OAPES-CM - Operación Avanzada de Pequeños Satélites

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Servicios e infraestructura

El Instituto Ignacio da Riva lleva investigando en el área de la Ingeniería Espacial desde el comienzo de la década de 1970. Ha contribuido a este campo con un gran número de actividades, entre los que hay que destacar la experimentación en plataformas espaciales como SpaceLab, cohetes sonda, el desarrollo de sistemas espaciales como UPMsat-1 y UPMSat-2, contribuciones a misiones científicas en astronomía y estudio del sistema solar como Rosetta, EXO-Mars, Mars 2020 Rover Mission, vuelos en misiones de globos estratosféricos como Sunrise I, II y III, y el desarrollo de misiones científicas de exploración solar como ARIEL y Solar Orbiter. También hay que reseñar la fase inicial de desarrollo del satélite UPMSat-3.

El grupo STRAST lleva investigando en el área de sistemas de tiempo real crítico desde su formación en 1988. Durante este tiempo ha participado en multitud de proyectos del sector aerospacial, tanto de financiación nacional como europea y privada. Entre ellos cabe destacar el proyecto ASSERT (Automated proof-based System and Software Engineering for Real-Time applications) del sexto programa marco, coordinado por la ESA y con participación de 25 empresas y centros de investigación. También cabe destacar el proyecto OpenRavenscar y sus derivados, financiados por ESA/ESTEC, en el que se desarrolló un sistema operativo para sistemas espaciales calificado a nivel B. Este sistema se ha usado en varios satélites, entre ellos el UPMSat-2.

1. Capacidades de diseño

Diseño térmico

El IDR tiene una amplia experiencia en diseño térmico de sistemas espaciales e instrumentos científicos. Algunos proyectos recientes en este ámbito son:

• Caracterización y análisis de la atmósfera de Marte. Explotación científica del instrumento NOMAD de la misión TGO-Exomars (CIENCIANOMAD).
• Física solar desde el espacio: PHI para Solar Orbiter e iMaX y SP para Sunrise.
• Diseño termomecánico del telescope assembly de ARIEL (ARIELTA).
• TEC2SPACE-CM: Desarrollo y exploración de nuevas tecnologías para instrumentación espacial en la Comunidad de Madrid.
• Operación avanzada de pequeños satélites (OAPES-CM).

El equipo de diseño térmico estructural dispone de los equipos informáticos y herramientas de software adecuadas para llevar a cabo las tareas de diseño (ESATAN, ESARAD, NASTRAN, CATIA, GMAT, etc.).

Se está iniciando una línea de trabajo orientada al desarrollo de pruebas de ingeniería de diseño térmico mediante experimentos a bordo do globos estratosféricos (participación en el programa EXUS-BEXUS prode la ESA).

Análisis estructural

El equipo de análisis estructural del IDR tiene una amplia experiencia en simulación numérica para diseño estructural y verificación de sistemas espaciales. EL grupo dispone de las herramientas de software más utilizadas en la industria espacial europea, como MSC Nastran para análisis estructural y MSC Patran para modelado de elementos finitos.

Control de actitud.

Gracias a la experiencia adquirida en el desarrollo del control de actitud de satélites como UPMSat-1 y UPMSat-2, en el IDR se ha formado un grupo de control de actitud con experiencia en las siguientes áreas:

• Desarrollo de modelos de sensores de actitud (sensores solares, magnéticos, giróscopos…).
• Desarrollo de modelos de actuadores de actitud (magnetopares, ruedas de reacción…).
• Desarrollo de controles de actitud puramente magnéticos (tanto activos como pasivos).
• Desarrollo de algoritmos de determinación de actitud (incluido filtrado Kalman).
• Desarrollo de algoritmos de control de actitud activo en tres ejes (magnetopares y ruedas de reacción).
• Desarrollo de algoritmos de detumbling.

El IDR ha realizado también la implementación de dichos algoritmos en software de vuelo en colaboración con el grupo STRAST (Sistemas de tiempo real y arquitectura de servicios telemáticos) de la UPM.

Entre los proyectos que ha realizado el IDR + STRAST en esta área destaca la colaboración en el desarrollo del control de actitud de la misión ANSER del INTA.

Sistemas de potencia eléctrica

El grupo ha desarrollado, gracias a la misión UPMSat-2, una importante capacidad en cuanto a sistemas de potencia eléctrica de satélites. Esta capacidad se resume en:

• la integración y ensayo de paneles solares,
• la integración, ensayo, monitorización, y mantenimiento de baterías de ión-Litio para uso espacial, y
• el diseño y construcción de cableado de conexión para satélites.

A esto se ha de añadir la capacidad para la simulación, muchas veces con modelos de desarrollo propio, de sistemas de potencia eléctrica (paneles solares, baterías, conversores DC-DC), tanto de forma aislada como conjunta.

