ES2963083T3 - Método de liberación de satélites artificiales en la órbita terrestre - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un método para poner en órbita terrestre satélites artificiales que comprende disponer de una nave espacial de transporte orbital (1) capaz de desplazarse a altura orbital y que comprende una zona de carga (12a), enganchando una pluralidad de satélites (12) en dicha zona de carga (12a), alojando dicha nave espacial de transporte orbital en un lanzador espacial (100) configurado para alcanzar una altura orbital, liberando dicha nave espacial de transporte orbital (1) a altura orbital, cuando dicho lanzador espacial (100) alcanza altura orbital, impartiendo un empuje de separación. a dicha nave espacial de transporte orbital (1), liberando satélites (12) en secuencia desde el área de carga (12a). La liberación de cada satélite (12) desde el área de carga (12a) se produce en una dirección predeterminada respectiva y cuando la nave espacial de transporte orbital (1) ha alcanzado una posición predeterminada respectiva. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método de liberación de satélites artificiales en la órbita terrestre
La presente invención se refiere a un método de liberación de satélites artificiales en la órbita terrestre, específicamente, satélites pequeños o nanosatélites.
En la última década, la evolución tecnológica ha llevado a una rápida obsolescencia tecnológica de los dispositivos de consumo y a tiempos de renovación de la tecnología del orden de unos pocos años. En este sentido, el sector de la telefonía móvil puede considerarse como un ejemplo.
Por el contrario, en el sector de los satélites espaciales artificiales, el desarrollo tecnológico tiende a avanzar a un ritmo mucho más lento, teniendo en cuenta la capacidad de los satélites artificiales de durar mucho tiempo, en algunos casos, más de 15 años. Por tanto, los costes de acceso a este sector espacial sólo pueden ser sufragados por los organismos gubernamentales y por unas pocas grandes empresas, los únicos que pueden incurrir en los enormes costes de desarrollar satélites artificiales y ponerlos en orden.
Sin embargo, las necesidades de investigación científica de los centros de investigación y las universidades han llevado a nuevos intentos para usar el espacio por medio de satélites extremadamente pequeños, que pueden construirse a un coste relativamente bajo utilizando la tecnología electrónica miniaturizada disponible en el mercado libre.
En este sentido, a partir de 1999, las universidades Cal Poly y Stanford comenzaron a desarrollar y proponer un nuevo satélite como estándar, llamado "CubeSat" debido a su peculiar forma cúbica, con un tamaño de 10x10x10 cm. Este tipo de satélite (que coincide con la definición convencional de satélite pequeño y, más específicamente, con la de nanosatélite) es un satélite modular y permite acomodar todos los subsistemas característicos 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 normalizada en formato CubeSat, se han vuelto muy populares, y en sus inicios, los han utilizado principalmente las 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 con fines comerciales y un número cada vez mayor de empresas privadas vislumbraron el valor de poder lanzar constelaciones de CubeSats para prestar servicios en la Tierra, mitigando los niveles intrínsecos de rendimiento más bajo de estos satélites con un elevado número de estos en órbita (hasta varios cientos de muestras) y con un vuelo en una formación o constelación.
Si bien en los últimos 60 años se han lanzado aproximadamente 6.000 satélites artificiales, hoy en día, cientos de nuevas empresas privadas, financiadas con capital privado, están construyendo satélites artificiales y esperan lanzar más de 23.000 en los próximos 5-10 años.
Los CubeSats se transportan al espacio con un vehículo de lanzamiento espacial, como cualquier otro satélite de clase superior. Sin embargo, su tamaño pequeño hace que su lanzamiento especializado no sea económico; por este motivo, siempre se han puesto en órbita como cargas útiles secundarias de otros satélites más grandes. Un lanzador suele costar entre 60 y 100 millones de dólares, por lo que es difícil para un satélite pequeño, que a menudo cuesta menos de un millón de euros, tener acceso a una capacidad de lanzamiento especializada.
Por lo tanto, los operadores de estos satélites pequeños los han llevado a órbita como carga extra de satélites más grandes, a un coste de unos pocos cientos de miles de dólares, aceptando la incapacidad de elegir cuándo lanzarlos o bien cuándo liberarlos en órbita. Estas decisiones son prerrogativa exclusiva del satélite principal, por el que se paga la mayor parte del coste del lanzador.
