Deseño dunha constelación de CubeSats destinada á monitorización de plásticos en océanos
| Data de defensa | 24/02/2023 |
| Titulación | Grao en Enxeñaría Aeroespacial |
| Centro | Escola de Enxeñaría Aeronáutica e do Espazo |
| Dirección |
Titoría: Guillermo David Rey González Cotitoría: Carlos Ulloa Sande |
| Tribunal |
Vogalía: Ricardo Javier Bendaña Jácome Secretaría: José Luís Alonso González Presidencia: Ana Belén Albo López |
| Resumo | Este Traballo de Fin de Grao estuda en profundidade a construción da arquitectura dunha constelación de CubeSats destinados á monitorización de plásticos en océanos. O seu obxectivo principal é o deseño da constelación, unha tarefa que envolve diversos aspectos como decidir a cantidade de CubeSats que operarán en dita constelación e o tipo de órbita que estes describirán ao redor da Terra. Todas as decisións levadas a cabo durante a elaboración deste proxecto foron tomadas coa intención de cumprir un tempo de revisita sobre as localizacións de interese igual a 3 h, un obxectivo que debe ser acadado a toda costa. Os subsistemas requiridos para obter as metas da misión tamén son estudados xunto coa determinación dos modos de operación que cada CubeSat terá que desempeñar. Empezando co deseño da constelación, a carga de pago escollida é unha cámara destinada a observación das áreas de interese, co propósito de atopar illas de plástico e desfeitos mariños. Logo, determínase que os CubeSats operando nesta constelación han de executar órbitas heliosíncronas ao redor da Terra, debido a que estas constitúen o único tipo de órbita que se atopa sempre na mesma posición relativa ao Sol, garantindo desta maneira que os CubeSats observen a superficie terrestre á mesma franxa horaria do día. Isto é algo esencial a hora de comparar as imaxes obtidas. As áreas de interese son escollidas e os tempos de revisita medios son calculados. Estes últimos deben ser inferiores a 3 horas para poder acadar a meta previamente fixada. Para as localizacións estudadas, San Diego e a Ría de Vigo son as escollidas, obtendo un valor de revisita medio igual a 2,86 horas e 2,45 horas, respectivamente. Estes valores son acadados con unha constelación de 8 CubeSats que orbitan en 4 planos diferentes. Cando latitudes polares e ecuatoriais son consideradas neste análise, o número de satélites requirido aumenta, cambiando a estrutura da constelación a un número de 10 CubeSats orbitando en 5 planos diferentes. O tempo de revisita medio e igual a 2,30 horas para San Diego, 1,96 horas para Vigo, 1,12 horas para a latitude polar e 2,76 horas para a latitude ecuatorial. Para rematar esta sección do proxecto, a estación terrea é escollida. Tras a determinación da arquitectura da órbita, a superficie total estudada pola constelación é calculada. Non obstante, primeiro é necesario determinar os modos operacionais que cada CubeSat terá que levar a cabo. Cada un conta con 5 modos diferentes, modo seguro, modo de observación, modo nominal, modo de comunicación e modo de reorientación. O modo seguro non se ten en conta para ningún dos cálculos relativos ao tempo de actuación, debido a que este soamente terá lugar cando o CubeSat traballe baixo condicións anormais. Unha vez dito isto, o tempo que cada satélite investirá no modo de observación é igual a 25,51 segundos, 5005,83 s no modo nominal, 296,687 s no modo de comunicación e 72 s no modo de reorientación, todo isto considerando un tempo total de 5400s que corresponde co tempo que un satélite necesita para dar unha volta ao redor da Terra. Aspectos como a cantidade e o tamaño das imaxes tomadas pola cámara son empregados para calcular a superficie observada, xunto coa velocidade de descarga do TTC para o subsistema de comunicación escollido. Cada CubeSat toma 10 imaxes por cada pase que realiza sobre as áreas de interese, e a franxa observada é igual a 160 km, requirindo ao menos 50 s para enviar todas as imaxes tomadas á estación terrea. Todo isto en combinación co obxectivo de 3 h de revisita resulta en un total de 1280km observados nun día e 467200 km observados nun ano, por localización estudada. O resto de subsistemas incluídos en cada CubeSat tamén son determinados neste proxecto. Ambos presupostos de masa e potencia son estudados para encaixar dentro dos CubeSats 6U escollidos, xunto co cálculo de área de paneis solares necesaria para producir a enerxía consumida polos CubeSats durante os períodos de eclipse, e o cálculo da capacidade das baterías. Ambos subsistemas térmicos e o blindaxe dos satélites tamén son definidos. Toda a información obtida ten como resultado unha constelación de 10 CubeSats que traballan en 5 órbitas heliosíncronas diferentes, acadando así o obxectivo de revisita de 3 h. Cada un deles require paneis solares en ambas caras X e Y e unha capacidade da batería igual a 13,2 Wh. A constelación descrita neste Traballo Fin de Grao pode ser adaptada perfectamente para outras misións de observación terrestre a través de cambios mínimos no modelo suxerido. |