Diseño y fabricación de la estructura para el nanosatélite Quetzal-2

Abstract

En la actualidad, el desarrollo de CubeSats ha llevado a una proliferación de la producción de los componentes necesarios para su integración. La elaboración del Quetzal-2 trae consigo una oportunidad en el desarrollo de la investigación y aplicación de tecnologías espaciales en Guatemala. Por lo tanto, en el presente trabajo se expone el proceso de diseño y fabricación de la estructura de un CubeSat 2U. Para ello, se realizó un proceso de identificación de necesidades y requisitos por cumplir, revisando la documentación de CalPoly, SpaceX y Exolaunch, para poder realizar un diseño propuesto para cumplirlos. Para validar la funcionalidad de la estructura bajo las condiciones de operación esperadas, se realizaron cálculos analíticos y simulaciones considerando cargas establecidas. Para las simulaciones, se consideró un caso conservador donde los elementos que conforman el satélite se le atribuyó la masa máxima permisible, por si se llegara a presentar la situación. Se obtuvo un factor de seguridad de 153 contra la fluencia en compresión en el análisis estático y un coeficiente balístico de 30.92 kg/m2 considerando la masa actual, de 1.7 kg y 85.36 kg/m2 en el caso donde la masa es máxima, de 4.0 kg. En las simulaciones de compresión, presión y aceleración se observó un factor de seguridad de por lo menos 15 en todos los casos, un esfuerzo equivalente de von Mises máximo de 12.89 MPa, experimentado durante la despresurización del satélite y primeros modos de vibración superiores a 30 Hz considerando masas combinadas para los módulos de potencia, deorbitamiento, cómputo, cámara y posicionamiento de 1.5 kg y 3.7 kg. Finalmente, se logró diseñar y prototipar una estructura de CubeSat 2U, se definieron un conjunto de requisitos por cumplir, se verificó el cumplimiento de dichos requisitos mediante cálculos y simulaciones y se realizó un modelo CAD que permite la integración digital de módulos a las estructura.

Currently, the development of CubeSats has led to a proliferation in the production of the components required for their integration. The development of Quetzal-2 presents an opportunity to advance research and the application of space technologies in Guatemala. Therefore, this work presents the design and manufacturing process of a 2U CubeSat structure.

To achieve this, a process of identifying needs and requirements was carried out through a review of the documentation provided by Cal Poly, SpaceX, and Exolaunch, enabling the development of a proposed design that met these specifications. To validate the functionality of the structure under the expected operating conditions, analytical calculations and simulations were performed considering the prescribed loading scenarios. For the simulations, a conservative case was adopted in which the maximum allowable mass was assigned to the satellite components to account for a potential worst-case scenario.

A safety factor of 153 against compressive yielding was obtained through static analysis, along with a ballistic coefficient of 30.92 kg/m² considering the current mass of 1.7 kg, and 85.36 kg/m² for the maximum mass case of 4.0 kg. Compression, pressure, and acceleration simulations showed a safety factor of at least 15 in all cases, a maximum von Mises equivalent stress of 12.89 MPa experienced during satellite depressurization, and first vibration modes above 30 Hz for combined masses of 1.5 kg and 3.7 kg corresponding to the power, deorbiting, computing, imaging, and positioning modules.

Ultimately, a 2U CubeSat structure was successfully designed and prototyped. A comprehensive set of design requirements was established, compliance with these requirements was verified through calculations and simulations, and a CAD model was developed to enable the digital integration of satellite modules into the structure.