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DISEÑO DE PROPUESTA TÉCNICA PARA UN MECANISMO DE SEPARACIÓN DE MICRO-SATÉLITES

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4. PROPUESTA TÉCNICA


46 PROPUESTA TÉCNICA

INTRODUCCIÓN

El lanzamiento de un micro-satélite sobre una plataforma adaptadora para Ariane 5 (ASAP 5) es una necesidad existente en el mercado actual. El objetivo que se persigue al diseñar y construir el MSM es proporcionar un mecanismo que cumpla con las especificaciones exigidas, y que pueda competir directamente con el mercado. Existen diferentes tipos de soluciones de éste mecanismo para micro-satélites en el mercado que se compararán con el producto que se ofrece.

Ilustración 16- Microsatélite en ASAP 5



ANÁLISIS DEL MECANISMO DE SEPARACIÓN DE MICRO-SATÉLITES (MSM)

Basándome en la experiencia previa en el diseño de mecanismos para satélites de la empresa EADS ASTRIUM, los puntos más fuertes del concepto del mecanismo que se propone se comentan a continuación.

Debido al pequeño tamaño de los satélites que vamos a lanzar, la sujeción por medio de este mecanismo simplifica mucho el conjunto y reduce el peso con respecto a otros tipos de mecanismos de separación existentes en el mercado.

Ilustración 17- Integración microsatélites

El MSM debe proporcionar por orden de importancia

1. Fiabilidad 2. Mínimo riesgo de liberación de elementos 3. Elevada vida útil 4. Bajo coste 5. Bajo peso de la estructura

Además debe de cumplir otros requerimientos como son

• Una configuración muy estable • Excelente conductividad térmica • Facilidad de integración y adaptación a la plataforma ASAP 5 • Sencillez mecánica • Capacidad de separación bajo cargas laterales • Bajo nivel de choque • Valores robustos de rigidez y resistencia mecánica

El criterio más importante a seguir en el diseño del mecanismo debe ser la fiabilidad, ya que si la separación no se produce, la misión falla por completo. Por otro lado el segundo criterio es muy importante debido a que la liberación por parte del mecanismo de alguna partícula o elemento puede suponer el daño parcial o total de otros elementos del satélite. El resto de requerimientos son habituales en mecanismos espaciales.



CARACTERÍSTICAS DE MECANISMOS SIMILARES EN EL MERCADO

MICRO-SATELLITE SUPORT OF DASSAULT-AVIATION

Definición:

Este sistema es adecuado para la sujeción al vehículo lanzador, la separación y la elevación de un micro-satélite. Se activa mediante una señal eléctrica que proviene del lanzador hacia los iniciadores conectados a los mecanismos pirotécnicos.

Características generales

Mecánicas:

Masa: 3Kg + 4-10 muelles (120 gr cada uno)

Masa eyectada con el micro-satélite: 1 Kg

Bulón: altura=91mm; diámetro=348mm

Agujero interno: 250 mm de diámetro

Unión: 12 tornillos unidos al micro-satélite y 12 tornillos unidos al lanzador

Eléctricas:

Iniciación del detonador: al menos 10 ms con 5 A de intensidad de corriente continua

Resistente a la electricidad estática

Restricciones ambientales:

Rango de funcionamiento: -90ºC a 100ºC

Resistencia a vibraciones seno y random, a la humedad y al vacío

Funcional

Masa del micro-satélite: 100Kg

Velocidad de separación: 1-3 m/s

Ilustración 18- Mecanismo separación Dassault-Aviation



Redundancia del mecanismo pirotécnico

Fiabilidad ≥ 0.99995

No expulsión de elementos al exterior

Vida útil

7 años

Ilustración 19- Separación del sistema

Ilustración 20- Sistema de separación antes de la separación



SISTEMA DE SEPARACIÓN DE BANDA QWKSEP DE STARSYS

Definición:

Este sistema proporciona un bajo nivel de choque en la plataforma de separación del micro-satélite. El sistema es capaz de soportar un satélite de 180 Kg. El sistema está equipado con un sistema no pirotécnico de apertura de la banda que consiste en el empleo de aleaciones de forma con un circuito redundante eléctrico. La interfaz tiene integrados los muelles de separación y los conectores umbilicales.

Descripción del sistema

El sistema está basado en el almacenamiento de la energía que se libera al soltar la banda la energía se convierte en energía de rotación en el pequeño volante de inercia, permitiendo emitir muy bajo choque en la separación de las dos mitades.

