Tendencias en nanosatélites

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Tendencias en nanosatélites

Carlos Duarte

@karlozduarte

Querétaro, Qro. 11 de noviembre de 2017

Taller de diseño de Femtosatélites

Objetivo de la presentación

Explorar las tendencias

en el desarrollo de

satélites pequeños y

sus implicaciones en el

sector espacial

Contenido

• Cambios recientes en el sector espacial

• ¿Qué está impulsando el desarrollo de los pequeños satélites?

• El estándar CubeSat

• Algunas empresas líderes en desarrollo de nanosatélites

• Tendencias de los nanosatélites

• Retos del desarrollo de nanosatélites

• Conclusiones

El sector espacial está cambiando drásticamente

OldSpace

• Dominado por contratistas militares

• Costo más sobreprecio

• Enormes equipos de trabajo (del

orden de miles de personas)

NewSpaceEmpresas pequeñas, jóvenes

emprendedores

Contratos comerciales de precio fijo

Rápido ciclo de desarrollo

Tecnología Comercial (COTS)

Presupuesto de la NASA como porcentaje del gasto federal

de Estados Unidos

Fuente: White House Office of Management of Budget

Empresas nuevas formadas

Fuente: Trackxn ´NewSpace Report, diciembre 2016

Número de rondas e inversión total

NewSpace en México

NewSpace en México

LP Bond

Asociaciones universitarias:

• Asociación Aeroespacial de la Facultad de

Ingeniería de la UNAM

• Asociación Aeroespacial de la ESIME

Ticomán del IPN

• UNAMSpace

Satélites pequeños

100 Kg- 500 Kg

Minisatélite

10 Kg- 100 Kg

Microsatélite

1 Kg- 10 Kg

Nanosatélite

100g a 1kg

Picosatélite

< 100 g

Femtosatélite

En general, cualquier satélite de menos de 500 kg es considerado “pequeño”

¿Qué está impulsando el desarrollo de nanosatélites?

• Convergencia de TIC´s y

espacio

• Miniaturización de

componentes

• Desarrollo de MEMS

• Uso de COTS

Ley de Moore en electrónica de consumo

1990

Mac II fx, Costo: $10,000 US Dlls

Peso: 12 Kg

Memoria 10 MB

Procesador 40 MHz

2017

MacBook Air, Costo: $ 1,000 US Dlls

Peso: 1.5 Kg

Memoria: 16 GB

Procesador 2.2 GHz

10 veces más barata

10 veces más liviana

100 veces más poderosa

Ley de Moore para sensores espaciales

2006

Sensor digital de sol, TNO

475 g

2017

Sensor digital de sol, nanoSSOC-D60,

The CubeSat Shop

6.5 g

Mejora de 1000 vecesen el desempeño/precio

Mejoras en la tecnología de pequeños

satélites (90´s a la fecha)Potencia

• La eficiencia de la conversión fotovoltaica ha aumentado de 18% a 28%

• Eficiencia de los convertidores DC/DC ha aumentado de 86% a 93%

• Los switches FET tienen casi cero resistencia

• Las baterías de Li-Ion han mejorado considerablemente los niveles de almacenamiento de energía

Sistemas de RF

• Mejores y más rápidas herramientas de modelado y diseño

• La eficiencia DC a RF de los amplificadores de estado sólido ha aumenta de 30% a 50%

• Mejor codificación de canal FEC los requimientos Eb/N0 en más de 2 dB

• Evolución de las bandas VHF a la S y ahora a la X para los enlaces de las cargas útiles


satélites (90´s a la fecha)

Control de orientación y tecnologías de cómputo

• Capacidad de cómputo a bordo ha aumentado en dos órdenes de magnitud

• Capacidad de almacenamiento ha aumentado en 3 órdenes de magnitud (mejor que la Ley de Moore)

• Los eficiencia energética del cómputo MIPS/Watt ha aumentado en 2 órdenes magnitud (Ley de Moore)

• Disponibilidad de sensores dedicados a satélites pequeños

• Disponibilidad de ruedas de reacción para satélites pequeños


satélites (90´s a la fecha)

Mejoras en la tecnología de pequeños satélites

(90´s a la fecha)Propulsión

Sistemas miniatura en una gran

diversidad de configuraciones y

tecnologías de propulsión

A partir de las regulaciones para de-

orbitar, es seguro que la tecnología de

propulsión evolucionará muy rápidamente


satélites (90´s a la fecha)Tecnologías de estructuras e ingeniería mecánica

• Las herramientas de diseño y modelado mecánico han evolucionado por lo menos un orden de magnitud en capacidad y velocidad

• Estructuras de materiales compuestos

• Desarrollo de tecnologías de despliegue mecánico para satélites pequeños

¿Qué está impulsando el desarrollo de nanosatélites?