Los CubeSats generalmente se liberan prácticamente al unísono justo después del lanzamiento del satélite principal, constituyendo una especie de nube que se dispersa lentamente en el espacio.
Los CubeSats liberados, por consiguiente, tardan meses en dispersarse, ya que solamente pueden aprovechar la variación del campo gravitacional de la Tierra y del viento solar para cambiar de posición en órbita e ir a la deriva hasta alcanzar la posición deseada.
Como alternativa, los CubeSats se ponen en órbita mediante la Estación Espacial Internacional utilizando el módulo Kibo y un brazo robótico. El uso del brazo robótico permite a los operadores elegir el momento para la extracción del satélite y proporcionar la posibilidad de liberar el CubeSat con diferentes actitudes y fuerzas.
Desde la estación espacial, también es posible utilizar el sistema comercial manejado por la empresa Nanoracks para eyectar satélites desde la Estación Espacial Internacional, de un modo similar al que se aplica en la expulsión de los CubeSats desde los vehículos lanzadores.
En cualquier caso, el número de satélites que se pueden lanzar desde la Estación Espacial Internacional es extremadamente limitado y la órbita de liberación es la de la Estación Espacial, por lo tanto, a aproximadamente 400 km de altitud y 51,54 grados de inclinación.
Este es un problema grave, ya que la mayoría de estos satélites pequeños no tienen capacidad de propulsión a bordo. Los operadores que desean unas condiciones de liberación particulares para sus CubeSats tienen que esperar mucho tiempo, una media de uno a dos años, antes de encontrar el lanzamiento con los parámetros orbitales adecuados para sus necesidades, lo que crea incertidumbre y retrasos que pueden poner en peligro su negocio.
Además, quien maneja constelaciones de CubeSats debe garantizar que sus satélites estén lo más equidistantes posible entre sí, para permitir una cobertura más efectiva de la Tierra y brindar a sus clientes un servicio de mayor calidad. Actualmente, una constelación de CubeSats liberada durante el mismo lanzamiento tarda de 6 a 10 meses en dispersarse total y uniformemente a lo largo de la órbita.
Considerando que la vida útil de un CubeSat en órbita es de un año y difícilmente puede exceder los dos años (debido al gradual decaimiento hacia la Tierra que se debe a las fuerzas naturales que provocan su reentrada), es fácilmente evidente que dedicar más de la mitad de la vida de servicio solamente para dispersar la constelación es una cuestión crítica de primordial importancia entre los operadores de CubeSat.
Los documentos US 6276639 B1, US 9463882 B1, US 5199672 A, US 2016368625 A1 y US 2017327253 A1 divulgan ejemplos de la técnica anterior de métodos para liberar satélites artificiales en la órbita terrestre.
En este contexto, la presente invención propone poner a disposición un método de liberación de satélites artificiales en la órbita terrestre que resuelva los problemas críticos antes mencionados.
En particular, la presente invención se refiere a un método de liberación de satélites artificiales en la órbita terrestre, tal y como se define en la reivindicación 1.
Preferentemente, la actitud de dicha nave espacial de transporte orbital se ajusta antes de la liberación de cada satélite. Preferentemente, cada satélite se libera con sus respectivas velocidades de separación; estando predeterminada cada velocidad de separación de modo que el satélite liberado alcanza una posición orbital predeterminada.
Preferentemente, cada satélite se libera en una dirección opuesta a la del movimiento de la nave espacial de transporte orbital.
Preferentemente, al liberar dos satélites sucesivamente, un satélite se libera en una dirección opuesta a la dirección de liberación de un satélite liberado inmediatamente antes, en donde la dirección de liberación de dicho satélite liberado inmediatamente antes es opuesta a la dirección de movimiento de la nave espacial de transporte orbital. Enganchar una pluralidad de satélites en dicho compartimento de carga comprende proporcionar una pluralidad de sistemas de liberación y enganchar cada satélite con uno de dichos sistemas de liberación, comprendiendo cada sistema de liberación un POD (desplegador orbital de picosatélites) para alojar uno o más de dichos satélites, en donde dichos POD sirven como conductos de liberación para almacenar, transportar y liberar dichos satélites y en donde dichos POD están alojados en dicho compartimento de carga.