Características generales

Mecánicas:

Masa: 6.1 Kg

Masa eyectada con el micro-satélite: 2 Kg

Dimensiones: altura=106mm; diámetro=444mm

Eléctricas:

Iniciación del detonador: al menos 10 ms con 3.5-5 A de intensidad de corriente continua

Resistente a la electricidad estática

Restricciones ambientales:

Rango de funcionamiento: -40ºC a 90ºC

Resistencia a vibraciones seno y random, a la humedad y al vacío

Funcional

Masa del micro-satélite: 180Kg

Ilustración 21- Sistema separación Starsys



Velocidad de separación: 0.15 m/s

Redundancia del mecanismo pirotécnico

Fiabilidad ND

No expulsión de elementos al exterior

Vida útil

20 resets sin cambiar ninguna pieza del conjunto

Tiempo de reset aprox. 10 min

SISTEMA DE SEPARACIÓN POR PUNTOS DE EUROCKOT

Este sistema tiene es ventajoso cuando en un mismo lanzamiento se despliegan varios satélites. El sistema de unión se realiza por medio de 3 o 4 puntos discretos. El número de puntos de unión depende de forma y masa del satélite a unir. Todas las partes de este dispositivo quedan contenidas, y los niveles de choque no son elevados debido a que se producen en el lado del dispensador, aunque de igual manera éstos se atenúan.

Los tipos y tamaños de estos dispositivos varían mucho, en función de la aplicación particular en cada caso.

Ilustración 22- Sistema de separación Eutockot

Con esto comentado anteriormente podemos observar como las dos soluciones son muy buenas, aunque la primera tiene unos costes asociados muy altos en comparación con la segunda, al ser los primeros, un mecanismo mucho más complejo.



Ilustración 23- Integración de sistema de separación discreto en satélite

El problema que presenta la segunda solución es la reacción de los momentos en la unión con la plataforma adaptadora. Por ello la solución que se propone es una mezcla de la estructura de un mecanismo típico de bandas, pero con el funcionamiento de un sistema de separación por puntos discretos.

Con esta conclusión vamos a pasar a comentar la propuesta de diseño.



ACERCAMIENTO A LA PROPUESTA TÉCNICA DE ACUERDO CON LOS REQUERIMIENTOS

Para satisfacer los requerimientos técnicos conteniendo los riesgos asociados al desarrollo de un nuevo producto, se propone desarrollar un producto similar, o con una arquitectura claramente identificada que cubra los aspectos principales de un mecanismo de éstas características. Para ello es necesario:

• Basarse en experiencia anterior en el diseño de mecanismos similares. • Utilizar un mecanismo pirotécnico de suelta ya cualificado y probado en vuelo. • Elegir los componentes del mecanismo de manera que éstos se hayan utilizado

antes para otros programas con resultado satisfactorio. (Muy importante el conocimiento de personas con mucha experiencia)

• Redundancia de los sistemas si fuera necesario para garantizar la fiabilidad



DETALLADA DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA DE DISEÑO Concepto general El concepto propuesto se describe en las ilustraciones que aparecen a continuación. Las vistas generales muestran la construcción del MSM, a su vez que se muestra una sección del mecanismo con sus diferentes componentes. Analizando cada elemento por separado podemos hacernos una idea de la responsabilidad que tiene cada uno de ellos.

En primera aproximación podemos ver como el mecanismo consiste en dos partes (marrón y azul) unidas por un contacto cónico que se precarga por medio de un tornillo para que la transmisión de cargas entre ambas partes sea posible. El tornillo que precarga la unión cónica está roscado a un dispositivo pirotécnico comercial. A su vez es necesario proveer al mecanismo de un sistema de captura del tornillo, para que una vez que el dispositivo pirotécnico libere el tornillo, éste sea capturado sin que produzca un nivel de choque elevado que pueda perturbar al satélite.

En la selección de materiales para el mismo se ha seguido las recomendaciones que se especifica en la Documentación Aplicable (DA). En la transmisión de cargas de la interfaz superior (que es la que va unida al micro-satélite por el hecho de tener menor masa) interviene tanto el contacto cónico precargado como los bordes que apoyan sobre la interfaz inferior (unida al dispensador, y por el contrario con mayor masa) ya que absorben los momentos que originan las cargas a las que se encuentra sometido el micro-satélite.

Ilustración 25- Vista global MSM Ilustración 24- Vista inferior MSM

Ilustración 26- Sección MSM



Denominamos al conjunto inferior, que como hemos comentado es el de mayor masa y está unido a la plataforma dispensadora, parte activa, por tener un elemento pirotécnico unido a él. Por otro lado el conjunto superior se denomina parte pasiva.

A continuación se van a ir describiendo como se pretende hacer frente a los puntos requeridos en la especificación desde el punto de vista del diseño conceptual.

Contención del choque En lo referente al choque nuestro mecanismo posee una arquitectura que beneficia la reducción del choque emitido al micro-satélite de varias formas.

En primer lugar se ha seleccionado un mecanismo pirotécnico que internamente reduce el choque emitido. A su vez la colocación del mismo se lleva a cabo en la parte activa del mecanismo en contacto con el dispensador y no con el micro-satélite. Además se rigidizan los elementos que pueden estar sometidos a vibración en la parte pasiva.

