Física y sociedad14 Revista del Colegio Oficial de Físicos

Isabel Cabeza Vegareportaje

Los satélites y vehículos espaciales están sometidos a fuertes vibraciones y a aceleraciones tanelevadas que pueden llegar a deformar cualquier estructura. Por eso, resulta indispensable rea-lizar ensayos en tierra que verifiquen el funcionamiento de los componentes y equipos en con-diciones similares a las que sufrirán a lo largo de su vida operativa. Este artículo se centra enlos trabajos llevados a cabo en EADS CASA Espacio para el desarrollo de un laboratorio para lamedida de deformaciones micrométricas y la verificación de instrumentos ópticos espaciales.

PONIENDO A PUNTO LAS ESTRUCTURAS

LABORATORIOS Y ENSAYOS EN TIERRA

Las condiciones ambientales a lasque se ven sometidos los vehículosespaciales son muy agresivas. Unsatélite ha de sobrevivir a las car-gas de lanzamiento (aceleracioneselevadas, vibraciones intensas,choques y presión acústica) y, unavez en órbita, operar correctamen-te en el entorno espacial (ausenciade gravedad, alto vacío, variacionestérmicas, radiaciones ionizantes ymeteoroides). Por esa razón, laselección de los materiales y eldiseño estructural de los instru-mentos y equipos resulta de vitalimportancia en el campo aeroes-pacial, ya que será necesario ase-gurar prestaciones tales como altarigidez y resistencia para podersoportar el lanzamiento, o estabili-

dad dimensional frente al entornode vacío térmico orbital.

Una de las competencias deEADS CASA Espacio es el des-arrollo (diseño, fabricación y veri-ficación) de estructuras tanto delanzadores como de satélites. Yaen la década de los 80 la porentonces División Espacio deCASA se manifestó como una delas referencias europeas en eldiseño y fabricación de estructu-ras de alta estabilidad.

Se trata de estructuras utilizadaspara la realización de instrumen-tos que no admiten prácticamen-te deformación para su correctofuncionamiento. Muchas de ellas

están basadas en el uso de mate-riales compuestos, a base de fibrade carbono embebida en resina,matriz metálica o cerámica. Lainstrumentación óptica es la quemás demanda el uso de este tipode estructuras (telescopios deobservación estelar y de la Tierra,interferómetros, sensores ópti-cos), aunque también se utilizanen reflectores de antenas de saté-lites de telecomunicación o sen-sores de gravedad, entre otros.

A finales de los 80, una de lascarencias de la División Espacio deCASA era la imposibilidad de verifi-car las estructuras de alta estabili-dad que diseñaba y fabricaba. Porello, se planteó el reto de desarro-

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Isabel Cabeza VegaPoniendo a punto las estructuras. Laboratorios y ensayos en tierra

reportaje

Física y sociedad

Son muchas las cargas a las que está sometido un satélite y,por tanto, muchas las causas que pueden generar deformaciónde una estructura

llar un laboratorio que permitieramedir las prestaciones de estabili-dad dimensional de dichas estruc-turas. De esta forma, se dotaría deun importante valor añadido a taltipo de productos: la posibilidad deentregarlos al cliente verificadosexperimentalmente.

El planteamiento del problema

Como ya se ha dicho, son muchaslas cargas a las que está sometidoun satélite y, por tanto, muchas lascausas que pueden generar defor-mación de una estructura. Una delas más importantes es la variaciónde temperatura que se produce enlos elementos del satélite debido asu distinta orientación respecto alas fuentes de radiación térmica(sol, espacio profundo y albedoterrestre) en su recorrido orbital.

La temperatura de los componen-tes en el exterior del satélite (comoes el caso de los reflectores de lasantenas de telecomunicación)puede llegar a variar hasta 300 ºC(entre +120 ºC y -180 ºC), mientrasque los elementos interiores varí-an mucho menos, unos 100 ºC(entre +60 ºC y -40 ºC) al no estardirectamente sometidos a laradiación térmica exterior. En elcaso de instrumentos ópticos, lavariación de temperatura suele sermucho menor, en torno a 50 ºC(entre +40 ºC y -10 ºC) gracias alcontrol térmico de que se les dota.

Por otro lado, para ser embarcadoen un satélite, un instrumentoóptico ha de alinearse en tierraantes del lanzamiento y este aline-amiento se ha de mantenerdurante toda la vida operativa dela misión para la que se ha diseña-

do. La estabilidad exigida dependedel tipo de instrumento. Uno delos casos más críticos son los teles-copios, en los que la distanciaentre espejos debe mantenerse,respecto a su posición nominal, enel rango de las micras (10-6 m).

