Entorno espacial

El entorno en una tabla

La órbita baja es benigna comparada con la geoestacionaria o el espacio profundo, pero no está vacía. La norma ECSS sobre el entorno espacial enumera los efectos que debe cubrir un diseño: la atmósfera neutra, el plasma, la radiación, el campo geomagnético, la radiación electromagnética del Sol y de la Tierra, y los meteoroides y desechos[1].

Por qué los PocketQubes lo sienten más

La mayoría de los efectos del entorno entran por la superficie, mientras que los recursos para resistirlos escalan con el volumen. Un 1P tiene 0,60 cm² de superficie por gramo frente a 0,33 cm²/g de un 1U a plena carga[2], así que por kilogramo recibe más arrastre, más fluencia de oxígeno atómico y más forzamiento térmico, y tiene menos sitio para blindaje o aislamiento.

Densidad y Sol

Por encima de unos 200 km, la densidad de la termosfera disminuye de forma aproximadamente exponencial con la altitud, con una altura de escala que crece con la temperatura exosférica, que a su vez sigue la emisión ultravioleta extrema del Sol. Un modelo de primer orden práctico, debido a Kennewell, liga ambas al flujo solar radioeléctrico de 10,7 cm $F_{10.7}$ y al índice geomagnético $A_p$[3]:

con $h$ y $H$ en km, $T$ en K y $\rho$ en kg/m³. La revisión sobre PocketQubes lo usa en todas sus estimaciones de vida[2]:

Altitud (km)	Baja	Moderada	Alta	Altura de escala, moderada (km)	Modelo exponencial estático	Alta ÷ baja
200	2,9 × 10⁻¹⁰	3,2 × 10⁻¹⁰	3,5 × 10⁻¹⁰	40	2,8 × 10⁻¹⁰	1×
300	1,7 × 10⁻¹¹	3,1 × 10⁻¹¹	4,8 × 10⁻¹¹	42	2,4 × 10⁻¹¹	3×
400	1,4 × 10⁻¹²	3,8 × 10⁻¹²	7,9 × 10⁻¹²	44	3,7 × 10⁻¹²	6×
500	1,4 × 10⁻¹³	5,7 × 10⁻¹³	1,6 × 10⁻¹²	47	7,0 × 10⁻¹³	11×
600	1,9 × 10⁻¹⁴	1,1 × 10⁻¹³	3,7 × 10⁻¹³	49	1,5 × 10⁻¹³	20×
700	3,2 × 10⁻¹⁵	2,5 × 10⁻¹⁴	1,1 × 10⁻¹³	52	3,6 × 10⁻¹⁴	33×
800	7,3 × 10⁻¹⁶	7,3 × 10⁻¹⁵	3,7 × 10⁻¹⁴	55	1,2 × 10⁻¹⁴	51×

El modelo estático (Vallado, ajuste de CIRA-72) ignora la actividad solar. La diferencia entre actividad baja y alta crece con la altitud y supera un orden de magnitud por encima de unos 450 km. Actividad solar: baja F10.7 = 70 sfu, Ap = 6; moderada 140 sfu, Ap = 12; alta 210 sfu, Ap = 18.

El modelo reproduce la dependencia de la actividad solar con una sola altura de escala; sirve para comparar configuraciones, mientras que los análisis de cumplimiento necesitan modelos empíricos como NRLMSISE-00[4] y previsiones del ciclo solar. Las tablas exponenciales estáticas como las de Vallado ignoran por completo el Sol[5].

El ciclo solar

La actividad solar sigue un ciclo de unos once años. Sus previsiones son inciertas, y esa incertidumbre recae directamente en las predicciones de vida. En 2019, el panel de predicción NOAA/NASA pronosticó que el ciclo solar 25 alcanzaría su máximo con un número de manchas de 115 en julio de 2025[6]; en octubre de 2023, la NOAA revisó el máximo a 2024 con un número de manchas de 137–173[7]. Grizu-263A voló durante el ascenso: el $F_{10.7}$ mensual observado promedió 141 sfu durante su misión, alrededor de un 40 % por encima de los 100 sfu que reproducen la previsión previa al lanzamiento de su equipo de cuatro años en órbita, y reentró tras 21 meses[2]. La NOAA publica los índices observados y previstos[8].

Oxígeno atómico

Entre unos 200 y 600 km, la especie dominante es el oxígeno atómico, que golpea las superficies orientadas en la dirección de vuelo a velocidad orbital y erosiona los polímeros. La profundidad de recesión es el rendimiento de erosión por la fluencia: el Kapton H se erosiona a $3,0\times 10^{-24}$ cm³ por átomo, los fluoropolímeros entre 15 y 21 veces más despacio[9][10]. MISSE-2 acumuló $8,43\times 10^{21}$ átomos/cm² en 3,95 años en la cara frontal de la ISS, unos 60 µm de PEEK al año; una cara en rotación aleatoria recibe aproximadamente una cuarta parte[11].

