AIT, Calificación Vibratoria y Ensayos TVAC

Bajo ECSS-E-ST-10-03C y las normas institucionales de verificación de CubeSats, el hardware avanza desde un Modelo de Ingeniería (EM) de banco hasta un Modelo de Calificación (QM) dedicado o —en la mayoría de equipos pequeños— un Modelo Protovuelo (PFM), donde la unidad de vuelo se ensaya a niveles de calificación durante tiempos de aceptación. Los presupuestos acoplados aplican contingencias por madurez (+20 % diseño nuevo, +10 % modificado, +5 % COTS de vuelo) con ≥10–15 % de reserva de masa y ≥15–20 % de margen energético orbital en la Revisión Preliminar.

Los registros históricos demuestran por qué la verificación integrada es irrenunciable. Entre el 20 % y el 35 % de los primeros nanosatélites universitarios resultaron perdidos al llegar a órbita (DOA), y en la auditoría SQ-R-004 de 32 anomalías verificadas de hardware en CubeSats y PocketQubes, el 65,6 % (21 de 32; intervalo de confianza al 95 %: 48,3 %–79,6 %) tuvo origen en materiales, interfaces, interconexiones o celdas electroquímicas. Los mecanismos de despliegue (47,6 %, 10 de 21) y las baterías Li-ion/Li-Po (33,3 %, 7 de 21) concentraron el 81,0 % (17 de 21), manifestándose el 71,4 % (15 de 21) antes o en el día orbital 60 (mediana: día 1).

Esa misma auditoría concluyó que los ensayos ambientales estándar en tierra —despliegue en termo-vacío, ciclado TVAC de celdas, vibración aleatoria seguida de permanencia funcional en vacío y filtración de propelente— habrían detectado plausiblemente el 90,5 % (19 de 21) de los fallos antes del lanzamiento, aunque el 66,7 % (14 de 21) de los informes públicos omite si se ejecutaron. Combinar ensayos ambientales con una simulación ininterrumpida de 48–72 horas "Un Día en la Vida" (DITL) en configuración de vuelo —apéndices plegados, interruptores pulsados, temporizadores FRAM activos y decodificación RF atenuada— detecta más del 80 % de los defectos de software e interfaz.

Los proveedores de lanzamiento exigen una frecuencia natural fundamental f₁ ≥ 100–120 Hz a nivel satélite —y ≥200 Hz en subsistemas y tarjetas electrónicas internas— para evitar el acoplamiento resonante con los transitorios de baja frecuencia del cohete y mantener las deflexiones dentro de los márgenes mecánicos. Mientras un CubeSat reparte las cargas entre cuatro rieles de esquina, un PocketQube queda en voladizo sobre una única placa base deslizante de 1,6 mm.

Al estar fijado el espesor h = 1,6 mm por las guías de AlbaPod y PicoBus, la rigidez a flexión D = E·h³ / [12·(1 − ν²)] depende exclusivamente del módulo de elasticidad E y del coeficiente de Poisson ν. En el modelo modal del repositorio (lib/physics/structures.ts), una placa de referencia 1P simplemente apoyada (λ₁ = 2π² ≈ 19,74) de 50 × 50 × 1,6 mm en Al 7075-T6 (E = 71,7 GPa, ν = 0,33, ρ = 2.810 kg/m³) con M_board = 38 g sobre cuatro separadores simétricos (relación de retranqueo ξ = 0,193, participación másica α_m = 4·sin⁴(πξ) = 0,42) alcanza f₁ = 1.996,7 Hz (≈1.997 Hz), casi diez veces por encima del umbral de 200 Hz.

