Minimización de Vibraciones en Satélites para Mejorar el Rendimiento de Misiones

En el campo de la tecnología espacial, Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) ha sido socio de la Agencia Espacial Europea (ESA) por muchos años. Un foco de su investigación conjunta es eliminar emisiones de vibración originadas por componentes a bordo de satélites. Además de limitar la precisión del control de actitud para satélites, estas micro-vibraciones conducen a mayor consumo de energía y (en el caso de misiones de imagen) causan deterioro de la calidad de imagen.

Enfoques: Modelos Numéricos, Mitigación Activo-Pasiva y Algoritmos

Hay diferentes formas de contrarrestar vibraciones no deseadas ya sea en la fuente o en la carga útil. Como parte de su exploración de diferentes enfoques, CSEM actualmente tiene varios proyectos enfocados en modelos numéricos, mitigación activo-pasiva y muescas basadas en algoritmos. En uno de estos proyectos, CSEM y sus socios trabajan con una tecnología innovadora basada en levitación magnética.

Rueda de Reacción con Rodamiento Magnético

"Con soporte de tecnología de medición Kistler, examinamos un prototipo de rueda de reacción con rodamiento magnético", dijo Leopoldo Rossini, quien dirige la instalación de micro-vibración en CSEM. "Esta tecnología de Celeroton, una compañía suiza, ofrece muchas ventajas como ausencia de fricción, vida útil virtualmente infinita, la posibilidad de suprimir activamente vibraciones no deseadas por control, y la oportunidad de lograr mayor rendimiento a mayores velocidades", añadió Rossini.

Cadena de Medición de Alta Precisión

Los ingenieros de CSEM usan una cadena de medición de Kistler para examinar las vibraciones del prototipo de rueda de reacción. El dinamómetro personalizado comprende cuatro sensores de fuerza de tres componentes montados en sándwich entre dos placas de acero — un diseño que logra máxima rigidez mecánica. Este instrumento de medición se monta sobre un bloque de granito suspendido sobre cuatro aisladores neumáticos para que las influencias ambientales se eliminen en la medida de lo posible.

Como las micro-vibraciones ocurren en el rango de milinewtons, se requiere una cadena de medición altamente sensible con muy bajo ruido. Actuadores como un motor paso a paso y un criorefrigerador pueden colocarse en la mesa de instrumentación para realizar las mediciones deseadas.

Resultados: Supresión de Vibraciones a Casi Cero

Para el prototipo de rueda de reacción levitada magnéticamente, se cubrió un rango de velocidad de –20.000 a 20.000 rpm. Esto permitió la caracterización completa de la efectividad de un algoritmo de rechazo de fuerza multi-armónico capaz de suprimir las principales vibraciones generadas durante la operación. "La ausencia de contacto físico debido a la levitación magnética abre oportunidades muy interesantes", según Guzmán Borque Gallego, Ingeniero de I+D en CSEM. "Nos deja casi libres para posicionar el rotor de tal manera que las vibraciones se minimicen — por ejemplo, dejando que el rotor gire sobre su eje principal de inercia para suprimir cualquier vibración relacionada con el desbalance del rotor, lo que reduce estas emisiones a casi cero", dijo.

"El equipo de Kistler es ideal, y nos proporcionó resultados de muy alta calidad", dijo Borque Gallego. "Medimos fuerzas bastante pequeñas en el rango de milinewtons — pero incluso en micronewtons, aún podemos ver diferencias. Esto permite un juicio cómodo de todas las mediciones, llevando a datos de alta calidad en el proceso."

La adquisición de datos se maneja por un sistema de prototipado rápido a 20 kHz y gracias a las mediciones precisas, el efecto del algoritmo de control puede identificarse claramente.

Aunque los investigadores inicialmente pretendían usar el moderno LabAmp 5167A con salida digital, finalmente optaron por el amplificador de carga 5080A de Kistler, que permite mediciones aún más precisas y tiene mayor capacidad en tiempo real debido a transmisión de señal analógica.

"Nos complace tener nueva tecnología de Kistler aquí, porque nuestros socios en ESA y Alemania también la usan para propósitos de calificación", añadió Rossini. "Este equipo es muy robusto y no se rompió incluso cuando se estresó más allá de las restricciones dadas. Ahora que ha probado sus habilidades, definitivamente lo usaremos para futuros proyectos en el campo de caracterización de vibraciones — donde ya operamos acelerómetros de Kistler."

"Las ventajas de ruedas de reacción con rodamiento magnético son obvias: pueden generar vibraciones mucho más bajas y girar más rápido que ruedas convencionales — lo que significa rendimiento mejorado así como tamaño y peso reducidos. Y gracias a la ausencia de fricción, no hay desgaste y la vida útil de la rueda es virtualmente ilimitada", dijo Borque Gallego. "Este es un proyecto fascinante, y esperamos avanzar a los próximos pasos: uso práctico, pruebas, y tal vez incluso validación junto con nuestros socios."