Debido a la tensión y eyección del tornillo por parte del dispositivo pirotécnico, éste es lanzado a con velocidad contra la parte pasiva del mecanismo que está unida al micro-satélite. Por tanto como podemos pensar ésta podría ser una posible fuente importante de choque. Por ello es necesario introducir un mecanismo de captura y absorción de choque del tornillo. Éste mecanismo permite frenar el tornillo, impedir su retroceso, y absorber el impacto por medio de un amortiguador. El amortiguador está fabricado de un material colapsable que transforma la energía cinética del tornillo en energía de deformación. Para ello podría ser usado desde honeycomb de aluminio a polímeros combinados.

Ilustración 29- Vista conjunto Pasivo

Ilustración 27- Vista bracket superior

Ilustración 28- Detalle Catcher



Solución cónica La geometría cónica contribuye de manera mínima a la rigidez lateral del MSM, en el sentido de que absorbe una parte muy pequeña de las cargas laterales que se aplican sobre el micro-satélite. Las cargas laterales como tal se absorben por fricción en el contacto de los brackets debido a la precarga existentes en los mismos. El fricción se facilita aplicando carburo de tungsteno para aumentar el coeficiente de fricción. Se produce gapping, en el momento en el que la precarga que existe en los dos contactos existentes, no es suficiente como para mantener ese contacto al aplicar las cargas que se especifican. Cuando esto ocurre el mecanismo no trabaja como debe trabajar, y el tornillo absorbería cargas de cortadura.

El MSM permite una separación de las dos partes macho y hembra de manera natural siempre y cuando la fricción entre ambas partes sea muy baja, lo cual se consigue mediante la aplicación en las superficies cónicas de lubricante compatible con el entorno espacial.

El ángulo de conicidad es mayor de 30º, esto hace que se absorban mejor la precarga al estar más distribuida, que la separación sea más suave, y que exista menos posibilidad de gripado.

Ilustración 30- Detalle contacto cónico

Aplicación de la precarga Un nivel de precarga determinado permite que las cargas se transmitan de manera adecuada entre las dos partes del mecanismo unidas. Es por ello que debemos asegurar un nivel mínimo de precarga en los contactos existentes en el mecanismo. Para ello es necesario aplicar un par de apriete concreto en el tornillo. En la siguiente figura se puede apreciar cómo se llevaría a cabo la precarga del mecanismo. (añadiendo la llave con su torquímetro correspondiente)

La precarga mínima necesaria ante las cargas que vamos a tener será motivo de estudio posterior. Como hemos comentado es muy importante que en ningún momento de la envuelta de cargas, el tornillo en el mecanismo esté sometido a cargas laterales o de



cortadura, sino que por el contrario debe trabajar exclusivamente a tracción para mantener el contacto cónico, así como el contacto de los brackests.

Ilustración 31- Detalle tornillo de precarga

La precarga tiene que mantenerse en el tiempo entre unos valores concretos para que la rigidez del mecanismo no varíe a lo largo de la vida útil del mecanismo.

Ilustración 32- Uniones precargadas



No sería aceptable que el mecanismo modifique su rigidez al aplicar las cargas de la envuelta de vuelo, por ello es un parámetro muy importante a tener en cuenta en el diseño del mecanismo y en los procedimientos de montaje.

Separación segura del dispositivo El diseño propuesto garantiza la separación segura de las dos partes del mecanismo, así como el desplazamiento del micro-satélite del dispensador. Aparte del pequeño impulso que ejerce la suelta pirotécnica junto con la energía elástica del conjunto existen unos muelles, no dibujados en el modelo CAD, que son realmente los que colaboran con el mecanismo en la separación definitiva de la plataforma donde estaba fijado.

Para ayudar a la separación de los conos se aplica lubricante espacial a las superficies antes de la unión de las mismas para evitar que se produzca el gripado de las mismas al aplicar la precarga al mecanismo, y a su vez aplicar cargas al mismo.

Se garantiza por diseño que la suelta del tornillo no tiene interferencia con elementos de la estructura del mecanismo ya que para ello se aplica unas rigurosas tolerancias en ciertas zonas del mismo, y se realiza un diseño sencillo que evite una separación del tornillo perturbada. Por otro lado, y como ya se ha comentado anteriormente, el empleo de elevado ángulo de conicidad facilita la separación del mecanismo.

Ilustración 33- Detalle zona separación del MSM

Contenedor de captura del tornillo Como ya se ha comentado anteriormente en el apartado relacionado con la absorción de choque, necesitamos de este elemento en el diseño del mecanismo debido a la obligación que tenemos de:

• Absorber el impacto que produce el tornillo con una velocidad acotada. • Mantener cerrado el sistema para evitar una posible salida de partículas al

exterior



Éste elemento consta de tres piezas que se describen a continuación.