Un análisis de las dimensionesde los instrumentos, las estabili-dades requeridas y las variacio-nes del entorno ambiental noslleva a la conclusión de que lasestructuras deben diseñarsepara asegurar estabilidades,frente a variaciones térmicas,entre 1 y 100 micras. Ello condu-ce a la utilización de materialesde coeficiente de expansión tér-mica, a = ΔL/(L·ΔT), del orden de,o inferiores a, 10-6 m/(m·K).

Para poder verificar las prestacionesde estabilidad dimensional de taltipo de estructuras, se necesita unatécnica de medida con precisiónsubmicrométrica, lo que implica eluso de métodos sin contacto. Comode lo que se trata es de medir varia-ciones de longitud, y no longitudesabsolutas, lo más adecuado eshacer uso de técnicas interferomé-tricas, y es aquí donde se manifes-taba el reto más complejo.

La interferometría es una técnicamuy potente para la realizaciónde medidas diferenciales micro-métricas, ya que es capaz de ase-gurar resoluciones de hasta elnanómetro (10-9 m). Sin embargo,la interferometría exige unasuperficie de trabajo muy esta-ble, es decir, requiere aislamientosísmico. Por otro lado, mientrasque los especímenes objeto deensayo deben estar bajo entornode vacío térmico, la interferome-

tría exige el uso de elementosque son claramente incompati-bles con vacío y entornos térmi-cos variables: un láser estabiliza-do en frecuencia y una cámaradigital para recepción de imagen.

Con todo lo anterior, el desarrollode la instalación de ensayos quese planteaba debería permitir:

· controlar un entorno de vacíotérmico variable en los especí-menes objeto de ensayo

· configurar una o varias cavida-des interferométricas en lasestructuras en función de lasprestaciones a verificar

· asegurar aislamiento sísmico· por último, instalar la óptica y los

¬ Verificación de la estabilidad dimensionalde la estructura del satélite GOCE de la ESA.EADS CASA Espacio

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equipos auxiliares requeridos porla técnica interferométrica fueradel entorno de vacío térmico.

La solución

Creación del entorno ambientalEl entorno de vacío se crea en elinterior de una cámara de vacío,dotada con un equipo de bom-beo que permite alcanzar unapresión de hasta 10-5 mbar(1mbar ≈ 10-3 atm). Para facilitarlos montajes de ensayo, la cáma-ra de vacío se abre por su gene-ratriz, pudiendo retirarse su par-te superior. La parte inferior esfija y lleva todas las conexiones.

Para proporcionar el ambiente tér-mico controlado sobre los especí-menes objeto de ensayo existe unconjunto de camisas térmicas quese pueden configurar de formamodular. Así, el ambiente térmico,que se configura en el interior de lacámara de vacío y es exclusivamen-te radiativo, se puede adaptar acada ensayo en función de la formay dimensión del espécimen y de lasprestaciones a verificar. El controla-dor (tipo PID) tiene 4 grados delibertad, lo que permite crear gra-dientes térmicos a voluntad. Losgradientes térmicos son uno de losfactores más degradantes de laestabilidad dimensional. El rangode temperaturas que se puedealcanzar está entre -50 ºC y +100 ºC.

El aislamiento sísmicoEn el interior de la cámara de vacíose instaló una mesa óptica queconstituye la superficie de montajede las estructuras a verificar. Lamesa óptica se apoya sobre un blo-que sísmico, el cual permite aislarla superficie de trabajo de las per-turbaciones exteriores (aquellasque provienen del exterior de lacámara de vacío). La mesa ópticatiene su propio sistema amorti-guador para minimizar las pertur-baciones de la cámara de vacío. De

esta forma la superficie de monta-je alcanza la estabilidad requeridapor la interferometría.

La técnica interferométricaAunque se pueden configurardistintos tipos de interferómetro,el más adecuado para la medidade distorsión axial es un interfe-rómetro tipo Fizeau. Tal interferó-metro da como resultado unaimagen de franjas paralelas yequidistantes, que se caracteri-zan por tres parámetros: inter-franja, inclinación y fase.Los parámetros de la imagendependen de la posición relativaentre los espejos que forman lacavidad interferométrica. Cuan-do el espécimen se deforma, losespejos cambian su posiciónrelativa y por tanto la imagencambia. Midiendo la variación de

los parámetros de la imagen sepuede determinar la deforma-ción sufrida por el espécimen. La calidad opto-mecánica y elprocesado de imagen (desarro-llado a medida) permiten alcan-zar una resolución en la medidade deformación axial de 0,03mm, para un rango de deforma-ciones de entre 1 mm y 500 mm.

