Cargas útiles

Definición

La carga útil es la razón por la que vuela una nave; todo lo demás es la plataforma que la mantiene viva. En los satélites pequeños la frontera entre ambas suele difuminarse: en un PocketQube de radioafición, la radio es a la vez el subsistema de comunicaciones y el servicio que presta la misión, y en un demostrador tecnológico la «carga útil» puede ser un nuevo sensor de actitud o una nueva pila de placas.

Lo que han llevado los PocketQubes

En la población de PocketQubes domina la demostración tecnológica, a menudo combinada con servicios de radioafición o con la formación[1]. Dentro de ese marco, la clase ha volado una gama sorprendente de cargas útiles[2]:

Diseños abiertos de cargas útiles

El hardware abierto ha rebajado la barrera de entrada. El Open PocketQube Kit de la IEEE Geoscience and Remote Sensing Society, desarrollado en el UPC NanoSat Lab, ofrece un diseño 1P completo con placas de potencia, ordenador, comunicaciones y ADCS, junto con cargas útiles de ejemplo como una cámara VGA y monitores de interferencias de radiofrecuencia en las bandas L y K[3].

Volumen

Una placa de un 1P tiene unos 42 × 42 mm de área útil una vez descontado el margen de integración hasta las paredes de 50 mm, aproximadamente una quinta parte de una placa PC/104 de CubeSat. La potencia, el ordenador y la radio suelen ocupar la mayor parte de la pila, así que las cargas útiles son una sola placa o funciones que comparten placas con la plataforma. Los formatos de varias unidades compran volumen: el 3P Unicorn-2 lleva una cámara y ruedas de reacción que ningún 1P podría alojar[4].

Potencia

El balance de potencia del 1P de referencia de nadir lab. asigna a su carga útil 120 mW con un ciclo de trabajo del 10 %, 12 mW de media, frente a una generación media orbital de unos 550 mW:

Carga	Potencia encendida	Ciclo de trabajo	Media
Ordenador de a bordo (sobre todo en bajo consumo)	15 mW	100 %	15,0 mW
Receptor UHF (escucha continua)	30 mW	100 %	30,0 mW
Transmisor UHF (0,5 W de RF, 40 % de eficiencia del PA)	1250 mW	4 %	50,0 mW
Magnetómetro e IMU	10 mW	100 %	10,0 mW
Bobinas magnetorquer	60 mW	15 %	9,0 mW
Carga útil (medida de espectro)	120 mW	10 %	12,0 mW
Autoconsumo de la EPS (MPPT, telemetría)	8 mW	100 %	8,0 mW
Carga media			134,0 mW
Energía por órbita
Sol / eclipse	59,5 / 35,7 min
Disponible de las células (media de 0,86 W al sol)	850 mWh
Necesaria para las cargas y la recarga tras el eclipse	221 mWh
Margen de energía	284 %
Consumida en eclipse / profundidad de descarga	80 mWh / 4,3 %

Batería: célula de polímero de litio de 3,7 V y 500 mAh (1,85 Wh), eficiencia de ida y vuelta de carga y descarga del 90 %. Generación según la ec. 1 sin el factor de eclipse.

Una carga útil que necesite vatios debe funcionar en ráfagas cortas con la batería, o la nave debe crecer.

Enlace descendente

El volumen de datos lo fija la energía por bit que puede permitirse la radio. Para el enlace 1P de referencia a 9600 bit/s con al menos 3 dB de margen:

Elevación máxima	Sobre el horizonte (min)	Margen ≥ 3 dB (min)	Datos brutos (kB)
10°	9,0	0,0	0
20°	10,5	0,9	68
30°	11,0	3,6	262
45°	11,4	4,6	329
60°	11,5	4,9	350
90°	11,6	5,0	362

Bits de canal antes del entramado, la codificación y la sobrecarga del protocolo; se desprecia la rotación terrestre. Los pases bajos, los más frecuentes, aportan pocos datos o ninguno.

Una estación de latitud media ve una órbita heliosíncrona de 525 km solo unas pocas veces al día por encima de una máscara de 10°:

Latitud de la estación (°)	Pases por día	Contacto diario (min)	Pase medio (min)	Mayor intervalo sin contacto (h)
41,45	3,5	21	6,0	13,0

Propagación de diez días con rotación terrestre, movimiento de dos cuerpos y Tierra esférica. 41,45° es la latitud de la estación de ZBEÜ que siguió a Grizu-263A; 78,2°, la de Svalbard.

Una sola imagen VGA sin comprimir de 640 × 480 píxeles a 8 bits ocupa unos 300 kB, aproximadamente la capacidad bruta de un buen pase. Por eso los PocketQubes que toman imágenes comprimen mucho, descargan primero miniaturas o pasan a la banda S.

Apuntamiento

La mayoría de las cargas útiles de PocketQubes se diseñan para tolerar una nave en rotación o alineada con el campo: los monitores de espectro, los servicios de radio y los reflectores no necesitan apuntamiento. Las cámaras y los enlaces ópticos sí, por lo que las imágenes solo aparecieron con el control en tres ejes de Unicorn-2, especificado para unos 5° en el peor caso[1].

Térmica

Una carga útil sobre una placa de 50 mm comparte los rápidos ciclos de eclipse de la plataforma, y su propia disipación crea puntos calientes. A esta escala, la refrigeración activa de un instrumento es muy difícil[5]; los detectores que necesitan temperaturas estables deben diseñarse para tolerar la deriva.

Contaminación

Las cargas útiles ópticas y los reflectores de las misiones de telemetría láser dependen de superficies limpias. En un desplegador compartido también importa la desgasificación de las naves vecinas: un AlbaPod v2 lleva hasta seis unidades PocketQube, y Delfi-PQ voló una carga útil de reflectores láser cuyas prestaciones dependen de una óptica limpia[6].

Cargas útiles embarcadas

POQUITO muestra un modelo que encaja con las clases más pequeñas: el PocketQube aporta potencia, radio y actitud, mientras que la carga útil embarcada es a su vez un ChipSat de vuelo libre de unos pocos gramos. El equipo de la Universidad de Luxemburgo imprimió los magnetopares en las capas internas de las placas para hacer sitio[7].