En primer lugar tenemos un capturador del tornillo mediante unas pletinas de metal que admite deformación elástica (CATCHER) . Al pasar el tornillo estas se deforman y se retraen a la vez que hacen de freno del mismo, hasta que pasa la cabeza del mismo. En este momento las pletinas intentan recuperar su posición inicial evitando el posible retroceso del tornillo, y consiguiendo parcialmente los dos objetivos antes comentados.

También tenemos un elemento amortiguador (DAMPER) que absorbe la energía cinética del tornillo convirtiéndola en energía de deformación.

Por últimos tenemos un tapón que da alojamiento al sistema de captura (PLUG), mantiene el contenido en el interior, y permite desmontar el sistema de captura para poder acceder al tornillo precargado.

Ilustración 34- Catcher

Ilustración 35- Sección del sistema de captura

Contacto eléctrico El grounding del mecanismo se realiza a través del propio contacto metálico de la parte superior con la parte inferior. Con esto se consigue cumplir el requerimiento de la especificación relativo a la conductividad eléctrica.



En el siguiente corte vemos un detalle de los conjuntos que forman el MSM.

Ilustración 36- Sección de detalle del MSM

Ilustración 37- Vista explotada del MSM



Ilustración 38- Sección explotada del MSM

Selección del dispositivo pirotécnico Necesitamos seleccionar un dispositivo pirotécnico para el mecanismo que proporcione una elevada fiabilidad al mecanismo. Las tuercas pirotécnicas son siempre preferidas en lugar de otros dispositivos como son los tornillos que se cortan, debido al bajo choque que éstos generan.

Ilustración 39- Mecanismo pirotuerca



Ilustración 40- Generación de choque de la pirotuerca



Ilustración 41- Sección iniciador pirotuerca

Se ha elegido la pirotuerca que se adapta a los requerimientos de precargas exigidos por el mecanismo. Esto es debido a los requisitos de masa y volumen especificados.

Entre las posibilidades que disponemos, ambas pirotuercas tienen la misma compatibilidad de interfaz el mecanismo.

1- La primera opción es la pirotuerca de pyroalliance “Separation Nut M6, P/N: ME0045”



Ilustración 42- Pirotueca Pyroalliance ME0045

Tabla 12- Características generales y mecánicas de la pirotuerca ME0045



Ilustración 43- Vista superior pirotuerca Pyroalliance ME0045

Tabla 13- Características del entorno de la pirotuerca ME0045



Tabla 14- Condiciones de almacenamiento pirotuerca ME0045

Tabla 15- Características eléctricas pirotuerca ME0045



Ilustración 44-Planos pirotuerca ME0045



2- La segunda opción es la pirotuerca de Hi-Shear de ¼” SN9423-2

Tabla 16- Características pirotuerca SN9423-2

Ilustración 45- Vista y planos de pirotuerca SN9423-2



Tabla 17 Características 2 pirotuerca SN9423-2

Tabla 18- Clave nombramiento pirotuercas Hi-Shear

De los dos modelos de pirotuercas anteriores, nos quedamos con la pirotuerca de Hi-

shear SN 9423-2 ya que es la única que cumple con los valores estimados que tenemos

para la precarga (del orden de 20000 N).



MSM interfaces

La interfaz proporcionada por la especificación tiene las medidas siguientes:

Ilustración 46- Plano de interfaz del MSM



Ilustración 47- Plano detalle sección interfaz MSM



Ilustración 48- Tornillos de interfaz MSM-ASAP 5



Interfaz mecánica A continuación se presenta la interfaz del mecanismo con el dispensador, y

posteriormente la interfaz del mecanismo con el micro-satélite. Es importante que los

tornillos de sujeción sean los que vienen definidos en la especificación. Estos tornillos

son pasantes en nuestro mecanismo, y roscan tanto en el dispensador como en el

satélite.

Ilustración 49- Detalles interfaz mecánica Bracket inferior MSM



Ilustración 50- Detalles interfaz mecánica Bracket superior MSM

Volumen El volumen de la interfaz mecánica está limitado por la interfaz que nos marca la

especificación del adaptador ASAP 5. En el apartado anterior se define el volumen

prohibido donde en ningún caso nos podemos meter.

Ilustración 51- Vista global MSM

Accesibilidad En cuanto a la accesibilidad del mecanismo, se asegura el acceso al mismo en todas las

partes necesarias ya sean tornillos de interfaz del satélite como del dispensador,

pirotuerca, o elementos del sistema de captura del tornillo. El mecanismo se puede

integrar en la plataforma ASAP 5, fijándolo a la misma mediante el bracket inferior,

una vez fijado podemos variar la precarga del mismo, y por último podemos instalar el

sistema de captura del tornillo antes de integrar el micro-satélite.