Con excepción de las cavidadesinterferométricas, todos los com-ponentes ópticos necesarios(láser, óptica auxiliar y cámara derecepción de imagen) se han ins-talado en una mesa óptica, sopor-tada por el bloque sísmico, fuerade la cámara de vacío. El accesoóptico entre el interior de lacámara de vacío y el exterior sehace a través de las ventanas dela «tapa» de la cámara de vacío.

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¬ Esquema óptico del interferómetro para la medida de deformación axial

¬ Imagen interferométrica

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Un instrumento óptico ha de alinearse en tierra antes del lanzamiento y este alineamiento se ha de mantener durantetoda la vida operativa de la misión

La ubicaciónDadas las características del sis-tema, resultó imprescindible suubicación en un área limpia. Lainstalación es una sala de clase10.000, con temperatura yhumedad relativa controladas.

El resultadoTeniendo en cuenta la técnica demedida, la instalación de ensa-yos se denominó «Sistema Ópti-co de Medida». Su acrónimoOMS proviene de las siglas eninglés y así se le conoce en elsector espacial europeo.

Aunque el objetivo inicial del sis-tema era la medida de distorsio-nes micrométricas, actualmentese puede decir que el OMS es unlaboratorio óptico con capacidadpara trabajar en un ambiente devacío térmico.

El contexto del desarrolloLos requisitos funcionales básicosdel OMS fueron elaborados por laESA. El desarrollo del sistema fueuna inversión de CASA, parcial-mente financiado por el INI y elCDTI. Siempre que fue posible, seinvolucró a la industria españolaen la fabricación de componentes.

El desarrollo del OMS duró casi 4años, desde mediados de 1989hasta marzo de 1993, en que estu-vo completamente operativo.

Aplicaciones y uso del laboratorio

Desde 1993 el OMS se ha utilizadoen gran cantidad de proyectos, tan-to de desarrollo como de aplica-ción. Uno de los primeros trabajosconsistió en una serie de ensayospara la medida del coeficiente de

expansión térmica de los materia-les seleccionados para la estructu-ra de un telescopio militar. Con eltiempo, este tipo de ensayos se haestandarizado para distintos tiposde probetas: planas, tubos y confi-guraciones en «sándwich».

Aunque conceptualmente elOMS no ha variado desde su des-arrollo, la demanda de distintostipos de ensayos lo ha hechoevolucionar, fundamentalmenteen el desarrollo e implantaciónde nuevas técnicas de medida.Actualmente, el OMS cuenta conlas siguientes capacidades:

· Medida del coeficiente de expan-sión térmica.

· Verificación de la estabilidaddimensional de muy distintosespecímenes, tanto por someti-miento a un entorno de vacío (pér-dida de humedad de materialeshigroscópicos), como por excursio-nes y gradientes térmicos.

· Ejecución de ensayos funciona-les de equipos de satélites enun entorno de vacío térmico.

· Verificación de la estabilidaddel frente de onda de elemen-tos ópticos.

· Medidas de deformación angu-lar estructural, aplicando deflec-tometría óptica.

Además del uso en proyectos inter-nos de EADS CASA Espacio, el OMSha sido utilizado por institucioneseuropeas tales como la ESA y elCERN, por la industria espacial euro-pea (Aerospatiale, Alenia, Alcatel,Dornier, Bertin, MMS…) y por centrosde investigación españoles (IAC,CAB, Universidad Miguel Hernán-dez y Universidad de Cantabria).

Por último, cabe reseñar uno de los

ensayos más recientes realizados: laverificación de prestaciones de losprimeros prototipos de sensoresópticos de alta precisión (High Preci-sion Optical Metrology). Dichos sen-sores están siendo desarrolladospor la ESA para ser aplicados en elvuelo de satélites en formación. Setrata de una de las tecnologías máspunteras que existe en el mundoespacial, pues deben ser capaces demedir la posición relativa y absolutaentre satélites con precisión nano-métrica (10-9 m). Uno de los usos porexcelencia de estos sensores será lafutura misión Darwin, que se conci-be como una flotilla de satélitespara configurar un interferómetrocapaz de detectar planetas simila-res a la Tierra.

Isabel Cabeza Vega es doctora enCiencias Físicas por la UniversidadComplutense de Madrid. En 1989 seincorpora a EADS CASA Espacio, don-de actualmente es responsable de laSección de Proyectos Avanzados.

Quiero expresar mi profundo agradec-imiento a Gonzalo Galipienso Calatayud,responsable del Departamento de Tec-nología y Desarrollo de CASA hasta elaño 1998. Sin su constante apoyo e ines-timable colaboración, el desarrollo delSistema Óptico de Medida no habría lle-gado a buen puerto.

¬ Montaje para la verificación de prestacio-nes de sensores ópticos de precisión nanométrica. EADS CASA Espacio

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