La experiencia en diseño de sistemas de potencia eléctrica del grupo se concreta en los trabajos realizados para la misión UPMSat-2, que incluyen

• El diseño del ordenador de a bordo de este satélite, que incluye el sistema de distribución eléctrica, realizado junto a la empresa TECNOBIT S.A. y el grupo STRAST de la UPM.
  Se ha de mencionar también la programación de este sistema, tanto para la gestión de la distribución de potencia eléctrica como para la adquisición de datos.
• El diseño del cableado del UPMSat-2, desde los planos CAD hasta su manufactura, el cual incluye su desarrollo plano o flattening, conexionado de cables, situación de la tierra o tensión cero (ground), conectores, montaje pantalla (shielding).
• Diseño de sistemas autónomos (esto es, no dependientes de control informático para reducir los modos de fallo), de protección térmica para las baterías, dado el riesgo que sufren a temperaturas bajas.
• El diseño del cableado exterior y de conexión de los paneles solares a partir de módulos comerciales calificados para espacio. 

 

Diseño mecánico

El IDR dispone de un grupo de diseño mecánico necesario para desarrollar los proyectos en los que está involucrado tanto de carácter espacial como aeronáutico. Entre estos proyectos se pueden citar los siguientes:

• UPMSat-2
• Diseño termomecánico del Telescope Assembly de ARIEL (ARIELTA).
• Desarrollo de un sistema de monitorización estructural basado en un microinterrogador y redes neuronales (STARGATE).
• Banco de ensayos de actitud para satélites.
• Sistema de medida multi-magnitud simultánea de alta resolución temporal y espacial para ensayos aerodinámicos y aeroelásticos en túnel de viento.
• Modelos para ensayos en túnel aerodinámico.
• Actuadores aerodinámicos activos para el control de cargas.

El grupo cuenta con las herramientas informáticas estándar en la industria (CATIA, NASTRAN, ESATAN, ESARAD, etc.).

Materiales

Fabricación y diseño de estructuras de material compuesto

Capacidad de diseño, cálculo y optimización de estructuras de material compuesto:

• Autoclave (1.5 m de diámetro, 1.2 m de profundidad).
• Prensa de platos calientes (hasta 550 ºC, 200 MPa)
• Horno con capacidad de vacío (1.5x2x1.8 m3 y hasta 400 ºC)
• Centros de mecanizado de material compuesto
• Impresora 3D para la fabricación de utillaje de altas presiones y alta temperatura (1.2x0.8x0.5 m3)
• Sicoteva.

Experiencia en el diseño, cálculo y fabricación de estructuras complejas:

• Geometrías isogrid.
• Estructuras cubesat.
• Soportes desplegables de paneles solares.

 

 

 

 

 

 

 

 

Caracterización mecánica y control de calidad.

Capacidad de caracterización de materiales y estructuras:

• 5 máquinas de ensayos universales desde 2 kN a 150 kN.
• Máquina de impacto por torre de gravedad de hasta 400 J.
• Utillaje de ensayo normalizado para compresión, cortadura y sándwich.
• Inspección por ultrasonidos con plaza reflectante.
• Inspección phased array Omniscan MX2.

Experiencia en la certificación de materiales (Laboratorio de nivel 4 de la comunidad de Madrid).

 

Sensorización y estructuras inteligentes.

• - Laboratorio óptico para la fabricación de sensores FBG.
• - Laboratorio de integración de sensores en estructuras.
• - Interrogadores de sensores FBG y PZT.
• - OBR 4600: Distributed sensing.
• - ODiSI 2.
• - Smart Layer & Smart Suitcase.
• - Estación de integración de chips fotónicos.

 

Experiencia embebiendo sensores y actuadores en estructuras de material compuesto.

Computadores y software de a bordo

El grupo STRAST tiene una amplia experiencia en el desarrollo de computadores y software de a bordo para sistemas espaciales. Entre sus líneas de investigaciíon se encuentran:

• sistemas de tiempo real,
• computadores empotrados,
• sistemas ciberfísicos,
• sistemas de alta integridad.

Entre los proyectos realizados por el grupo cabe destacar:

• ORK (Open Ravenscar Real-Time Kernel), sistema operativo para computadores embarcados calificado como nivel B según el estándar ECSS-Q-ST-40C.
• ASSERT (Automated proof-based System and Software Engineering for Real-Time applications).
• AURORA (Tool suite for AUtomatic code generation and validation of model-based critical inteROpeRAble components).

El grupo STRAST desarrolló todo el software de la misión UPMSat2, tanto el software de a bordo como el de la estación de tierra.Para ello se experimentaron técnicas como el desarrollo basado en modelos (MBD), generación automática de código y validación con PIL (Processor In the Loop) y HIL (Hardware In the Loop). Además se desarrolló y sintetizó el SoC (System On-Chip) para el computador embarcado (OBC) a partir de bibliotecas de IP Cores en VHDL.

La estación de tierra se desarrolló utilizando la base de datos no-SQL Cassandra, que permite replicar fácilmente el sistema y realizar comunicaciones seguras. La interfaz web está basada en Django y Python. El software de interfaz de generación de telecomandos y decodificación de telemetría está desarrollado en Ada como el software de vuelo.