• Costo

• Lanzamiento más simple y barato

• Menores ciclos de desarrollo

• Capacidad de operar en constelaciones

– Confiabilidad

– Mayor cobertura

• Estándar CubeSat

El Standard CubeSat

• En 1999, un profesor de la Universidad de Stanford y otro del

CalPoly en San Luis Obispo, California crearon el Standard

CubeSat 1 U (10 x 10 x 11,5 cm 1,33 kg)

• Pueden ser ensablados para formar 2U, 3U, 6U;

• En general son lanzado como cargas secundarias de lanzamientos

de satélites mayors, con lo que reducen los costos de lanzamiento

significativamente

Fuente: State of the Satellite Industry Report, June, 2016.

Las especificaciones del estándar CubeSat son

de los tipos siguientes:Requerimientos generales

• Se refieren a cuestiones como la capacidad máxima de las baterías, el uso de

sistemas de propulsión, y el empleo de materiales peligrosos, entre otras cosas.

Requerimientos mecánicos

• Se refieren a la tolerancias en las dimensiones, masa y tipo de materiales de la

estructura, entre otras cosas.

Requerimientos eléctricos

• Se refieren a los sistemas de protección eléctrica para garantizar la seguridad del

CubeSat.

Requerimientos de operación

• Se refieren a las condiciones en las que debe operar el CubeSat, tales como el

inicio de transmisión de datos, el despliegue de antenas, páneles solares, etc.

Requerimientos de pruebas

• Se refieren a las pruebas a las que debe someterse el CubeSat para ser

calificado para vuelo por el vehículo de lanzamiento.

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El P-POD, clave del éxito del standard CubeSat

Poly Picosat Orbital Deployer

Ley de Moore para CubeSats

Planet, empresa disruptiva

Diagrama esquemático de un Dove

Ficha técnica del Dove

Sistema de comunicaciones del Dove

Spire: enfocados a recolectar datos desde el

espacio

OneWeb

• OneWeb está

desarrollando una

constelación de 648

satélites para

proporcionar internet

de banda ancha a nivel

global

Tendencias de nano/microsatélites por

sector 1-50Kg

35Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

Tendencias de nano/microsatélite por aplicación

1-50Kg

36

Se espera que las aplicaciones de percepción remota y observación de la Tierra sean las dominantes en el futuro

Las aplicaciones de comunicaciones están aumentando y representarán una porción pequeña del total

Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

Tendencias de tamaño de nanosatélites

1-10Kg

37El tamaño está aumentando, debido a la demanda de mayor capacidadFuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

Nano/Microsatélites lanzados 2000-2016

1-50 Kg

38Los nanosatélites de 1-10 Kg aún es el favorito de los operadores, pero los de 11-50Kg y mayores están aumentando de popularidad Fuente: 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast, Space Works Enterprises, Inc.

Nano/Microsatélites lanzados en 2016

39El número de vehículos que ofrecen lanzar Nano/Microsatélites al espacio está aumentando, sin embargo aún hay una deficiencia de lanzamientos dedicados


Órbitas de Nano/Microsatélites

40

La órbita de la EEI ha sido favorecida por cuestiones de conveniencia . Al diversificarse las oportunidades de lanzamiento, el uso de la órbita de la EEI disminuirá

El 80% de los satélites que se lanzarán en los siguientes 3 años utilizarán la órbita helio síncrona, en contraste del 39% en los 3 años anteriores


Pronóstico de lanzamiento de satélites pequeños (1-

50Kg)

Las proyecciones están

basadas en los planes futuros

de los desarrolladores

Indican que se requerirán

lanzar casi 2,400

nano/microsatélites de 2017 a

2023


¿Qué pasó en 2016?Los retrasos en los lanzamientos

• Más de 100 satélites pequeños resultaron impactados por retrasos en 2016

SpaceX no lanzó satélites pequeños en 2016

• El vuelo de prueba de SHERPA se retrasó, lo que provocó que varios usuarios buscaran otras

alternativas de lanzamiento.

• Las constelaciones de observación de la tierra y percepción remota (Planet y Spire) representaron

casi la mitad de los lanzamientos de nano/microsatélites en 2016

• China lanzó el 13% de todos los lanzamientos de nano/microsatélites lanzados en 2016, superada

solamente por Estados Unidos (63%)

• Dado que la mayor parte de los satélites pequeños

se van de ´aventón´ en misiones más grandes, es

difícil encontrar lanzamientos óptimos

• Los proveedores de lanzamiento tradicionalmente

se enfocan a lanzar cargas grandes porque son

más redituables.