Ilustración 52- Detalle accesibilidad superior MSM

Ilustración 53- Detalle accesibilidad micro-satélite



Para acceder a la pirotuerca podemos hacerlo desde la parte inferior donde existe un

agujero que nos permitiría conectar los cables que van a los iniciadores de la tuerca

pirotécnica.

Ilustración 54- Detalle accesibilidad inferior MSM

Interfaz eléctrica Cada micro-satélite está provisto de una unión eléctrica “umbilical” para la carga de las

baterías del mismo.

Esta carga está carga se produce hasta 10 minutos antes del lanzamiento, y el umbilical

será suministrado por ARIANESPACE.

Los conectores necesarios para la tuerca pirotécnica tienen las características que

aparecen en la tabla. Éstos son los responsables de la separación de la pirotuerca. Por

cuestiones de fiabilidad, se montan dos unidades, por si se pudiera dar el fallo de uno de

ellos.



Ilustración 55- Características Iniciador Pc-23

Ilustración 56- Vista y planos Iniciador Pc-23



Ilustración 57- Caracterísitcas (2) Iniciador Pc-23

Ilustración 58- Curva de ignición del Iniciador Pc-23

En cuanto al conector umbilical, este se corresponde con un DBAS 74 12-0 el cual

incluye su hoja de características a continuación:



Ilustración 59- Data sheet conector umbilical Micro-satélite



Tabla 19- Clave designación conectores eléctricos DBAS



Tabla 20- Claves designación conectores eléctricos DBAS



Ilustración 60- Dimensiones conector eléctrico umbilical micro-satélite

Definición de materiales empleados

Tabla 21- Lista materiales MSM

Lista de elementos Material empleado Bracket inferior Aluminio 7075T7351

Pirotuerca Aleación de aluminio la carcasa y acero 15-5-PH la

rosca Tornillos sujeción

pirotuerca Acero AISI 304

Plug Aluminio 7075T7351 Catcher Acero AISI 304 Tornillo Acero AISI 304 Damper Rohacell 51 WF

Bracket superior Aluminio 7075T7351



Tabla 22- Características Rohacell 51WF

Estimación de masa En la siguiente tabla podemos ver la lista de piezas elementales con su correspondiente

masa. Se clasifican en dos grupos según la parte a la que queden unidas tras la

separación del mecanismo, así podemos evaluar la masa final que se va con el satélite.

Tabla 23- Lista de masa de los elementos del MSM

Pieza elemental Masa [Kg]

Mas

a no

de

spre

ndid

a

Bracket inferior 0,404 Pirotuerca 0,127

Tornillos 0,006

Masa total no desprendida

0,537

Mas

a de

spre

ndid

a Bracket superior 0,538 Plug 0,006

Catcher 0,006 Bolt 0,007

Damper 0,002 Masa total

desprendida 0,559

Masa total 1,096



INFORME DE ANÁLISIS

Este apartado tiene como objetivo justificar por medios analíticos el diseño que se

propone en el apartado anterior. Para ello vamos a evaluar varios puntos clave en el

diseño de un sistema de separación como son:

• La rigidez global del sistema de separación, tanto axial como lateral • Los esfuerzos máximos existentes en cada caso de carga • Los modos propios del sistema (frecuencias naturales) • La energía que somos capaces de disipar en el sistema de captura del tornillo. • La precarga mínima (necesaria para que se asegure el contacto cónico en todos

los casos que tenemos en la envolvente de cargas). • El par de apriete aplicable al tornillo para conseguir la precarga necesaria.

Análisis del sistema de separación

Para realizar el estudio de análisis por elementos finitos, es necesario realizar alguna

simplificación. En primer lugar eliminamos de nuestro modelo de estudio aquellos

elementos que no intervienen en el comportamiento estructural del sistema (Pirotuerca,

sistema de captura del tornillo, y tornillo de precarga). Por otro lado tenemos que

entender el comportamiento de una unión precargada, y es que si aplicamos el concepto

a nuestro modelo, vemos como dos elementos sólidos unidos se comportan como un

bloque sólido.

Ilustración 61 - Sección MSM sin sistema catcher

Esto lo modelamos mediante una unión rígida de los elementos del borde superior del

bracket inferior unidos a un nodo ficticio donde se aplica la carga. Por tanto nos queda



solamente en nuestro modelo de análisis el bracket inferior con ciertas condiciones de

contorno que dependen de cada caso.

Ilustración 62- Modelo MSM simplificado

En las siguientes figuras se pueden ver las condiciones de contorno fijadas para el caso

de carga axial. Vemos que la fuerza se aplica en el nodo ficticio central del bracket,

como se ha comentado anteriormente.

Ilustración 63- Modelo MSM simplificado con carga axial aplicada

Ilustración 64- Modelo MSM simplificado visto de perfil



Vemos en la figura anterior como la parte inferior del bracket analizado está empotrada

en su conjunto de manera que los puntos de la base no pueden estar sometidos a

desplazamiento alguno.

