Un nuevo sistema de acoplamiento para encuentros espaciales

La Agencia Espacial Europea (ESA) está trabajando en un nuevo sistema que permita un fácil acoplamiento entre dos naves espaciales. maxon ha desarrollado dos sistemas motores específicos para ello.

SENER / maxon / Sierra Nevada Corp.
Para el anillo interior duro (Hard Capture System), maxon desarrolló un motor plano EC 32 con dos bobinados y un reductor planetario GPX 22 UP.
Hay doce sistemas motores maxon para accionar los ganchos de bloqueo. Cada uno de ellos está compuesto de dos motores EC-4pole 30 brushless y un reductor GPX 42 UP.

Aunque se haya llevado a cabo muchas veces antes, la maniobra de acoplamiento entre dos objetos en el espacio es siempre un proceso delicado y potencialmente peligroso. La velocidad es extremadamente alta (unos 28 000 km/h en el caso de la ISS) y las correcciones son difíciles. Cuando, por ejemplo, los dos objetos están a punto de encontrarse ya no es posible utilizar los propulsores de maniobra, ya que sus penachos de escape podrían causar daños. Para evitar esto, los transportadores de carga son capturados por un brazo robótico instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés) y el atraque se hace manualmente. Las naves espaciales tripuladas, por otro lado, se acoplan directamente en un proceso controlado por ordenador.

En el futuro, este tipo de maniobras de acoplamiento será más fácil y seguro. Para ello, la Agencia Espacial Europea (ESA) ha encargado a sus socios industriales el diseño de un nuevo sistema de acoplamiento llamado IBDM (International Berthing and Docking Mechanism o mecanismo internacional de atraque y acoplamiento). El sistema se ajusta a la norma internacional de sistema de acoplamiento (International Docking System Standard IDSS), un estándar que han acordado las principales agencias espaciales de todo el mundo. Así pues, el sistema será compatible con la ISS y la mayoría de las demás naves espaciales. Las primeras misiones de este mecanismo se llevarán a cabo con el Dream Chaser, una nave que tiene el aspecto de una versión compacta del transbordador espacial STS y que pronto realizará vuelos de carga a la ISS. La nave está siendo desarrollada por Sierra Nevada Corporation.

Absorción de la energía de acoplamiento

El IBDM es un sistema de acoplamiento andrógino. Esto significa que el conector es idéntico en ambos lados. Se compone de un anillo interior duro (Hard Capture System) y de un anillo exterior blando (Soft Capture System), el cual tiene seis grados de libertad y sensores de fuerza. El anillo exterior absorbe primero la energía del acoplamiento. A continuación se efectúa la conexión hermética final, la cual se asegura con ganchos mecánicos que mantienen firmemente unidas ambas naves espaciales.
SENER se encarga de desarrollar e instalar el Hard Capture System. La empresa está trabajando actualmente en el modelo de cualificación, el cual se probará en 2020. "Entonces, el IBDM debe usarse tan pronto como sea posible en un vuelo de suministro a la ISS", dice Gabriel Ybarra de SENER. Uno de los siguientes pasos sería su uso en la estación espacial lunar de la NASA, que está previsto que entre en órbita alrededor de la luna y que podría servir en el futuro como punto de lanzamiento para misiones tripuladas a Marte.

Sistemas redundantes para una máxima seguridad

Este proyecto plantea grandes desafíos a los ingenieros de SENER: "Para empezar, tuvimos que comprender todos los requisitos establecidos por la ESA y la NASA, y averiguar cómo cumplir tales requisitos. Y especialmente lo relacionado con la seguridad, ya que el mecanismo de acoplamiento también puede emplearse en vuelos tripulados". Además de ser ligeros y de proporcionar el par necesario, los motores eléctricos utilizados deben ser también extremadamente fiables. Este es el motivo por el que SENER lleva varios años trabajando con el especialista en motores maxon.

Los ingenieros de maxon han desarrollado para SENER dos motores que pueden emplearse para ejecutar gran variedad de funciones. El primero de ellos consiste en dos motores EC-4pole brushless y un reductor GPX UP. Doce de estos actuadores accionan los ganchos de bloqueo del mecanismo de acoplamiento IBDM. El segundo dispositivo combina un motor plano con un reductor planetario. Se utiliza en once puntos para gestionar las conexiones insertables y las anillas de retención, así como para otras funciones auxiliares.

El mecanismo de acoplamiento del IBDM es una aplicación crítica para el vuelo, por lo que se requieren sistemas motores redundantes. El sistema de reserva debe funcionar incluso si el motor principal falla. La situación se resuelve a menudo por medio de un motor de reserva que puede tomar el control en caso de emergencia. Este es el enfoque utilizado para el actuador de los ganchos de bloqueo. Para el otro sistema motor, en cambio, los ingenieros de maxon encontraron una solución diferente y poco convencional: se utiliza un estátor adicional en lugar de un motor extra. El motor plano tiene dos estátores y, por ello, dos bobinados, cada uno de los cuales es capaz de accionar independientemente el rotor, una solución ingeniosa que garantiza la seguridad a la vez que ahorra espacio.

Gabriel Ybarra elogia la colaboración con maxon: "El equipo entiende nuestros requisitos y realiza modificaciones de diseño con gran rapidez". Además, ambos socios tienen una pasión por los sistemas mecatrónicos. "Es fantástico verse implicados en el ciclo completo, desde el diseño hasta la producción y las pruebas. Es lo que hace que este proyecto sea tan interesante. Y, cuando el sistema se mueve por primera vez, es como ver a tus hijos dar sus primeros pasos".