Dynamic phenomena in the design of new concepts of space systems
- Autores: Andrés García Pérez
- Directores de la Tesis: Gustavo Alonso Rodrigo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Angel Pedro Sanz Andres (presid.), Marcos Chimeno Manguan (secret.), Pablo Fajardo Peña (voc.), Ali Ravanbakhsh (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Aeroespacial por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
El diseño estructural es un aspecto fundamental en el desarrollo de sistemas espaciales para garantizar su supervivencia frente al severo entorno mecánico a los que van a estar expuestos durante la misión, especialmente durante la fase de lanzamiento. Este entorno mecánico está compuesto por cargas dinámicas que interactúan con el comportamiento estructural de los sistemas espaciales, generando tensiones y deformaciones que pueden afectar a los componentes más sensibles. Esta tesis doctoral se centra en el estudio de dos aspectos importantes relacionados con el comportamiento estructural de los sistemas espaciales: el análisis de choque y el acoplamiento dinámico.
Una de las cargas mecánicas más importantes es el choque, que se caracteriza por su alta intensidad, corta duración y comportamiento transitorio. El primer bloque de esta tesis es el desarrollo de una nueva metodología para evaluar los efectos de las cargas de choque en las estructuras espaciales mediante simulaciones numéricas. El método elegido en este trabajo para evaluar la respuesta estructural frente a cargas de choque es el enfoque de elementos finitos, que se usa ampliamente en la industria espacial para analizar los efectos estructurales en otros entornos mecánicos como las aceleraciones inerciales estáticas y las vibraciones sinusoidales y aleatorias. El objetivo de esta investigación es la definición y la validación de una metodología para análisis de choque para ser implementada en el proceso de verificación de estructuras espaciales como instrumentos y satélites. Con este propósito, el estudio de las simulaciones numéricas de choque se aplica a los ejemplos de los instrumentos STEP y EPT HET de la misión Solar Orbiter para demostrar la aplicabilidad de la metodología propuesta en casos reales de estructuras espaciales. La investigación comienza con una visión general de las diferentes opciones para las simulaciones de choque compatibles con el enfoque de elementos finitos, aplicándolas al modelo de elementos finitos del instrumento STEP para evaluar sus características y la precisión de los resultados obtenidos mediante la comparación con los datos del ensayo de choque. Entre las opciones estudiadas, el análisis transitorio modal es el más apropiado para calcular los efectos de las cargas de choque, destacando su mayor precisión, versatilidad y representatividad del entorno de choque, que supera sus aspectos negativos relacionados con su mayor tiempo computacional y su mayor cantidad de datos generados comparado con los otros métodos. Las diferencias entre resultados numéricos y experimentales en términos de valores de pico de las aceleraciones de respuesta encontradas en este trabajo con el ejemplo del instrumento STEP están dentro del rango aceptable de ±3 dB para los análisis transitorios modales.
La investigación continúa con la evaluación de la precisión de los resultados numéricos calculados por los análisis transitorios modales que simulan los entornos de los ensayos de choque, estudiando la influencia de los parámetros de entrada más relevantes como el amortiguamiento y la definición del campo de aceleraciones de entrada, que puede ser no uniforme y con aceleraciones no despreciables en los tres ejes ortogonales. Este estudio revela que la técnica tradicional para representar la excitación dinámica de la base mediante un nodo conectado rígidamente a todos los nodos de la interfaz de la estructura analizada no es adecuada para representar el ambiente de entrada medido en los ensayos de choque por impacto cuando el campo de aceleración no es uniforme, así que se proponen nuevas técnicas en este trabajo para mejorar la definición del campo de aceleraciones de entrada. Dos de las técnicas propuestas consiguen una mejora considerable en la precisión de las aceleraciones de respuesta cuando se compara con los resultados experimentales extraídos de los ensayos de choque del instrumento STEP.
Este bloque finaliza con la descripción del procedimiento de verificación de choque aplicado a los instrumentos STEP y EPT HET, donde la capacidad de ambas unidades para soportar las cargas de choque especificadas se demuestra finalmente mediante análisis numéricos, siguiendo la metodología desarrollada en este trabajo. Este procedimiento es útil para ser adaptado a proyectos futuros con la misma necesidad de demostrar numéricamente la capacidad estructural para soportar las cargas de choque especificadas.
El segundo bloque de esta tesis doctoral se centra en el estudio de los efectos del acoplamiento dinámico o modal, que se produce cuando la frecuencia natural de una parte secundaria, como una carga de pago o un equipo, está cerca de la frecuencia natural de uno de los modos globales de la estructura primaria, que en este caso corresponde a un satélite. El acoplamiento dinámico se evita generalmente en las estructuras espaciales imponiendo limitaciones en las frecuencias naturales de los subsistemas secundarios para asegurar la separación necesaria de sus frecuencias locales con las frecuencias globales del sistema principal. Sin embargo, hay diseños particulares donde el acoplamiento dinámico entre una carga de pago y un satélite es inevitable debido a otros requisitos de la misión y, por tanto, se deben estudiar los efectos provocados por este fenómeno para predecir las consecuencias estructurales tanto para el satélite como para la carga de pago. Para empezar el estudio sobre el acoplamiento dinámico, se usa un sistema de dos grados de libertad para obtener expresiones analíticas sencillas que ayuden a comprender cómo cambian las frecuencias naturales, formas modales y masas modales efectivas con el grado de acoplamiento modal. Se muestra en este trabajo que la modificación de los valores de estos parámetros es notable, incluso para valores muy pequeños de la relación entre las masas secundaria y primaria. Las expresiones analíticas obtenidas se aplican posteriormente a dos casos de diseño para definir los límites de los valores de los parámetros de diseño para conseguir que el sistema global cumpla con los requisitos impuestos relativos a las frecuencias naturales.
La investigación del acoplamiento dinámico termina con el cálculo numérico de los efectos de este fenómeno con el ejemplo del satélite UPMSat 2 como estructura primaria y las antenas de comunicación como parte secundaria, mostrando la influencia del grado de acoplamiento modal en el comportamiento dinámico tanto del satélite como de las antenas. Uno de los resultados más interesantes es la reducción de un 57% de las fuerzas máximas generadas en los tornillos de interfaz del satélite cuando está sometido a una vibración sinusoidal como consecuencia del acoplamiento modal de las antenas, que es una consecuencia notable teniendo en cuenta que la masa de las antenas analizadas es sólo aproximadamente el 0.25% de la masa del resto del satélite. Sin embargo, las antenas sufren las consecuencias negativas del acoplamiento dinámico, donde las tensiones generadas en estos elementos aumentan más de dos veces con respecto al caso desacoplado, sobrepasando el límite permisible y provocando el colapso estructural de estas partes secundarias.
