Sistema de potencia para microsatélites para la exploración científica del espacio profundo

Abstract

En los últimos años, los microsatélites con capacidad para realizar saltos de orbita han supuesto una revolución en la industria espacial, ya que permiten llevar a cabo misiones espaciales tanto comerciales como científicas, a un coste muy inferior al de las misiones espaciales tradicionales llevadas a cabo con grandes y costosas naves espaciales. Hasta la fecha, los sistemas de propulsión de estos satélites podían clasificarse en dos grandes grupos, los sistemas de propulsión eléctricos, y los sistemas de propulsión química. Recientemente ha ganado relevancia un tercer método de propulsión que no puede clasificarse en ninguno de los grupos anteriores. Se trata de un sistema de propulsión basado en la electrólisis del agua. Este sistema almacena agua como único combustible a bordo del satélite, lo que lo hace menos contaminante y seguro de manipular en tierra. Para generar empuje, el agua es separada en oxígeno e hidrógeno, elementos que posteriormente se combinan en un proceso de combustión que genera la propulsión requerida. En este contexto, y con el objetivo de ampliar el conocimiento en este ámbito, en la presente tesis doctoral se desarrollan y presentan los principales subsistemas que forman el sistema de potencia eléctrica de uno de estos microsatélites destinado a la exploración del espacio profundo, y cuyo sistema de propulsión se basa en la electrólisis del agua. En el primer capítulo se exponen todos los aspectos relacionados con el ámbito académico, dentro del programa de doctorado TECNIT y la Universidad Miguel Hernández de Elche. El segundo capítulo actúa a modo de introducción y revisión del estado del arte. Se presentan los aspectos fundamentales de los sistemas de potencia eléctrica en microsatélites y se realiza una revisión bibliográfica que muestra el estado del arte en cuanto a lo que sistemas de potencia eléctrica para microsatélites se refiere. El tercer capítulo presenta una propuesta de misión espacial que se toma como punto de partida para el dimensionamiento del microsatélite. Asimismo, en este capítulo se realiza una propuesta preliminar tanto del sistema de potencia como de los principales subsistemas a bordo. Los siguientes tres capítulos se corresponden con los tres trabajos que conforman el compendio de artículos que constituye la presente tesis doctoral. En ellos se incluyen de forma íntegra cada una de las publicaciones, así como una extensión de los resultados de estas publicaciones que por su extensión no pudieron ser incluidos en dichos trabajos. Estos trabajos son los siguientes: -Concepción y desarrollo de un regulador de paneles solares responsable de extraer la potencia eléctrica de los paneles solares e inyectarla en el bus de batería. Este regulador es capaz tanto de regular la tensión de final de carga de la batería cuando esta se encuentra completamente cargada, como de maximizar la extracción de potencia en otros casos. La fiabilidad y tolerancia a fallos son aspectos críticos del diseño. -Concepción y desarrollo de dos nuevas técnicas de seguimiento del punto de máxima potencia implementadas de forma analógica, cuyo diseño permite detectar máximos globales en curvas que presentan más de un máximo. -Concepción y desarrollo de un regulador específicamente diseñado para alimentar al electrolizador a bordo del microsatélite. Dicho regulador está formado por cuatro convertidores DC-DC entrelazados que permiten minimizar el rizado de corriente de salida. De nuevo, la fiabilidad y tolerancia a fallos son aspectos críticos del diseño. El séptimo y último capítulo presenta tanto las conclusiones obtenidas como un resumen de las principales aportaciones y líneas abiertas en las que se podrá seguir trabajando en un futuro. Finalmente se incluyen cuatro anexos que facilitan la comprensión de los prototipos y bancos de prueba que han formado parte del presente trabajo, así como las principales referencias bibliográficas.