Ensayos y cualificación

Por qué ensayar

Los cien primeros CubeSats enseñaron a la comunidad que el desarrollo barato y rápido tiene sus propias estadísticas de fallos: una gran parte de las primeras misiones murió en pocos días, muchas por problemas que un ensayo de sistema habría detectado[1]. Estudios posteriores relacionaron los fallos con los subsistemas de potencia y comunicaciones y con ensayos insuficientes, y defendieron más verificación funcional y ambiental a nivel de sistema[2]. Ensayar es el seguro más barato que puede comprar un equipo pequeño.

Filosofía de modelos

Las agencias separan los papeles del hardware que construye un proyecto[3]:

• Modelo de ingeniería (EM). Representativo en forma y función; sirve para depurar interfaces y software.
• Modelo de cualificación (QM). Idéntico al de vuelo; se ensaya con niveles y duraciones de cualificación, con margen sobre el entorno esperado, y nunca vuela.
• Modelo de protovuelo (PFM). Hardware de vuelo ensayado con niveles de cualificación y duraciones de aceptación; la opción habitual de las misiones pequeñas que no pueden permitirse un QM aparte.
• Modelo de vuelo (FM). Se ensaya con niveles de aceptación para detectar defectos de fabricación.

La mayoría de los equipos de PocketQubes y CubeSats vuelan un modelo de protovuelo tras un modelo de ingeniería, un compromiso razonable si se respetan los niveles y las duraciones.

Ensayar como se vuela

El principio más útil es ensayar la nave en la configuración y la secuencia en que volará: elementos desplegables plegados, interruptores de separación pulsados, temporizadores en marcha y el software de vuelo en su modo de lanzamiento. Grizu-263A siguió antes de la entrega una secuencia de «ensayar como se vuela» con pruebas en banco, ensayos del modelo de ingeniería, ensayos de termovacío y ensayos de vibración[4].

flowchart LR
  BENCH["Pruebas en banco y de placas"] --> EM["Modelo de ingeniería: integración y software"]
  EM --> FUNC["Pruebas funcionales y de radio de extremo a extremo"]
  FUNC --> VIB["Vibración: barrido de resonancias, aleatoria"]
  VIB --> TVAC["Termovacío y ciclado"]
  TVAC --> BAKE["Horneado"]
  BAKE --> FINAL["Prueba funcional final, integración en el desplegador"]

Vibración

Las cargas del lanzamiento llegan a un satélite pequeño a través del desplegador en forma de vibración aleatoria, barridos senoidales y choques. La CubeSat Launch Initiative de la NASA pide sistemas que soporten el entorno de vibración aleatoria GEVS de unos 10 Grms[5][6]; los niveles y duraciones reales proceden de la guía de usuario de cada proveedor de lanzamiento, y la CubeSat Design Specification los deja en manos del proveedor[7]. Una secuencia típica por eje es un barrido de resonancias de bajo nivel, el ensayo aleatorio y un segundo barrido de resonancias: un desplazamiento de una frecuencia de resonancia entre ambos barridos revela una estructura aflojada o dañada.

Grizu-263A en la mesa vibratoria

El modelo de vuelo de Grizu-263A pasó la vibración de protocualificación el 21 de septiembre de 2020 en el Laboratorio de Vibraciones y Acústica de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica de Estambul, montado dentro de su contenedor de vuelo[4]. Una mesa vibratoria TIRA TV59327/AIT controlada con el software Vibration VIEW llevó los ensayos; un sistema Brüel & Kjær PULSE adquirió los datos, con un acelerómetro de control en la mesa deslizante y acelerómetros de respuesta en el contenedor y en un punto de referencia, a partir de los cuales se obtuvieron las funciones de transmisibilidad. Cada eje, primero los dos horizontales y después el vertical, recibió un barrido de resonancias y un ensayo aleatorio, y las inspecciones tras cada ensayo no mostraron daños. El satélite se integró en un AlbaPod en octubre de 2020 y se liberó su interruptor de desactivación para el vuelo.

Termovacío y ciclado

Los ensayos de termovacío demuestran que la nave funciona en sus extremos caliente y frío en vacío y sobrevive a las transiciones; el ciclado térmico, a menudo a presión ambiente, criba defectos de fabricación como las uniones soldadas. Delfi-PQ se cualificó con cuatro ciclos de termovacío entre −20 y +50 °C[8]. En los PocketQubes el ciclado merece un peso adicional: un 1P sufre unos 5500 eclipses al año, con oscilaciones globales de unos 30 K y de los paneles mucho mayores, así que la cualificación debe cubrir el intervalo previsto con margen[9].

Horneado y desgasificación

Los materiales se criban calentando muestras a 125 °C durante 24 h en vacío[10]; después se hornea la nave integrada para eliminar el agua y los disolventes antes de la entrega. Delfi-PQ se horneó a 50 °C y 10⁻⁵ mbar durante 24 h[9]. La CubeSat Design Specification exige un horneado en termovacío de cada CubeSat[7].

Pruebas funcionales, de despliegue y de radio

Los ensayos ambientales solo tienen valor si a cada uno le sigue una prueba funcional completa. Las pruebas de despliegue de antenas y paneles deben repetirse, también en frío. Las pruebas de radio de extremo a extremo a través de la cadena real de la estación terrena, con el formato de trama de vuelo y un atenuador calibrado que sustituye a la pérdida del trayecto, detectan errores de codificación de línea y de entramado; en Grizu-263A, los primeros decodificadores de la comunidad, que suponían otra codificación de línea, fallaron hasta que se aclaró el entramado[4].

Ensayos magnéticos y de actitud

En los diseños de actitud magnética conviene comprobar la polaridad de cada eje de sensores y actuadores, medir el momento del imán en los extremos de temperatura y medir el dipolo residual de la nave integrada, por ejemplo en una jaula de Helmholtz[9]. Estos ensayos son baratos y detectan los errores que hacen que una nave acelere su giro en lugar de frenarlo.

Lo que dice el historial de vuelo

Delfi-PQ, uno de los PocketQubes mejor documentados, publicó con detalle sus prestaciones en órbita y las lecciones de su desarrollo, incluidas las limitaciones de la protección de su batería[11]. Grizu-263A cumplió su objetivo principal de comunicaciones y funcionó durante 628 días, mucho más allá del año previsto[4]. Ambas misiones apuntan a la misma lección: las interfaces con el mundo exterior (el desplegador, la comunidad de radioaficionados, el calendario de lanzamiento) necesitan tantos ensayos como las placas.

Una campaña mínima para un equipo pequeño

La guía CubeSat 101 de la NASA describe con más detalle cómo encajan estos ensayos en el proceso con el proveedor de lanzamiento[12].