Preferentemente, cada conducto de liberación está configurado para liberar uno o más satélites por separado; estando dichos conductos de liberación dispuestos uno al lado del otro para formar una matriz de conductos de liberación. Preferentemente, dichos satélites se liberan de acuerdo con un patrón de liberación predeterminado.
Preferentemente, se activa un sistema de propulsión para la nave espacial de transporte orbital para posicionar la nave espacial de transporte orbital en posiciones orbitales predeterminadas y subsecuentes cada vez que se libera un satélite.
Preferentemente, la nave de transporte orbital se mueve en una trayectoria de entrada atmosférica después de haber liberado todos los satélites.
Las características y ventajas adicionales de la presente invención resultarán más claras a partir de la siguiente descripción detallada de algunas realizaciones preferidas de la misma, con referencia a los dibujos adjuntos y proporcionados a modo de ejemplo ilustrativo 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 la disposición de los nanosatélites dentro del componente de la Figura 3; y
- las Figuras 7 y 8 muestran dos ejemplos de posicionamiento orbital de satélites de acuerdo con 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 vehículo de lanzamiento espacial de tipo 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 terrestre y el cinturón de Van Allen, entre 200 km y 2000 km de la superficie de la Tierra.
El vehículo de lanzamiento 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 liberar el satélite principal 103, es decir, la carga útil principal del lanzador espacial 100.
La nave espacial de transporte orbital 1 comprende una plataforma de satélite 2 que contiene todos los subsistemas necesarios para el control y la gestión de un satélite. Dichos subsistemas (no mostrados ni descritos adicionalmente porque son convencionales) son redundantes, es decir, están duplicados para aumentar su fiabilidad.
Tal y como se muestra esquemáticamente en la Figura 5, la plataforma de satélite 2 además comprende un módulo de mando y control 3 alimentado por una fuente de electricidad 4 (por ejemplo, una batería) preferentemente especializada para el módulo de mando y control 3.
El módulo de mando y control 3 comprende un transmisor de señales 5 capaz de enviar señales sobre la superficie terrestre y un receptor de señales 6 capaz de recibir señales desde la superficie terrestre.
El módulo de mando y control 3 además comprende un temporizador 7 y una pluralidad de placas de controlador 8 configuradas para generar y enviar señales de controlador 8 a los elementos actuadores 15.
La plataforma de satélite 2 además comprende 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 moverla a una órbita diferente. El sistema de propulsión 9 está además configurado para corregir y/o cambiar la actitud de la nave espacial de transporte orbital 1.
La nave espacial de transporte orbital 1 además comprende una interfaz mecánica 10 mediante la cual la nave espacial de transporte orbital 1 está conectada al lanzador espacial 100.
La nave espacial de transporte orbital 1 además comprende una pluralidad de sistemas de liberación 20. Cada sistema de liberación 20 comprende un POD 11 en cuyo interior se alojan uno o más satélites 12. Los POD sirven como conductos de liberación, con la función de almacenar, transportar y liberar los satélites 12 que han de ponerse en órbita y que están alojados en un compartimento 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 de 1 unidad cada uno (1 unidad de CubeSat está definido por un volumen de 10x10x10 cm), o 16 CubeSats de 3 unidades cada uno u 8 CubeSats de 6 unidades cada uno, o 4 CubeSats de 12 unidades cada uno y configuraciones combinadas de los mismos.
La Figura 6 muestra un ejemplo de configuración combinada de CubeSats transportados por la nave espacial de transporte orbital 1, en la que A1 y C1 representan CubeSats respectivos de 6 unidades, A3, A4, B1, B2, C1, D1, D3, D4 representan filas respectivas de tres CubeSats de 1 unidad, B3 representa un CubeSat de 12-unidades.
La Figura 3 muestra una pluralidad de POD 11 en la que cada POD puede alojar un CubeSat de 3 unidades. Los POD 11 pueden alimentarse mediante paneles fotovoltaicos 11a instalados en la estructura de los propios POD, o, más preferentemente, alimentarse mediante la plataforma de satélite 2 de la nave espacial de transporte orbital 1.
