacial Los subsistemas principales del vehículo espacial que apoyan la carga útil son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

El recinto o estructura de la plataforma; El sistema de control térmico; El sistema de alimentación de energía; El sistema de control de actitud y de órbita El sistema de tele medida, telemando y telemetría; El sistema de antenas; El sistema de comunicaciones; El sistema de propulsión;

Diseño estructurales del satélite La estructura de un vehículo espacial se concibe para albergar, sostener y proteger los diversos subsistemas y componentes de un satélite durante su vida útil. Los esfuerzos inerciales y dinámicos aplicados a la estructura y al equipo del satélite correspondiente se producen durante la fase de lanzamiento. En esta fase , el satélite está sometido a choques mecánicos y acústicos y a vibraciones procedentes de los motores del vehículo lanzador, así como a los esfuerzos térmicos derivados de los motores propulsores adicionales y a la fricción del aire. El vehículo espacial está protegido durante esta fase “aerodinámica” con un escudo o “cono nasal”, después de esta fase el cono nasal se separa y el vehículo espacial debe soportar los esfuerzos inerciales y térmicos de las etapas de propulsión adicionales. Sistema de control térmico El objetivo de este sistema (TCS) es garantizar que el equipo interior y exterior de la estructura del vehículo espacial se mantenga en unos límites de temperatura que permitan el funcionamiento satisfactorio. Es necesario tener en cuenta múltiples factores en el diseño TCS, pues los satélites en el espacio están sometidos a un entorno térmico muy distinto del de la tierra, en donde existe un medio fluido (el aire) y los mecanismos principales para la transferencia del calor son la convección, la conducción y la radiación. El vacio “extremo” del espacio limita los mecanismos de transferencia del calor entre el vehículo y el entorno exterior al de la radiación. La segunda ley de la termodinámica dice que el sentido de flujo del calor va invariablemente de un cuerpo “caliente” a uno “frio”. Así pues, un vehículo espacial recibirá energía térmica del Sol (la corona solar está aproximadamente a 6000º K), de la reflexión de la energía solar en la Tierra y en la Luna y, dependiendo de las temperaturas de la superficie del satélite, recibirá o transmitirá energía térmica de la Tierra y la Luna o hacia ellas. Los planetas y las estrellas

son relativamente insignificantes al determinar el equilibrio calórico de un vehículo espacial. Las variaciones que probablemente experimente un vehículo espacial son: 1. Exposición solar variable a medida que el satélite da vueltas alrededor de la Tierra. 2. Variaciones estacionales en relación con la Tierra y el Sol. 3. Periodos de eclipse (máximo de 72 minutos) cuando el satélite está en la sombra de la Tierra. 4. Reflexiones variables de la energía solar procedentes de la Tierra debidas a la cobertura de las nueves (albedo variable). Los sistemas de control de actitud y de la órbita (mantenimiento en posición). El objetivo del subsistema de control de actitud es mantener el haz de radiofrecuencia de la antena orientado hacia las zonas previstas de la Tierra. Para ello, se hace que un eje conectado a la plataforma que soporta las antenas apunte hacia el centro de la Tierra y las antenas están montadas en esta plataforma de modo de apuntar hacia la zona deseada. El procedimiento de control de actitud comprende lo siguiente:    

La medición de la actitud del satélite mediante sensores; La comparación de los resultados de estas mediciones con los valores correctos; El cálculo de las correcciones que han de efectuarse para reducir los errores; La introducción de estas correcciones mediante el accionamiento de los elementos de empuje apropiados.