En la siguiente figura vemos el modelo que hemos comentado anteriormente, ya

mallado y a su vez unido de manera rígida a un nodo situado a 400 mm de la base del

bracket. La distancia es superior a la especificada (250 mm) pero esta situación es

conservativa. Este nodo es utilizado para situar a esta distancia la masa del micro-

satélite (en nuestro caso 50 Kg)

Ilustración 65- Modelo simplificado incluyendo la masa

La rigidez del sistema la vamos a calcular relacionando la fuerza aplicada al sistema

para un caso de carga, con el desplazamiento que se produce.

Destacamos tres casos de cargas:

• Axial • Lateral • Momento



Caso de carga axial

En el siguiente cuadro vemos los casos de cargas para un satélite de 50 Kg.

Tabla 24-Cargas aplicadas al MSM

Longitudinales estaticas + dinámicas Laterales estáticas + dinámicas

Aceleración -7,5 g/ +5,5 g ±6 g Carga -3675 N/2695 N ±2940 N

En la siguiente figura se puede observar la deformación que se produce al aplicar la

carga axial en tracción.

Ilustración 66- Deformación axial del modelo del MSM

Tabla 25- Desplazamiento en caso de carga axial en tracción

Caso de carga Axial Sentido de aplicación Tracción

Valor de carga aplicada 2695 N

Desplazamiento 0,00171 mm

NOTA: El desplazamiento obtenido corresponde al nodo donde se aplica la carga axial.



Ilustración 67- Vista lateral modelo simplificado MSM

La rigidez obtenida para este caso de carga es el cociente de la fuerza entre el

desplazamiento obtenido. Cabe destacar que esta rigidez es una estimación de la rigidez

del conjunto. (Se utilizará a posteriori para definir el parámetro λ de la unión

precargada)

Tabla 26- Rigidez en caso de carga axial en tracción


Valor de carga aplicada 2695 N

Rigidez obtenida 1,58E+09 N/m

Vamos ahora a evaluar los esfuerzos obtenidos en la pieza en este caso de carga, para

evaluar como de lejos estamos del límite de carga soportado por el material.

Tabla 27- Esfuerzo máximo en caso de carga axial en tracción


Valor de carga aplicada 2695 N Valor de esfuerzo máximo 3,02E+06 N/m^2

Valor del límite de fluencia del material 5,00E+08 N/m^2



Ilustración 68- Distribución de los esfuerzos para el caso de carga axial en tracción

Tabla 28- Desplazamiento en caso de carga axial en compresión

Caso de carga Axial Sentido de aplicación Compresión

Valor de carga aplicada 3675 N Desplazamiento -0,00233 mm

Ilustración 69- Desplazamientos en caso de carga axial en compresión

Tabla 29- Rigidez en caso de carga axial en compresión


Valor de carga aplicada 3675 N Rigidez obtenida 1,58E+09 N/m



Ilustración 70- Campo de desplazamientos en caso de carga axial en compresión

Tabla 30- Esfuerzo máximo en caso de carga axial en compresión




Ilustración 71- Distribución de los esfuerzos para el caso de carga axial en compresión



Caso de carga lateral

Tabla 31- Cargas aplicables al MSM


Aceleración -7,5 g/ +5,5 g ±6 g Carga -3675 N/2695 N ±2940 N

En este caso tenemos aplicado el mismo valor de carga tanto en tracción como en

compresión, por tanto los desplazamientos y esfuerzos serán los mismos en ambos casos

(en valor absoluto), aunque eso sí cambiados de signo.

Como ya se comentó en la propuesta de diseño, el contacto cónico apenas va a percibir

carga lateral, y es por ello que las condiciones de contorno aplicadas anteriormente nos

valen para evaluar la rigidez lateral del conjunto, como si fuera un bloque sólido

empotrado. Cabe destacar que como condición de contorno extra (en este caso ) se ha

añadido que la zona inferior del cono sólo se pueda mover en el plano en la que esta se

encuentra. Ya que la deformación axial que pudiera tener es prácticamente nula, debido

a la gran rigidez del bracket superior. De esta forma conseguimos que las condiciones

que aquí se simulan, representen de manera muy similar el problema real.

Tabla 32- Desplazamiento para caso de carga lateral

Caso de carga Lateral Sentido de aplicación Tracción / Compresión

Valor de carga aplicada 2940 N Desplazamiento 0,016 mm



Ilustración 72- Desplazamientos para el caso de carga lateral

Tabla 33- Rigidez obtenida para el caso de carga lateral


Valor de carga aplicada 2940 N Rigidez obtenida 1,84E+08 N/m

Ilustración 73- Distribución de los esfuerzos para el caso de carga lateral



Tabla 34- Esfuerzo máximo obtenido para caso de carga lateral




Caso de carga de momento

La carga lateral que se aplica sobre el micro-satélite a una distancia de 0,25 metros,

genera un momento que tiene que absorber el bracket. Esta distancia es estimativa, ya

que no conocemos con exactitud la posición del centro de masas del micro-satélite que

se integre en nuestro mecanismo, pero lo que sí sabemos es que la mayoría de los

micro-satélites van a tener el centro de gravedad por debajo de esta distancia.