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 elementos actuadores 15 para expulsar los CubeSats transportados impartiéndoles un empuje predeterminado.
Dichos miembros actuadores 15 pueden ser, por ejemplo, muelles precargados de acuerdo con el empuje que se va a impartir al satélite en el momento del lanzamiento.
Los POD 11 están dispuestos mutuamente 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.
De acuerdo con el método de la presente invención, la nave espacial de transporte orbital 1 está equipada con los satélites 12 insertados en los POD 11 y luego alojados en el lanzador espacial 100.
El lanzador espacial 100 se pone en órbita alrededor de la Tierra. La altura orbital y la posición alcanzada por el lanzador espacial 100 suele ser la designada específicamente para la liberación del satélite principal 103, que representa la carga útil más importante del lanzador espacial y para el cual se concibió principalmente la misión espacial.
En este punto, 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 un impulso que, dependiendo de la regulación existente y/o de los parámetros de la misión, es capaz de mover la nave espacial de transporte orbital 1 a la órbita alcanzada durante un intervalo de tiempo de unos pocos días (normalmente 2 o 3 días).
Obsérvese que en esta etapa el sistema de propulsión 9 de la nave espacial de transporte orbital 1 no está activado. Como alternativa, si la nave espacial de transporte orbital 1 tiene que alcanzar una altura orbital diferente o si es necesario impartir a la nave espacial de transporte orbital 1 un impulso mayor que el impartido por el empuje de separación, el sistema de propulsión 9 se activa.
En cualquier caso, en ese momento la nave espacial de transporte orbital 1 se aleja del lanzador espacial 100. Cuando la nave espacial de transporte orbital 1 alcanza una primera posición predeterminada, se libera un primer satélite 12.
Dicha posición predeterminada se calcula de acuerdo con la posición en la que se ha de poner en órbita el satélite 12. El satélite 12 se libera impartiendo un empuje de separación de la misma. Los elementos actuadores 15 del POD pueden, por ejemplo, impartir dicho empuje de separación. Dicho empuje de separación se predetermina, preferentemente, durante la planificación de la misión y luego se preestablece. Como alternativa, dicho empuje de separación puede determinarse en el momento de la liberación del satélite 12 de acuerdo con la posición exacta alcanzada por la nave espacial de transporte orbital 1 (que podría diferir de las posiciones especificadas en la planificación de la misión).
En cualquier caso, el satélite 12 se aleja de la nave espacial de transporte orbital 1 en una dirección preestablecida y precalculada, a una velocidad de separación que garantiza la consecución de la posición deseada sin necesidad de maniobras adicionales. De esta forma, el satélite 12 puede posicionarse incluso si no está provisto de un sistema de propulsión autónomo.
Antes de la liberación del satélite 12, para garantizar que dicho satélite se aleja en la dirección seleccionada, el sistema de propulsión 9 de la nave espacial de transporte orbital 1 se activa para corregir la actitud de la nave espacial de transporte orbital 1.
En la realización preferida de la invención, el satélite 12 se libera en una dirección opuesta a la del movimiento de la nave espacial de transporte orbital 1.
Una vez que se libera el primer satélite, la nave espacial de transporte orbital 1 alcanza una nueva posición de liberación y las operaciones para liberar un satélite adicional 12 se repiten como se describió anteriormente.
De esta forma, se garantiza una liberación gradual de los satélites 12 en una dirección opuesta a la del movimiento de la nave espacial de transporte orbital 1 a lo largo de la órbita, sin requerir maniobras adicionales por parte de los satélites 12 (como se muestra esquemáticamente en la Figura 7). Esto permite liberar, por ejemplo, 16 satélites en aproximadamente 88 días.
La secuencia de liberación de los satélites 12 puede preestablecerse o decidirse caso por caso de acuerdo con las necesidades del operador de los satélites 12.
Como alternativa, dos satélites 12 liberados sucesivamente se liberan sustancialmente en direcciones mutuamente opuestas. Cada liberación sigue las etapas descritas anteriormente, con la diferencia de que el segundo satélite 12 se lanza en una dirección que coincide con la dirección orbital de avance de la nave espacial de transporte orbital 1, después de reorientar la nave espacial de transporte orbital 1, tal y como se muestra esquemáticamente en la Figura 8.