• No hay servicios de lanzamiento especializados en

nanosatélites

Cuello de botella, el lanzamiento

Oportunidades de lanzamiento por

brokers/integradores• Adaptive Launch Solutions (ALS)

• NanoRacks LLC

• Spaceflight Industries

• TriSept Corporation

• Tyvak Nanosatellite Systems Inc.

Algunos servicios de lanzamiento comercial que

aceptan satélites pequeños

• Delta IV (ULA/Boeing Launch Services)

• Falcon 9 (incluída la Dragon) (SpaceX)

• Falcon Heavy (SpaceX)

• Atlas V (ULA)/Lockheed Martin

• PSLV de ISRO

Los lanzamientos de nano/microsatellites

como cargas secundarias requieren de

adaptadores

EELV Secondary

Payload Adapter

(ESPA) se está

convirtiendo en un

estandard

46

SHERPA

Spaceflight Inc. ha propuesto un remolcador

espacial para el Falcon 9 de SpaceX llamado

Sherpa que sería capaz de transportar cargas

secundarias pequeñas a órbitas distintas a las de

la carga principal.

SHERPA incorpora sistemas de propulsión y

generación de energía para maniobrar y colocar a

las cargas secundarias en órbita.

La NASA firmó un contrato con Spaceflight para

lanzar hasta 24 cargas útiles en 2018 con

opciones para otras 24 en 2019 y 2020

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Sistema de lanzamiento

Carga útil (Kg)

Fecha planeada de primer vuelo

Precio Configuración

Electron 150 2017 $33K/kg Cohete de dos etapas lanzado desde tierra

Launcher One 300 2017 $33K/kg Lanzado desde aire

Kualzhou 1A 250 2017 57K/kg Cohete de 4 etapas lanzado desde tierra

Vector-R 28 2018 64K/kg Cohete de dos etapas lanzado desde tierra, tercera

etapa eléctrica opcional

LandSpace.1 400 2018 20K/kg Cohete de 4 etapas lanzado desde tierra

GOLauncher 2 44 2019 57K/kg Lanzado desde el aire con solido y líquido

Intrepid -1 376 Intrepid-

1

14K7kg Lanzado desde tierra, cohete híbrido de dos etapas

Arion 2 93 2021 34K/kg Lanzado desde tierra, 3 etapas, cohete líquido

Nuevas ofertas de lanzamiento dirigidas a

nano/microsatélites


Space Launch System (NASA)

13 CubeSats de 6U

volarán en la misión

EM-1 en 2018

El futuro

IoT

Cómputo en la

nube

Big Data

Interacción con

UAVs

Oportunidades para conectar el IoT

Categoría 2016| 2017 2018 2020

Productos al consumidor 3,963.0 5.244.3 7,036.3 12,863.0

Empresarial: transversal a

la industria

1,102.1 1,501.0 2,132.6 4,381.4

Empresarial: Vertical

específico

1,316.6 1,635.4 2,027.7 3,171.0

Total 6,381.8 8,380.6 11,196.6 20,415.4

Fuente: Gartner (enero 2017)

Base instalada de unidades IoT por categoría (millones de unidades)

Tecnologías del futuro

• Sensores– Cada vez más precisos y pequeños

• Comunicaciones– Comunicación entre satélites para

coordinación y sincronización

• Autonomía– Coordinación de constelaciones

– Tolerancia a fallas

Retos del desarrollo de nanosatélites

• Basura espacial

• Congestionamiento de órbitas

• Congestionamiento de frecuencias

• Regulación

Número de empresas que solicitan Advance Publication

Information (API´s) relacionadas con satélites pequeños a la

UIT

Una API es la indicación de la intención de una organización de lanzar una red satelital, proporciona información como la identidad de la red satelital, fecha de uso, información orbital y características de la red. https://www.itu.int/newsarchive/wrc2000/presskit/how-sat.html

Conclusiones

• Los nanosatélites son un nicho

cada vez más importante del

sector espacial

• Sus capacidades y desempeño

está aumentando

• Su corto tiempo de desarrollo

permite que sirvan para probar

nuevas tecnologías

Conclusiones…cont

• Están incursionando cada

vez en aplicaciones más

diversas

• Conforme esta tendencia

continúe abrirá muchas

oportunidades para el futuro

¡Muchas gracias!

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