Cámaras de Simulación del Espacio

Las extremas condiciones ambientales a los que se exponen los equipos espaciales a lo largo de su vida útil exigen los más elevados estándares en cuanto a materiales y fiabilidad del sistema. El único modo de asegurar la vida de una astronave es mediante la realización de un minucioso proceso de ensayos. El principal propósito de tan exhaustivo ensayo es minimizar los riesgos, ya que el coste de un satélite de tamaño medio se mide en cientos de millones de euros.

¿Qué significa "simulación espacial"?

La simulación física de todo satélite se debe aproximar razonablemente a las condiciones físicas en las cuales deberá funcionar:

En el espacio, lejos de la superficie terrestre, la presión se encuentra alrededor de 1·10^-13 mbar  y la temperatura a unos 4ºK, considerando sólo la temperatura por radiación, ya que en sentido óptico el espacio es virtualmente opaco. Además, el espacio alrededor de la Tierra recibe radiación procedente del Sol, la Tierra y el resto de cuerpos celestes. A 150Km de altura y 60º sobre el Ecuador terrestre la radiación solar tiene una intensidad cercana a 1.4 kW/m2, la radiación solar reflejada en la Tierra alrededor de 0.39 kW/m2 y la radiación generada por la Tierra por efecto de su propia temperatura cerca de 0.26 kW/m2. La distribución espectral de la luz solar y su reflejo sobre la Tierra corresponden a la de un cuerpo negro a 6000K, mientras que la radiación natural de la Tierra corresponde a la de cuerpo negro a 260K. La radiación solar directa se puede considerar constante en el tiempo, pero la radiación natural de la Tierra y la radiación solar reflejada en ella varían sensiblemente con la situación meteorológica (presencia o no de nubes) en ella así como con la latitud y la altura sobre su superficie. Finalmente, a estas radiaciones de luz visible e infra-roja se añaden otras radiaciones electromagnéticas presentes en el espacio y flujos de partículas sin carga (meteoritos) de intensidad y velocidad variables.

La simulación de tan complejas y variables condiciones ambientales resulta tecnológicamente inviable, por lo que las cámaras de simulación espacial suelen restringirse a la simulación de vacío hasta 1·10^-7 mbar, frío y radiaciones visibles e infrarrojas (-180ºC / +150ºC)

¿Cómo es una cámara de simulación?

Una cámara está estructurada en cuatro bloques funcionales básicos o subsistemas:

Cámara de ensayo

Constituye el cuerpo exterior de la cámara de vacío. Se fabrica en acero inoxidable soldado para permitir niveles de alto vacío (1·10^-7 mbar) en su interior. Consta también de una puerta, destinada a la introducción y salida de los equipos a analizar, el instrumental de ensayo y el personal.

Subsistema de vacío

Destinado a conseguir niveles de alto vació en el interior de la cámara mediante la combinación de un grupo de vacío preliminar, así como de un grupo de alto vacío compuesto de bombas criogénicas y turbomoleculares.

Subsistema térmico

Constituido por una serie de paneles con tecnología criogénica (shrouds) que recubren todas las paredes interiores de la cámara siendo ópticamente opacos. Generan un volumen homotético al de la envolvente. El rango de temperaturas de ensayo se obtiene mediante una unidad de control térmico, recirculándose un fluido térmico adecuado para todo el rango de temperaturas. El enfriamiento se consigue mediante intercambio térmico con nitrógeno líquido (LN2). El calentamiento mediante intercambiador con resistencias eléctricas.

Subsistema de control

Arquitectura compleja del sistema de control, con varios PLC's en red, pantallas táctiles para control local y PCs del sistema de supervisión y adquisición de datos.

¿Cómo funciona?

La simulación espacial se lleva a cabo con diferentes ensayos, cada uno de ellos destinado al estudio de diferentes parámetros de importancia en el desarrollo de un nuevo satélite. Los ensayos térmicos incluyen ciclados así como tests en equilibrio o estado estacionario. Los ciclos térmicos se idean para confirmar la adecuación de los componentes y del elemento al completo, mientras que los ensayos térmicos en equilibrio se dedican a comprobar la validez del comportamiento térmico del instrumento. Los ensayos permiten establecer su expansión térmica, coeficientes de calentamiento, contracción y puntos débiles, además de simular y calcular los efectos de la luz solar, bajas temperaturas y los daños resultantes al material.

Entre estos ensayos destacan:

• Tests de vacío térmico: En ellos se combinan condiciones de alto vacío y ciclos de temperatura comprendidos entre -180º C y +150º C. Suelen destinarse al análisis de defectos estructurales en materiales que aparecen bajo los efectos de la fatiga térmica y las desgasificaciones.
• Tests de equilibrio térmico: Se simula la radiación solar en condiciones de alto vacío sobre el elemento objeto de estudio con el fin de determinar la distribución y gradientes de temperaturas que se establecen en condiciones de operación.
• Tests de resistencia a radiación solar e infrarroja.
• Tests mecánicos: Medidas de parámetros mecánicos como tensiones y deformaciones en los diferentes estados de carga de los componentes estructurales. Para dichos estudios se utilizan, entre otras técnicas la fotogrametría.