Tabla 35- Giro debido a la aplicación del momento

Caso de carga Momento Sentido de aplicación Positivo / Negativo

Valor de carga aplicada 735 Nm Giro 8,16E-05 Rad

Ilustración 74- Giro debido a la aplicación de un momento



Cabe destacar que al igual que en el caso de carga lateral, en este caso tenemos la

posibilidad de aplicar la compresión en dos sentidos. En ambos casos los resultados son

similares en cuanto a esfuerzos y desplazamientos.

Tabla 36- Rigidez obtenida para el caso de momento aplicado


Valor de carga aplicada 735 Nm Rigidez obtenida 1,44E+07 Nm/rad

Ilustración 75- Distribución esfuerzos en el caso de momento aplicado

Tabla 37- Esfuerzo máximo que aparece en el MSM debido a la aplicación de un momento


Valor de carga aplicada 735 Nm Valor de esfuerzo máximo 1,79E+07 N/m^2 Valor del límite de fluencia

del material 5,00E+08 N/m^2

Evaluación de los modos propios del sistema

Para evaluar los modos propios del mecanismo de separación es necesario tener en

cuenta la colocación de la masa del satélite. Como hemos comentado anteriormente para

el caso de carga del momento y además también lo indica la especificación, el centro de

masas se encuentra a una distancia de 0,25 metros. Con vistas a realizar un cálculo

conservativo, para el estudio de los modos del sistema coloco un nodo ficticio a una

distancia de la base de 0.4m.



Los modos de vibración que aparecen en la estructura ordenados de mayor a menor son

los que aparecen en la siguiente tabla:

Tabla 38- Frecuencias naturals del sistema

Número de Modo

Frecuencia Hz

1 1,42E+02 2 1,42E+02 3 8,92E+02 4 3,11E+03 5 3,15E+03 6 3,26E+03 7 3,29E+03 8 3,34E+03 9 3,37E+03 10 5,22E+03

Evaluando los tres primeros modos que son los más importantes vemos en que grados

de libertad tienen repercusión.

Tabla 39- Primera frecuencia natural

Número de Modo

Frecuencia Hz Tx (%) Ty (%) Tz (%) Rx (%) Ry (%) Rz (%)

1 1,42E+02 0,00 100,00 0,00 100,00 0,00 0,00

Ilustración 76- Modo 1



Tabla 40- Segunda frecuencia natural

Número de Modo


2 1,42E+02 100,00 0,00 0,00 0,00 100,00 0,00


Tabla 41- Tercera frecuencia natural

Número de Modo


3 8,92E+02 0,00 0,00 100,00 0,00 0,00 0,00




Energía que disipamos en el amortiguador (Damper)

Un aspecto muy importante en los mecanismos de separación es la solución que se

propone a la hora de frenar y capturar el tornillo una vez que la Pirotuerca realiza su

cometido.

Como ya sabemos, el mecanismo se encuentra sometido a una precarga interna, en la

que intervienen el tornillo, la Pirotuerca y los contactos cónicos de los brackets superior

e inferior.

Al liberarse el tornillo, éste lo hace con una velocidad que le imprime la Pirotuerca para

asegurar que el mismo se separa, y no se queda gripado así como la energía elástica

almacenada durante la precarga. Esta velocidad proporcionada por la Pirotuerca es del

orden de unos 4-6 m/s.

Tenemos la necesidad de frenar el tornillo generando el menor choque posible. Para ello

y como ya se ha comentado en la propuesta de diseño se introduce por un lado un

mecanismo que impide el retroceso del tornillo, y posteriormente un amortiguador.

Vamos a evaluar si el material que hemos seleccionado para la amortiguación del

choque tiene la capacidad suficiente para absorber la energía que tiene el tornillo.



Los componentes de absorción de choque como el nuestro, típicamente agotan un 60%

de la energía total que podrían absorber si el espesor final de las mismas fuera nulo.

Ejemplo:

En nuestro caso tenemos un elemento de espesor 5 mm, por tanto éste se consumirá

hasta que el espesor final sea de aproximadamente 2 mm.

Ilustración 79- Damper

Tabla 42- Características Damper

Material empleado Rohacell 51 WF Esfuerzo de compresión

soportado 8,00E+05

Pa

Área amortiguador 1,31E-04 m^2 Espesor 5 mm

Desplazamiento máximo 3 mm Energía máxima absorbida 0,315 J

Velocidad tornillo 10,2 m/s

Por tanto como vemos la pieza de Rohacell cumple su cometido, ya que la velocidad

que es capaz de amortiguar es superior a la que tendría el tornillo, y en términos de

energía la velocidad afecta de manera cuadrática a la energía absorbida.