Actualmente todos los tipos de estabilización de actitud se basan en la conservación del momento angular de un elemento rotatorio. Los sistemas de estabilización pueden clasificarse en dos categorías:  

Estabilización por rotación, Estabilización triaxial

Control de la órbita (mantenimiento en posición) El objetivo de control de la órbita es mantener el vehículo espacial dentro de la “casilla” correspondiente a la posición asignada en longitud y latitud (el Reglamento de Radiocomunicaciones vigente establece un límite de más o menos 0.1º para las variaciones longitudinales solamente, en caso de satélites que utilizan frecuencias atribuidas al servicio fijo por satélite o al servicio de radiodifusión por satélite). Los orígenes de las perturbaciones son las siguientes: 

La atracción lunisolar

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La componente longitudinal de la aceleración gravitatoria debido a la elipticidad de la sección ecuatorial de la Tierra, conocida con el nombre “triaxialidad de la Tierra”

El efecto de la radiación solar que conduce a la excentricidad de la órbita (al desacelerar el satélite durante la mañana y acelerarlo durante la tarde) La función del subsistema de control de la órbita es reducir la amplitud de este movimiento indeseado. Para conseguir los aumentos correctivos de velocidad necesarios se encienden pequeños impulsores en puntosa apropiados de la órbita. Alimentación de energía El sol aporta la fuente primaria de energía par los satélites de comunicación. Las alternativas de sistema de conversión de la energía solar en energía eléctrica fueron explotadas por los ingenieros y científicos durante los primeros años del desarrollo de los sistemas espaciales, cuando la eficacia del proceso suponía un factor importante. Los primeros experimentadores trataron de desarrollar plantas de energía térmica (Carnot) utilizando colectores solares parabólicos. También se consideraron las células atómicas o baterías. Todos estos enfoques fueron superados por las células solares a base de plaquetas de silicio y arseniuro de galio o de materiales de revestimiento que convertían una parte de la radiación solar equivalente en cerca de 1Kw por metro cuadrado de superficie proyectada perpendicular a los rayos solares, directamente en energía eléctrica. Los componentes principales del sistema de alimentación de energía de un satélite de comunicaciones son: 1. Los generadores de energía, que normalmente son agrupaciones de células solares situadas en la parte móvil de un satélite giratorio o en las “alas” de un satélite estabilizado en tres ejes. 2. Los dispositivos de almacenamiento eléctrico, tales como baterías, para el funcionamiento durante los eclipses solares. 3. El cableado eléctrico para la conducción de la electricidad a todos los equipos que requieren energía. 4. Los convertidores reguladores que dan tensiones y corrientes constantes al equipo; 5. El subsistema de control y protección eléctricos que está asociado al subsistema de telemando y telemedida. Telemedida, telemando y determinación de la distancia (TCR). La situación y estado de los componentes activos y de los recursos de un sistema de satélite se captan con sensores especiales distribuidos a lo largo del vehículo espacial. Estos datos se transmiten acto seguido de forma periódica respondiendo a instrucciones del Centro de control en tierra (GCC) mediante el subsistema de telemedida. Desde el GCC se transmiten señales de telemando al satélite para cumplir los requisitos operacionales de la misión o

para responder a las condiciones de emergencia. La posición del satélite se sigue desde el GCC enviando señales enviando señales de medida de la distancia al satélite (enlace de telemando) y recibiendo de éste (enlace de tele medida). A continuación se procesa la señal para obtener el nivel de precisión que exige el mantenimiento en posición o para reubicar el satélite. El sistema TRC debe funcionar de forma fiable en todas las fases de la vida del satélite y exige la redundancia de alguno de sus equipos. Durante las operaciones en la órbita de transferencia o en casos de desorientación del satélite se utiliza una antena omnidireccional. Durante las operaciones normales en estación, se utilizan antenas de comunicación de alta ganancia para la transmisión y recepción de señales TCR. Los fabricantes de satélite suelen diseñar el sistema TCR partiendo de las normas existentes que han desarrollado. Las bandas de frecuencias utilizadas para las señales TCR suelen estar en los extremos de las bandas operacionales del SFS (6/4Ghz, 14/10-12Ghz, etc.) aunque el sistema de antena omnidireccional puede utilizar una banda de frecuencia inferior (2Ghz) para minimizar los requisitos de potencia del enlace. Sistemas de antenas Aunque estas forman parte del sistema completo de comunicaciones, estas pueden ser consideradas separadas de los transpondedores. En los satélites GEO el sistema de antenas es bastante complejo y produce haces con formas cuidadosamente diseñadas para adaptarse a las áreas de la superficie de la tierra a ser servidas por el satélite. Muchas de las antenas del satélite son diseñadas para operar en una sola banda de frecuencias, por ejemplo la banda C o la Ku. Un satélite que usa múltiples bandas de frecuencias tiene cuatro o más antenas 1. Ganancia, 2. Potencia isotrópica radiada efectiva, 3. Ancho del haz, 4. Ancho de banda, 5. Polarización, 6. Apertura El sistema de comunicaciones Este sistema se compone del transponder. Hay dos clases de transponder: transponder transparente y transponder de tratamiento a bordo (OBP). Los que más se utilizan son los transponder transparentes. Estos transponder realizan las mismas funciones que los repetidores de u n radioenlace; reciben las señales transmitidas desde la tierra, y luego de amplificarlos y convertirlos de frecuencia, las retransmiten a la Tierra. Las antenas asociadas con estos transponder están especialmente diseñadas para proporcionar cobertura a las regiones de la tierra comprendidas dentro de la red del satélite.

