Eliminación de las emisiones de vibraciones a bordo de los satélites

En el campo de la tecnología espacial, Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) ha sido socio de la Agencia Espacial Europea (ESA) durante muchos años. Un enfoque de su investigación conjunta es eliminar las emisiones de vibraciones que se originan en los componentes a bordo de los satélites. Además de limitar la precisión del control de actitud de los satélites, estas microvibraciones conducen a un mayor consumo de energía y (en el caso de las misiones de generación de imágenes) provocan el deterioro de la calidad de la imagen.

Existen diferentes formas de contrarrestar las 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 centrados en modelos numéricos, mitigación activa-pasiva y muescas basadas en algoritmos. En uno de estos proyectos, CSEM y sus socios están trabajando con una tecnología innovadora basada en la levitación magnética.

“Con el apoyo de la tecnología de medición de Kistler, examinamos un prototipo de rueda de reacción con un cojinete magnético”, dijo Leopoldo Rossini, quien dirige la instalación de microvibraciones en CSEM. “Esta tecnología de Celeroton, una empresa suiza, ofrece muchas ventajas, como la ausencia de fricción, una vida útil prácticamente infinita, la posibilidad de suprimir activamente las vibraciones no deseadas mediante el control y la oportunidad de lograr un mayor rendimiento a velocidades más altas”, agregó Rossini.

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

Debido a que las microvibraciones ocurren en el rango de milinewton, se requiere una cadena de medición altamente sensible con muy poco ruido. Los actuadores, como un motor paso a paso y un enfriador criogénico, se pueden colocar en la mesa de instrumentación para realizar las mediciones deseadas.

Para el prototipo de rueda de reacción de levitación magnética, se cubrió un rango de velocidad de -20 000 a 20 000 rpm. Esto permitió una caracterización completa de la efectividad de un algoritmo de rechazo de fuerza de múltiples armónicos capaz de suprimir las principales vibraciones generadas durante la operación. “La falta de contacto físico debido a la levitación magnética abre algunas oportunidades muy interesantes”, según Guzmán Borque Gallego, ingeniero de I+D del CSEM. “Nos deja casi libres para colocar el rotor de tal manera que las vibraciones se minimicen, por ejemplo, al permitir que el rotor gire sobre su eje principal de inercia para suprimir cualquier vibración relacionada con el desequilibrio del rotor, lo que reduce estas emisiones a casi cero”, dijo.

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“El equipo de Kistler es ideal y nos brindó resultados de muy alta calidad”, dijo Borque Gallego. “Estamos midiendo fuerzas bastante pequeñas en el rango de milinewtons, pero incluso en micronewtons, todavía podemos ver diferencias. Esto permite un juicio cómodo de todas las mediciones, lo que genera datos de alta calidad en el proceso”.

La adquisición de datos está a cargo de un sistema de creación rápida de prototipos a 20 kHz y, gracias a las mediciones precisas, se puede identificar claramente el efecto del algoritmo de control.

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

“Estamos encantados de tener aquí la nueva tecnología de Kistler, porque nuestros socios en la ESA y en Alemania también la utilizan con fines de calificación”, agregó Rossini. “Este equipo es muy robusto y no se descompuso incluso cuando se estresó más allá de las limitaciones dadas. Ahora que ha demostrado sus habilidades, definitivamente lo usaremos para futuros proyectos en el campo de la caracterización de vibraciones, donde ya operamos acelerómetros de Kistler”.

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

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