Precarga mínima

Las cargas aplicadas son las siguientes:

Tabla 43- Cargas aplicadas al MSM


Aceleración -7,5 g/ +5,5 g ±6 g

Carga -3675 N/2695 N ±2940 N

A partir de estas cargas, tenemos que evaluar cómo se transmiten las mismas en la

estructura.

En primer lugar vamos a realizar un estudio del problema físico existente, que consiste

en dos contactos distintos, el primero del bracket superior con el bracket inferior, y el

segundo el contacto cónico.

Las cargas axiales que se aplican al conjunto junto con la resultante de carga del

momento aplicado en el borde, suman una componente de fuerza que tiene que ser

contrarrestada con la precarga existente entre las piezas superior e inferior.

Ilustración 80- Detalle contacto de los brackets precargados

Para precargar esta unión es necesario vencer (apretando el tornillo la separación

existente entre las aristas de los conos.

La precarga necesaria para que se produzca el contacto es aproximadamente 14700 N

con el peor caso de carga que es tracción.



Con esta precarga tenemos que dimensionar los flejes del bracket inferior de manera

que para desplazar los cuatro flejes solidarios la distancia de separación que tenemos es

necesario aplicar una precarga superior a dicha fuerza calculada anteriormente.

Para calcular la sección es necesario realizar una iteración de manera que la precarga

que apliquemos para desplazar los flejes sea mayor de la precarga para que se mantenga

el contacto superior de los brackets. Los cálculos siempre se realizan para un factor de

seguridad de 1,1.

Una vez conocida la sección de los flejes se define el factor λ como la relación entre la

carga axial que absorbe el cilindro y la carga que absorben los flejes al tener que

comprimir inicialmente el tornillo para desplazar el cono hembra inferior hacia arriba.

Para hallar el valor de dicho factor es necesario tomar la rigidez del conjunto cilíndrico

por un lado (se obtiene por elementos finitos) y la rigidez de los flejes cuya sección

acabamos de dimensionar.

Por otro lado tenemos que estudiar qué ocurre con las cargas laterales. Éstas son

absorbidas por fricción en el contacto de los flejes (en su mayoría), y parte la percibe el

contacto cónico. Por tanto el problema a evaluar es ver precarga necesito añadir al

tornillo, para que se mantenga en todo momento el contacto cónico.

Las cargas que va a percibir por tanto el contacto cónico son parte de las laterales (10%)

y una parte de las cargas axiales (Según el valor del λ obtenido)

Ilustración 81- Problema contacto cónico



Para tener datos conservativos no tengo en cuenta el rozamiento en el contacto cónico.

La ecuación para calcular la precarga es la que sigue:

La precarga del contacto cónico se calcula aplicando la siguiente ecuación:

La precarga obtenida al realizar los cálculos asciende a 17200 N aproximadamente. Para

tener en cuenta las incertidumbres, las pérdidas de precarga que se originan por

relajación, y los efectos de la temperatura, se estima que la precarga es del orden de

20000N.

Par de apriete del tornillo

Para obtener esta precarga en el contacto cónico es necesario aplicar un par determinado

al tornillo. La precarga del tornillo depende de:

• Par aplicado al tornillo • Paso del tornillo • Métrica del tornillo • Coeficiente de fricción del mismo con la tuerca

Ilustración 82- Unión precargada



En nuestro caso concreto tenemos:

Diámetro 6,35 mm. Paso 1,05 mm. Par aplicado 19 Nm

Diám. medio 5,67 mm.

tgß 0,059

N senß + µ N cosß = T/ Dmedio

Pretensión = N cosß - µ N senß

Pret. = (T/Dmed.) { ( 1 - µ tgß ) / ( tgß + µ ) }

Par de apriete 19,00 Nm.

µ Pretensión

0,08 24,01 KN.

0,1 20,96 KN.

0,125 18,09 KN.

0,14 16,71 KN.

0,16 15,16 KN.

0,2 12,79 KN.


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Como vemos tanto en el cuadro como en el gráfico anterior, tenemos la variación de

precarga que se consigue al aplicar un mismo par en función del coeficiente de fricción.

Un coeficiente de fricción típico para tornillos lubricados está entre 0.10-0.11. Por ello

se ha seleccionado un par de apriete de 19 Nm, porque con éste par conseguimos la

precarga que necesitamos.

4. PROPUESTA TÉCNICA - bibing.us.esbibing.us.es/proyectos/abreproy/60091/fichero/4-Propuesta+técnica.pdf · DISEÑO DE PROPUESTA TÉCNICA PARA UN MECANISMO DE SEPARACIÓN DE MICRO-SATÉLITES

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