Los transponder de tratamiento a bordo tienen la capacidad de realizar una o más de las tres funciones siguientes: conmutación (en frecuencia y/o espacio, y/o tiempo), regeneración y tratamiento en banda base. Actualmente no está extendida la utilización de los transponder OBP, pero en el futuro habrá servicios que aprovecharán esta tecnología. Sus principales parámetros son: El sistema de propulsión El sistema de propulsión es usado para proveer un empuje requerido para impartir un cambio de velocidad necesaria para ejecutar todas las maniobras durante el tiempo de vida del satélite. Esto incluye maniobras mayores requeridas para mover al satélite de la órbtia de transferencia a la órbita geoestacionaria del satélite y también pequeñas maniobras para mantener al satélite en la ubicación adecuada durante toda la vida del satélite. El sistema de propulsión trabaja bajo el principio de la tercera ley de Newton, que dice que para toda acción hay una reacción igual pero opuesta. El sistema de propulsión usa el principio de expeler una masa a una velocidad en una dirección para producir un empuje en la dirección opuesta. En el caso del sistema de propulsión sólido y liquido, la expulsión de la masa a una alta velocidad implica la generación de un alta presión del gas mediante una alta temperatura de la descomposición del propelente. Tipos de sistema de propulsión 1. Propulsión de combustible sólido 2. Propulsión de combustible líquido 3. Propulsión eléctrica y iónica El Segmento terrestre El segmento terreno es el término con que se denomina la parte de un sistema de telecomunicaciones por satélite constituida por las estaciones terrenas, que transmiten a los satélites y reciben de éstos señales de tráfico de todas clases, y que forman la interfaz con las redes terrenales. Una estación terrena comprende todo el equipo terminal de un enlace por satélite. Su función equivale a la de una estación terminal de un radioenlace. Las estaciones terrenas consisten, por lo general, en los seis dispositivos principales siguientes: 

La antena transmisora y receptora, con un diámetro que varía de 50 cm (o todavía menos en algunos nuevos sistemas proyectados) a más de 16m. Por lo general, las antenas grandes están equipadas con un dispositivo de seguimiento automático que las mantiene apuntadas constantemente hacia el satélite; las antenas de tamaño mediano pueden tener dispositivos de seguimiento sencillos (por ejemplo, seguimiento por pasos), mientras que las antenas pequeñas no suelen tener un

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dispositivo de seguimiento y, aunque suelen estar fijas, generalmente se las puede orientar por medios manuales. El sistema receptor, con una unidad de acceso con amplificador de bajo nivel de ruido, sensible, cuya temperatura de ruido varía desde alrededor de 30K, o incluso menos, hasta varios cientos de K. El transmisor, con una potencia que varía desde unos pocos vatios a varios kilovatios, dependiendo del tipo de señales que han de transmitirse y del tráfico; Las unidades de modulación, demodulación y conversión de frecuencia Las unidades de tratamiento de señal Las unidades de interfaz para la interconexión con las redes terrenales (con equipo terrenal o directamente con el equipo y/o terminal del usuario)

El tamaño de estos equipos varía considerablemente de acuerdo con la capacidad de la estación