Fabricación de prototipo de subsistemas de propulsión para un nanosatélite tipo CubeSat-3U, fase 2

Abstract

La exploración de órbitas superiores a la órbita baja de la Tierra es inaccesible para nanosatélites tipo CubeSat-3U, lo cual disminuye el impacto y la relevancia de sus misiones. Un propulsor iónico puede permitir un cambio de órbita. En este trabajo, se diseñó un prototipo de un propulsor iónico con un tanque de almacenamiento metálico, una válvula solenoide y un sistema de ionización. El prototipo incluyó un tanque metálico de aluminio 6061 con un factor de seguridad de 295, considerando las condiciones de la órbita baja terrestre; una solenoide comercial montada en un bloque de paso, realizado en manufactura aditiva con resina fotocurable de 450 nm; y un sistema de ionización conformado por dos pistolas de electrones, dos aros magnéticos y un sistema de rejillas energizadas. Para obtener los datos del empuje entregado, se realizaron 6 pruebas de desplazamiento de una hoja de papel que se modeló como un péndulo con una masa puntual. La prueba 6, realizada con un hoja de 2.06 g, entregó un empuje de 6.11 mN. Con base en este dato, se calcularon los datos de impulso específico y cambio de velocidad para el satélite, el prototipo entregó un impulso específico de 10.54 s. Este ocasiona un cambio de velocidad en órbita de 43.02 m/s para el satélite 3U. Las características del propulsor desarrollado son de 220.00 mm de largo (eje Z); 88.90 de ancho y alto (eje X y Y); capacidad de almacenamiento de 0.817 kg de aire; y una masa total de 1.835 kg. Además, cuenta con un sistema de accionamiento remoto que consiste en un emisor y un receptor IR (infrarrojo).

The exploration of orbits higher than low Earth orbit is inaccessible for CubeSat-3U nanosatellites, which reduces the impact and relevance of their missions. An ion thruster could enable an orbit change. In this work, a prototype of an ion thruster was designed with a metallic storage tank, a solenoid valve, and an ionization system. The prototype included a 6061 aluminum metallic tank with a safety factor of 295, considering the conditions of the low Earth orbit; a commercial solenoid mounted on a pass block, made using additive manufacturing with 450 nm photopolymer resin; and an ionization system consisting of two electron guns, two magnetic rings, and an energized grid system. To obtain thrust data, 6 tests were conducted by displacing a paper sheet modeled as a pendulum with a point mass. Test 6, performed with a 2.06 g sheet, delivered a thrust of 6.11 mN. Based on this data, specific impulse and velocity change data for the satellite were calculated, and the prototype provided a specific impulse of 10.54 s. This results in an orbital velocity change of 43.02 m/s for the 3U satellite. The developed thruster has 220.00 mm in length (Z-axis); 88.90 mm in width and height (X and Y axes); air storage capacity of 0.817 kg; and a total mass of 1.835 kg. It also features a remote actuation system consisting of an emitter and an IR (infrared) receiver.