Fuentes

En LEO importan tres poblaciones. Las partículas atrapadas en los cinturones de Van Allen: protones en el cinturón interior y electrones en ambos, con el cinturón interior descendiendo a su altitud mínima sobre la Anomalía del Atlántico Sur, donde las tasas de eventos únicos de las naves en LEO aumentan bruscamente. Los rayos cósmicos galácticos, iones pesados escasos pero muy energéticos que causan eventos únicos y no pueden blindarse con material a la escala de una nave. Las partículas solares energéticas de las fulguraciones y las eyecciones de masa coronal, que llegan a altitudes bajas sobre todo en latitudes altas, de modo que las órbitas polares y heliosíncronas reciben más[1].

Efectos

La dosis ionizante total (TID) se acumula a lo largo de la misión y degrada transistores, referencias y células solares; el daño por desplazamiento degrada la optoelectrónica y las células. Los efectos de evento único siguen a partículas individuales: las alteraciones invierten bits, y los enclavamientos pueden destruir un componente si no se limita deprisa la corriente[12]. Los OBC comerciales declaran tolerancias de TID de unos 10 a 300 krad(Si)[12]. La dosis que recibe una misión depende mucho de la altitud, la inclinación, la duración y el blindaje, y debe calcularse con los modelos de la norma de entorno, no tomarse de una regla práctica[1].

Mitigación a pequeña escala

Con 250 g, el blindaje por masa es limitado, así que los satélites pequeños confían en la selección de componentes, en interruptores de alimentación con limitación de corriente que eliminan los enclavamientos, en watchdogs, en memoria con corrección de errores y depuración periódica, y en software que sobrevive a los reinicios. En los límites de masa, la densidad superficial de un 1P es 0,75 veces la de un 1U, de modo que una fracción fija de masa estructural proporciona menos espesor másico frente a la radiación[11].

El campo geomagnético

Cerca de la Tierra, el campo se parece al de un dipolo inclinado. Su intensidad disminuye con el cubo de la distancia al centro de la Tierra y se duplica del ecuador magnético a los polos; a 525 km varía entre unos 23 y 47 µT[2]. Los magnetopares, los imanes permanentes y los magnetómetros trabajan todos sobre este fondo:

Periodo orbital	95,1	min
Velocidad orbital	7,60	km/s
Revoluciones por día	15,1
Eclipse más largo (β = 0°)	35,7 min, el 37,5 % de la órbita
Inclinación heliosíncrona	97,50	°
Distancia oblicua en el horizonte	2641	km
Pase más largo sobre 0°	11,9	min
Pase más largo sobre 10°	7,7	min
Desplazamiento Doppler máximo a 437,19 MHz	±10,24	kHz
Campo geomagnético, del ecuador al polo	23–47	µT
Densidad del aire, de actividad solar baja a alta	8,2 × 10⁻¹⁴ – 1,1 × 10⁻¹²	kg/m³

Órbita circular de dos cuerpos sobre una Tierra esférica; campo de dipolo centrado; modelo de densidad de Kennewell.

Flujos térmicos

Una nave en LEO absorbe la luz solar directa, unos 1361 W/m² a 1 ua[13] y alrededor de un 3,3 % más o menos en el perihelio y el afelio, la luz solar reflejada por la Tierra (albedo de unos 0,3) y la emisión infrarroja de la Tierra, unos 237 W/m² de media[14]. El factor de vista hacia la Tierra de un cuerpo en rotación aleatoria, promediado sobre las orientaciones, es $F=\frac{1}{2}[1-\sqrt{1-(R_E/(R_E+h){)}^2}]$, 0,305 a 550 km[11].

Eclipses y geometría

Altitud (km)	Periodo (min)	Velocidad (km/s)	Eclipse más largo (min)	Fracción de eclipse	Inclinación SSO (°)	Pase cenital sobre 10° (min)
350	91,5	7,70	36,3	39,7 %	96,85	5,6
400	92,6	7,67	36,1	39,0 %	97,03	6,2
450	93,6	7,64	35,9	38,4 %	97,21	6,8
500	94,6	7,61	35,8	37,8 %	97,40	7,4
525	95,1	7,60	35,7	37,5 %	97,50	7,7
550	95,6	7,59	35,6	37,2 %	97,59	7,9
600	96,7	7,56	35,5	36,7 %	97,79	8,5

Órbitas circulares. Eclipse para β = 0° (Sol en el plano orbital), el más largo del año; duración del pase para una estación justo bajo la traza.

La fracción de eclipse disminuye con la altitud y con el ángulo beta entre el plano orbital y la dirección del Sol. Una órbita heliosíncrona mantiene su ángulo beta aproximadamente constante a lo largo del año; las órbitas alba-ocaso pueden evitar los eclipses durante la mayor parte de él.

Seguimiento y riesgo de colisión

En LEO se siguen de forma rutinaria los objetos de unos 10 cm o más; los fragmentos menores no, y el impacto de desechos milimétricos puede inutilizar una nave. Los PocketQubes se catalogan una vez desplegados, pero la precisión de las órbitas derivadas de elementos de dos líneas se degrada en los objetos ligeros[15], y la detección por radar de un cuerpo de 50 mm depende de la frecuencia[2]. La entrada sobre regulación y desechos trata las normas de eliminación y sus consecuencias.