DISEÑO MECÁNICO

 


Características mecánicas de las antenas en satélites.

Materiales.

Análisis estructural.


 

Características mecánicas de las antenas en satélites.

 

    Las características fundamentales que todas las antenas embarcadas en satélites deben tener son su ligereza, su alta rigidez y su resistencia a deformaciones ante variaciones térmicas. Estas características son necesarias tanto en el lanzamiento como una vez que nos encontremos en el espacio. En las líneas que siguen trataremos de describir cómo afectan a  las antenas las condiciones del entorno exterior.

Durante el lanzamiento

  Se utilizan básicamente materiales compuestos para formar la estructura por su ligereza, alta resistencia, y alta rigidez. Las estructuras que se usan mayoritariamente son desplegables, estando la antena plegada durante el despegue y desplegándose una vez en el espacio. Otro de los puntos críticos en el diseño de la antena es la vibración . La vibración abarca un amplio rango de frecuencias y los picos de aceleración alcanzan varios cientos de m/s^2. Para evitar que se produzca un fenómeno de resonancia con un alto nivel de energía de vibración por el lanzamiento, se diseña la antena de tal forma que su frecuencia de resonancia más baja ronde los 30-50 Hz. Para llevar a cabo dicho objetivo se requieren materiales estructurales con un alto módulo específico.

En el espacio 

    El espacio se caracteriza por una presión extremadamente baja (del orden de 10^-6 Pa en una órbita de 500 Km) y por bajísimas temperaturas (aproximadamente -200ºC sin ninguna radiación solar en una órbita geoestacionaria). El empleo de materiales compuestos que contienen polímeros hace que la transferencia de calor sea complicada dada la baja conductividad calorífica de éstos. No obstante, la suma de las bajas temperaturas y de la radiación solar en el espacio producen zonas de alta y baja temperatura en la misma antena, lo que conlleva a una degradación de los materiales y a una deformación de la antena. Para evitar esta degradación la antena es controlada térmicamente y se emplean materiales con bajo coeficiente de dilatación. En lo que respecta a la degradación del material, se produce por la colisión de protones y de electrones . En general metales y cerámicas presentan una buena resistencia frente a la radiación mientras que los materiales químicos son más vulnerables porque su estructura molecular cambia fácilmente.

 

Materiales

 

Las antenas de satélites necesitan satisfacer los siguientes requerimientos además de los de peso y volumen:

Para conseguir estas necesidades, se utilizan materiales tales como la fibra de carbono reforzada con plástico (CFRP), fibra de kevlar reforzada con plástico (KFRP), titanio y aluminio.

CFRP

    El CFRP es un material ampliamente usado, hecho a partir de fibras de carbono y resina epoxy. El CFRP tiene como propiedades más importantes el módulo específico y coeficiente de dilatación; además, la resina epoxy posee una buena resistencia frente a la radiación exterior. Otra de las características del CFRP es la flexibilidad a la hora de controlar propiedades tales como rigidez y coeficiente de dilatación. Las fibras de carbono empleadas en las CFRP se clasifican en dos grupos:las fibras de alta fuerza ténsil y las de alto módulo. Las principales propiedades de las fibras de ambos grupos se muestran en la Tabla que sigue:

 

Tipo

Propiedad

Fibra con alta fuerza ténsil Fibra con gran módulo
Fuerza Ténsil (Mpa) 3.0 * 1 0 3 2.4 * 1 0 3
Módulo Ténsil (Mpa) 2.3* 1 0 5 4.0 *103
Gravedad específica 1.75 1.81
Coeficiente de expansión

(10^-6/ ºC)

-0.7 -1.2

                                              

El uso de este tipo de fibras es muy variado y va desde las superficies reflectoras hasta los tubos, pasando por todo tipo de partes estructurales de la antena.

KFRP

El KFRP es también un material compuesto, hecho de Kevlar y resina epoxy(el Kevlar es una especie de "aramid fiber") . Es inferior a la CFRP  en cuanto a módulo específico y coeficiente de dilatación, pero como contrapartida posee unas pérdidas de transmisión inferiores:

                                     

    Por esta razón el KFRP se usa como substrato en las antenas impresas, superficies selectivas en frecuencia, redes de polarización, etc.(por citar una aplicación del KFRP podríamos mencionar el reflector con mallado dual).

TITANIO

El titanio se utiliza para aquellos soportes o juntas de la antena con fomas complejas para los que el CFRP no sirve. Aprvechamos así la alta resistencia ténsil específica del titanio y su bajo coeficiente de dilatación. El titanio por tener un coeficiente de dilatación menor que la mitad del que tiene el aluminio se emplea junto con el CFRP.

ALUMINIO

Pese a que el aluminio es el material estrella para estructuras aero y astronáuticas, sus aplicaciones en antenas son escasas dado su alto coeficiente de dilatación.

MATERIALES DEL FUTURO

A lo largo de la historia  de las antenas espaciales se ha tendido cada vez más hacia materiales con mayor módulo ténsil por su estrecha relación con el peso de la antena y por el deseo cada vez mayor de hacer antenas más y más ligeras. La FRM (Fiber Reinforced Metal) es un material compuesto de metales y fibras. El metal empleado básicamente es el aluminio, y las fibras son bien fibra de carbono(C), bien tungsteno(BW), bien silicio con carbono(SiC) o bien fibra de aluminio(AL2O3). Las características de la FRM superan a las de la CFRP y las del aluminio y se espera que los sustituya en prácticamente la mayoría de las aplicaciones.

 

Análisis y diseño estructural.

 

El diseño estructural consiste en satisfacer los rquerimientos de resistencia y rigidez; consiste principalmente en un análisis de de presión y de rigidez.

Análisis de presión

El análisis se realiza sometiendo a la estructura a diferentes tipos de cargas: cargas en vacío, en lanzamiento, en el despliegue, cargas térmicas...Para este tipo de análisis se pueden usar programas de análisis estructural tales como el NASTRAN desarrollado por la NASA

Análisis de rigidez

La antena del satélite se somete a una carga de vibración durante el despegue del cohete. La magnitud de dicha carga depende de las frecuencias naturales tanto del satélite como de la antena. Es peligroso que la antena posea frecuencias naturales dentro de la banda de frecuencias del satélite así que se diseñan las frecuencias de la antena dos o tres veces por encima de las del satélite (unos 10 Hz en el lanzamiento y unos 2 o 3 Hz en el control de estabilización). Este tipo de análisis también se puede llevar a cabo mediante programas de simulación como el NASTRAN citado con anterioridad.

 


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