Actualmente, STRAST e IDR trabajan conjuntamente en el desarrollo y validación de algoritmos de ADCS (Attitude Determination and Control System) para la constelación de nanosatélites ANSER (Advanced Nanosatellites Systems for Earth Observation Research). También colaboran en experimentos de globos estratosféricos, en los proyectos TASEC-Lab y HERCCULES, donde STRAST se encarga de diseñar los computadores de a bordo, a partir de componentes COTS, y el software de ambas misiones.

2. Infraestructura

Equipos para pruebas de vibraciones

El IDR cuenta con una sala de pruebas de vibraciones con dos vibradores electrodinámicos orientados a la calificación estructural de sistemas espaciales.

El vibrador principal es un V18/DPA 20K de Ling Dynamic Systems (LDS), con una capaciad de carga de 17 792 N. El vibrador secundario es un V400LT/DSA5-10K de la empresa Data Physics, con una capacidad de carga de 7325 N.

El equipo de pruebas de vibraciones de IDR tiene una amplia experiencia en la calificación de sistemas para empresas como PLD Space, DHVm AMSAT, EMXYS e IENAI. La campaña de vibraciones previa al vuelo del satélite UPMSat-2 se llevó a cabo con éxito en el vibrador principal, y algunos de los subsistemas se probaron también con el vibrador secundario con el fin de conseguir su calificación estructural.

    

Vibrador V810 / DPA 20K de Ling Dynamic Systems (LDS).

Cámara de vacío térmica (TVAC)

La instalación de ensayos térmicos en vacío está situada en el campus de Montegancedo, en el  edificio del Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM).

Especificaciones

• Rango de presiones: Desde presión ambiental hasta 5×10^-7
  • Para ensayos en alto vacío el sistema térmico funciona a presiones inferiores a 5×10^-3
  • Para ensayos en atmósferas enrarecidas (desde 0.1 hasta 700 mbar) el sistema térmico funciona con potencia limitada.
• Rango de temperaturas: -150 ºC a 180 ºC.
• Tiempo hasta alcanzar alto vacío: Menos de 180 min para alcanzar 1×10^-5 mbar en condiciones normales.
• Sistema de vacío compuesto por bomba primaria sin aceite, bomba turbomolecular y trampa fría configurable desde -150 ºC a -170 ºC.
• Velocidad de cambio de temperatura: Hasta de 3 ºC por minuto en condiciones normales.
• Estabilidad de la temperatura en condiciones estacionarias: Variaciones menores de ±1 ºC.
• Uniformidad de la temperatura sin espécimen y en condiciones estacionarias: Variaciones menores de ±3 ºC (camisa) y menores de ±1 ºC (placa base).
• TQCM para tests de outgassing y bake-out

Ensayos Hardware -in -the-Loop (HIL) del Sistema de control de actitud (ADCS)

El IDR ha recibido una ayuda para la adquisición de equipamiento en la convocatoria de Equipamiento Científico-Técnico 2021 (financiada por MCIN/ AEI/10.13039/501100011033/ y por la “Unión Europea NextGenerationEU/PRTR”.) para la adquisición de un banco de ensayos de actitud para satélites (EQC2021-007549-P). La ayuda concedida permitirá que para mediados de 2023 el IDR disponga de uno de los bancos de ensayos de actitud más avanzados de España, con capacidad para realizar ensayos HIL de actitud reproduciendo las condiciones ambientales de libertad de giro, iluminación (sol y estrellas), campo magnético y GPS que vería un satélite en órbita. En la figura se muestra un banco de ensayos con prestaciones equivalentes al que se adquirirá con la ayuda.

 

Estación terrena

IDR y STRAST han desarrollado una estación terrena para el seguimiento de satélites, que se encuentra localizada en el Campus de Montegancedo de la UPM. La estación contiene dos cadenas de UHF:

• Cadena símplex, que opera en la banda de radiofrecuencia para operaciones espaciales en el sentido espacio-tierra (401–403 MHz).
  • Antena Yagi cruzada UHF
  • Receptor Airspy (radio definida por software)
  • LNA (low noise amplifier) y filtro
• Cadena semidúplex, que opera en la banda de radioaficionados de 420–450 MHz
  • Antena Yagi X-Quad
  • Transceptor Kenwood TS-2000
  • LNA (low noise amplifier) y filtro
  • HPA (high-power amplifier) opcinoal en transmisión

La orientación de ambas antenas (azimut y elevación) se controla mediante un rotor Alpha Spid, con una resolución de 0.1grados. El software de seguimiento está basado en el software Ham Radio Deluxe.

La figura muestra la arquitectura del software de la estación terrena. Actualmente se están desarrollando las siguientes mejoras, dentro del programa OAPES:

• Despliegue automático para computación en nube
• Herramientas de visualización avanzadas
• Generación automática de componentes de integración y contenido de la base datos a partir de los mensajes de telemetría recibidos.

 

Ingeniería y diseño concurrente