Empotrar los dos bordes laterales sujetos por los rieles eleva el parámetro adimensional λ₁ de 19,74 a 28,95 (o 35,99 con cuatro bordes empotrados), ampliando aún más el margen. Al escalar a aviónica CubeSat la frecuencia propia cae porque la luz libre se duplica manteniendo 1,6 mm de espesor: una tarjeta FR-4 PC/104 de 90,17 × 95,89 mm sobre cuatro varillas M3 resuena en f₁ ≈ 240–310 Hz (≈280–360 Hz en guías CS14 de backplane), frente a f₁ ≈ 950–1.250 Hz en pilas PocketQube M2 de 42,0 × 42,0 mm.

Las campañas protovuelo en vibrador electrodinámico ensayan cada eje ortogonal (X, Y, Z) con el satélite alojado en un pod representativo de vuelo, registrando acelerómetros de control en mesa deslizante y de respuesta en el contenedor para obtener funciones de transmisibilidad —tal como se calificó el modelo de vuelo de Grizu-263A el 21 de septiembre de 2020 antes de su integración en AlbaPod en octubre de 2020. Según la guía del lanzador, la vibración aleatoria abarca desde ~10 G_rms (referencia CSLI) hasta los 14,1 G_rms de calificación GSFC-STD-7000B (GEVS).

Cada ensayo de vibración aleatoria va precedido y seguido inmediatamente por un barrido sinusoidal de bajo nivel (0,25–0,5 g entre 20 y 2.000 Hz). Comparar los picos de resonancia antes y después verifica la integridad mecánica: una caída superior al 5 % en la frecuencia propia principal f₁ delata pérdida de precarga en tornillos, delaminación del FR-4, conectores coaxiales U.FL sueltos o fracturas de soldadura antes de sellar el satélite en su dispensador de vuelo.

Bajo una densidad espectral de potencia W_PSD(f₁) [g²/Hz] y factor de calidad Q (típicamente Q ≈ 10), la aceleración eficaz de un grado de libertad vale G_rms = √((π/2)·f₁·Q·W_PSD), y el desplazamiento dinámico pico 3σ dado por z_3σ = 3·G_rms·g₀ / (2πf₁)² debe mantenerse holgadamente dentro del espaciado entre placas y del margen libre de 4 mm. Tras vibrar, una prueba funcional con permanencia en vacío y eyección descarta soldadura en frío por frotamiento.

La campaña termo-vacío (TVAC) combina un horneado previo en vacío —para extraer humedad y disolventes antes de la entrega, como 24 h a 50 °C y 10⁻⁵ mbar en Delfi-PQ junto al cribado de muestras a 125 °C / 24 h de ECSS-Q-ST-70-02C— con ciclos operativos entre extremos caliente y frío con margen (cuatro ciclos de −20 °C a +50 °C en Delfi-PQ). Dado que un 1P afronta ~5.500 eclipses anuales, el ciclado valida tanto soldaduras como protecciones térmicas de batería.

Por debajo de 10⁻⁴ Pa desaparece por completo la convección del aire, alterando en sentidos opuestos dos equilibrios críticos. Los amplificadores de potencia RF se calientan mucho más durante ráfagas continuas y requieren conducción directa al chasis, mientras que los hilos térmicos de nicromo (NiCr) pierden refrigeración convectiva y pueden sobrecalentarse en vacío o no llegar a cortar la línea trenzada de UHMWPE de 0,2–0,3 mm (fusión a 130–152 °C aplicando 1,5–3,0 W sobre 2–4,7 Ω durante 1,5–5 s) si la resistencia interna de la batería fría hunde la tensión a −20 °C.

Por ello los ensayos de despliegue deben repetirse en vacío tanto a −20 °C (mínima energía elástica/superelástica almacenada y mínima tensión de celda) como a +50 °C (máxima carga de retención y fluencia del polímero, donde un hilo liberador NiTi de una vía de 0,15 mm que consume 0,23 J a 1 W debe conservar ≥10 K de margen bajo A_s ≥ 60 °C). Cerrar el AIT comprobando polaridades magnéticas en jaula de bobinas y decodificación RF de extremo a extremo con atenuadores calibrados evita aceleraciones invertidas B-dot y fallos de codificación de línea.