La utilización de lo sensores de vibración es de gran utilidad cuando se desea estudiar como responde un dispositivo ante condiciones mecánicas extremas. Se estudiará el caso de la participación de la compañia proveedora de equipos para el estudio de vibraciones Brüel & Kjær en el ensayo de vibraciones para el satelite argentino ARSAT 1 de INVAP S.E. realizado por la Organización de Investigación Espacial brasileña INPE.
Figura 1. Logos de los Participantes del Ensayo. Izquierda: Brüel & Kjær. Derecha: Instituto Nacional de Investigación Espacial brasileña. Inferior: Sociedad del estado argentino "Investigaciones Aplicadas".
Brüel & Kjær es una empresa danesa que se especializa en la instrumentación para medición de vibraciones. Esta compañia fue la encargada de la instalación y del equipo que sería utilizados por la INPE. El Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (INPE) es una unidad de investigación del ministerio brasileño de ciencias y tecnologia y en este caso realiza el ensayo al satelite ARSAT 1 de la compañia IVAP S.E. Esta compañía es la úncia en Latinoamérica certificada por NASA para suministrar tecnologías espaciales. El satelite ARSAT 1 es un satélite de orbita geoestacionaria para telecomunicaciones. El ensayo se realizo en el Laboratorio de Integración y Ensayo (LIT) de el INPE que tiene las instalaciones completas para realizar prubas a satélites. El LIT cuenta con cámaras térmicas y facilidades altamente especializadas para evaluar el comportamiento de la vibración, la fatiga, el esfuerzo y la integridad estructural de los satelites, sus componentes y sub-sistemas.
Figura 2. Instalaciones del Laboratorio de Integración y Ensayo de la INPE.
La participación de la compañía Brüel & Kjær consto de dos partes, la instalación de dos dispositivos para realizar pruebas de vibraciones: ""Lds electro-dynamic shaker systems" y la integración de sensores y sistemas de adquisición de datos. En este caso se estudiara la en la segunda parte.
Motivo del estudio
Los satelites son dispositivos delicados los cuales una vez en orbita, no es economicamente rentable realizar reparaciones. Las condiciones de operación de estos dispocitivos son extremas debido a que se someten a una presion cerca del vacío total, altos niveles de radiación electromagnetica y cambios de tempeaturas bruscos que van desde el frió intenso de la oscuridad del espació al calor de la radiación solar directa. Ademas de las dificil condiciones de operación, el equipo debe soportar los altos niveles de vibración y presión acustica de sonido durante el lanzamiento del cohete que lo pondra en orbita.
Debido las condiciones dadas es necesario un ensayo a profundidad de todo el equipo del satélite. Es tambien necesario que el ensayo no sobrepase los niveles de vibraciones necesarios debido a lo costoso del equipo.
Figura 3. El satélite se somete a vibraciones
extremas durante el lanzamiento del cohete.
Equipos para la Prueba
Para realizar las pruebas se utilisaron dos vibradores electrodinámicos (electro-dynimic shakers), diseñados para las necesidades especificas de el INPE. Para los equipos grandes, se utilizó el vibrador enfiriado por agua V984 que es capaz de aplicar altos niveles de fuerza al satélite, que puede pesar varias toneladas, sin someterlo a exceso de vibraciones. Para los equipos mas pequeños se utilizo la unidad V964.
El satelite tambien fue ensayado en fatiga acústica para simular las condiciones del lanzamiento. Esto es realizado en una gran cámara acústica.
plataforma perzonalizada para las pruebas del
satélite.
Figura 5. Satélite en la cámara acústica.
Adquisición de datos
Para obtenter el comportamiento de equipo ante las vibraciónes, es necesario montar varios de cientos de canales de medición. Para esto se instalan sensores accelerómetros en toda la extención de la estructura para garantizar que ninguno de los componentes experimente vibraciones excesivas durante el lanzamiento. Es importante conocer como se comportan todos los puntos durante los 1 a 3 minutos que dura la prueba. En ete proceso, el operador se concentra en los puntos que reciben una sobrecarga, si uno de estos sobrepasa el nivel limite designado, la prueba se suspende.
Figura 6. Izquierda: Transductores integrados en la plataforma que miden las interacciones de fuerza entre el satelite y el cohete. Derecha: Acelerómetro ubicado en el panel solar del satélite.
Resultados
Una vez el ensayo acaba el sitema genera, a partir de los datos, un rango de funciones para analizar las diferentes pruebas:
- Ensayo de fatiga acústica - análisis de octava fraccional y FFT (Transformada Rápida de Fourier) .
- Ensayo de vibración aleatoria - análisis FFT (Transformada Rápida de Fourier).
- Ensayo de barrido senoidal - función de transferencia, sobre, analisis fundamental y harmónico, distorsión armónica.
- Ensayo trasendental - analisis de respuesta a choque.
Figura 7. Análisis en tiempo real de las vibraciones.
La comparación entre resultados es una parte importante del ensayo en satelites debido que a paritir de la comparación entre ensayos de referencia de baja vibración con ensayos de mayores niveles de vibración se infieren cambios estrucuturales.
En el caso del ensayo del satélite ARSAT1, los ensayos de vibración involucran una serie de barridos con cargas senoidales con un incremento en los niveles de vibración. Esto se realiza para verificar la integridad estrucural entre estos ensayos. El mismo ensayo de referencia de bajo nivel fue repetido despues de cada carga. Comparando los resultados del ensayo de referencia con los de carga se pude identificar efectivamente cualquier cambio en la estructura inducido por los ensayos.
Figura 8. Comparación de la información de referencia antes y despues del ensayo de carga.
Resolución
Con las herramientas utilizadas, el INPE pudo realizar satisfactoriamente todas las pruebas. El agosto 22 del 2012 el satélite salio de las instaciónes del Laboratorio de Integración y Ensayos de la INPE con la calificación necesaria.
Figura 9. Satélite ARSAT 1 con una imagen del espacio de fondo.
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