El solicitante ha calculado que de esta forma es posible reducir el tiempo total de liberación de los satélites 12 en un 35 % en comparación con una secuencia de liberación en la que las direcciones de retirada de los satélites siempre están dirigidas en dirección opuesta a la de avance de la nave espacial de transporte orbital 1.
Los empujes de separación y las velocidades de separación correlacionadas de los satélites 12 pueden ser diferentes entre sí y, tal y como se ha expuesto, se seleccionan para garantizar el correcto posicionamiento de los satélites 12 en el menor tiempo posible.
Al final del posicionamiento de los satélites 12, la nave espacial de transporte orbital 1 se pone en una trayectoria de entrada atmosférica, evitando que se convierta en un peligro, un objeto fuera de control en órbita.
Esta operación se puede llevar a cabo utilizando el propulsor residual y el sistema de propulsión utilizado para las maniobras en órbita o utilizando un sistema de propulsión especializado configurado para llevar a cabo solamente las operaciones de reentrada atmosférica.
Obviamente, un experto en la técnica, para satisfacer las necesidades específicas y contingentes, puede hacer numerosas modificaciones y variaciones en la invención descrita anteriormente, sin que por ello se aleje del alcance de la presente invención según se define en las reivindicaciones siguientes.
Claims (9)
1. Método de liberación 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 un compartimento de carga (12a);
enganchar una pluralidad de satélites (12) en dicho compartimento de carga (12a); en donde enganchar una pluralidad de satélites (12) en dicho compartimiento de carga (12a) comprende proporcionar una pluralidad de sistemas de liberación (20) y enganchar cada satélite (12) con uno de dichos sistemas de liberación (20), comprendiendo cada sistema de liberación (20) un desplegador orbital de picosatélite, POD, (11) para alojar uno o más de dichos satélites (12), en donde dichos POD (11) sirven como conductos de liberación para almacenar, transportar y liberar dichos satélites (12) y en donde dichos POD están alojados en dicho compartimento de carga (12a);
alojar dicha nave espacial de transporte orbital (1) en un lanzador espacial (100) configurado para alcanzar una altura orbital;
liberar dicha nave espacial de transporte orbital (1) a altura orbital, cuando dicho lanzador espacial (100) alcanza la altura orbital, impartiendo un empuje de separación a dicha nave espacial de transporte orbital (1); liberar los satélites (12) en secuencia desde el compartimento de carga (12a);
en donde la liberación de cada satélite (12) desde el compartimento de carga (12a) se produce en una dirección predeterminada respectiva y en cuanto la nave espacial de transporte orbital (1) ha alcanzado una posición predeterminada respectiva.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la actitud de dicha nave espacial de transporte orbital se ajusta antes del lanzamiento de cada satélite (12).
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde cada satélite (12) se libera con sus respectivas velocidades de separación; estando predeterminada cada velocidad de separación de modo que el satélite liberado (12) alcanza una posición orbital predeterminada.
4. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada satélite (12) se libera en una dirección opuesta a la del movimiento de la nave espacial de transporte orbital (1).
5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde al liberar sucesivamente dos satélites (12), un satélite (12) se libera en una dirección opuesta a la dirección de liberación de un satélite (12) liberado inmediatamente antes, en donde la dirección de liberación de dicho satélite (12) liberado inmediatamente antes es opuesta a la dirección de movimiento de la nave espacial de transporte orbital (1).
6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada conducto de liberación (11) está configurado para liberar uno o más satélites (12) por separado; dichos conductos de liberación (11) están dispuestos uno al lado del otro para formar una matriz de conductos de liberación (11).
7. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos satélites (12) se liberan de acuerdo con un patrón de liberación predeterminado.
8. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende activar un sistema de propulsión (9) para la nave espacial de transporte orbital (1) para posicionar la nave espacial de transporte orbital (1) en posiciones orbitales predeterminadas y subsecuentes cada vez que se libera un satélite (12).
9. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende mover la nave espacial de transporte (1) en una trayectoria de entrada atmosférica.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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