Concepto de operación

Revisin y aprobacin: Ing. Daniel Lara Favela Fecha: 5

Concepto de operaciones

para el lanzamiento de CanSats

mediante una aeronave no

tripulada.

Atrisco Torres Hctor Manuel Escuela Superior de Ingeniera Mecnica Elctrica, Unidad Ticomn

Brcena Snchez Orlando Miguel Escuela Superior de Ingeniera Mecnica Elctrica, Unidad Ticomn

Carren Carrera Genaro Escuela Superior de Ingeniera Mecnica Elctrica, Unidad Ticomn

Martnez Torres Pamela Beatriz Escuela Superior de Ingeniera Mecnica Elctrica, Unidad Ticomn

Martnez Csar Allan Escuela Superior de Ingeniera Mecnica Elctrica, Unidad Ticomn

Fecha 6 de marzo del 2015

Mxico DF

Concepto de operaciones: Proyecto de aerodinmica

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 2

Contenido 1. Introduccin. ..................................................................................................................................... 3

2. Alcance de proyecto. ........................................................................................................................ 4

2.1 Necesidades. ................................................................................................................................. 4

2.2 Metas. ........................................................................................................................................... 4

2.3 Objetivos ....................................................................................................................................... 5

2.4 Suposiciones. ................................................................................................................................ 5

2.5 Concepto de misin. ..................................................................................................................... 5

2.6 Limitantes ..................................................................................................................................... 6

2.6.1 Presupuesto .............................................................................................................................. 6

2.6.2 Cronograma. ............................................................................................................................. 7

2.6.3 Autoridad y Responsabilidad. .................................................................................................. 7

3. Concepto de Operacin .................................................................................................................... 8

4. Lnea base. ...................................................................................................................................... 10

4.1 Organizacin de trabajo. ............................................................................................................ 10

5. Organigrama ................................................................................................................................... 12

6. Desglose de funciones .................................................................................................................... 12

7. Requerimientos del sistema ........................................................................................................... 18

7.1 Tarjetas para la definicin de un requerimiento ....................................................................... 19

7.2 Tabla de relacin y conflicto de los requerimientos ................................................................. 28

7.3 Matriz de requerimientos .......................................................................................................... 28

8. Matriz de toma de decisiones ........................................................................................................ 31

9. Matriz N .......................................................................................................................................... 32



1. Introduccin.

Este documento describe el concepto de operaciones para la realizacin del lanzamiento

de CanSat mediante el empleo de una aeronave no tripulada. Estos conceptos de operaciones

estn asociados con el diseo de la aeronave y las actuaciones que sta debe tener para la

realizar las maniobras de lanzamiento de dichos nano satlites.

En particular este documento ilustra la integracin de los sistemas de los conceptos de

operaciones para asegurar el correcto proceso de lanzamiento de los cuatro CanSats que

sern lanzados de una aeronave controlada por un mando remoto. Abarca desde el diseo y

ensamble de la aeronave, las pruebas de inspeccin, el despegue, la maniobra en vuelo en

crucero, la coordinacin de los sistemas de control de la aeronave para el lanzamiento de

los CanSat, el aterrizaje de la aeronave.

Figura 1. Lanzamiento de un Cansat haciendo uso de una aeronave a control remoto.



2. Alcance de proyecto.

En este captulo se definen las necesidades, las metas y los objetivos junto con un perfil

bsico de misin. Las restricciones bsicas tanto como tcnicas y como de presupuesto.

2.1 Necesidades.

1. Mejorar el proceso para lanzamiento de CanSat a travs de una nueva alternativa.

2.2 Metas.

Algunas de las principales metas para este proyecto son las siguientes:

El avin ser capaz de soportar el peso de los 4 CanSats de un kilogramo cada uno en las condiciones de despegue y de vuelo en crucero.

Ser capaz de mantener la estabilidad aun cuando pierda peso al momento de ser liberados los CanSats.

o Mantener un vuelo recto y nivelado durante y despus de la liberacin de los

CanSats.

o En caso de perder estabilidad poder recuperarla lo ms rpido posible.

Ser capaz de elevarse 500 metros de altura, altura que es la de operacin.

Al trmino de la operacin debe regresar sin dao alguno para poder realizar misiones futuras.



2.3 Objetivos

Para poder contribuir a las necesidades de conocimiento espacial satelital es necesario antes

que nada realizar pruebas que simulen de manera precisa el comportamiento de un satlite

pero a menor escala.

Es por lo anterior que este proyecto especificar un diseo de una aeronave con las que se

puedan desarrollar estas pruebas de pequea escala. Los objetivos de dicha aeronave sern:

Utilizar el avin como un mtodo de bajo costo para el lanzamiento de CanSats Desarrollar y probar nueva tecnologa para el lanzamiento de CanSats Distinguir a este mtodo como una opcin eficaz para la evaluacin y ensaye del

correcto funcionamiento de los satlites

2.4 Suposiciones.

Algunas suposiciones hechas en la misin son:

El avin que transportara los CanSat resistira lo suficiente a la misin para poder ser utilizado en alguna otra posterior.

Si las condiciones climticas son favorables permitir al avin realizar una trayectoria de vuelo estable.

Aligerar el peso de la carga til podra hacer que la altitud alcanzada por el avin sea mayor.

2.5 Concepto de misin.

La misin corresponde en el lanzamiento de cuatro CanSat mediante el uso de un avin a

control remoto, el cual deber mantener un ascenso estable hasta una altitud adecuada para

efectuar los lanzamientos correspondientes, adems deber mantener una trayectoria de vuelo

en crucero estable durante los lanzamientos, evitando que la prdida de peso debido a

desprendimiento de carga til afecte su curso. Una vez que el avin realice los

lanzamientos, deber aterrizar sin mayores complicaciones.



2.6 Limitantes

Las limitantes en este proyecto se desglosarn en tiempo y presupuesto.

Al ser este un encargo de la Agencia Espacial Mexicana, deber ser aprobado

el presupuesto por aeronave. La mayor limitante, que no es controlable por el equipo

de diseo ni por el cliente, es el tiempo. Esto debido a que se pretende que la aeronave vuele

para finales del mes de octubre, mediados de noviembre a ms tardar. Dado que se

probarn los prototipos de CanSats que se realizarn en el curso que ellos imparten.

2.6.1 Presupuesto

Como presupuesto tomaremos en cuenta la experiencia previa en realizacin de vehculos

areos radio-controlados de hobby o competencia de carga, en los cuales la escuela tiene

una amplia experiencia.

Exceptuando la baha de carga que abre en el aire, obtendremos un vehculo de materiales

y tecnologa muy similar a los comerciales. Distinguiendo el hecho de que el diseo es a la

medida y especficamente para la necesidad antes planteada.

La unidad de vehculo bombardero equipado con equipo de transmisin y recepcin

de radiofrecuencia de 2.4 Ghz y telemetra bsica tiene un costo aproximado de

20,000 pesos.

El costo anterior es por unidad area. Por consiguiente, debe tomarse en cuenta que, de

ser aceptado el prototipo, puede encargarse la construccin de ms aeronaves para las

unidades acadmicas que se encuentren enroladas en el programa de enseanza e

investigacin CanSat.



2.6.2 Cronograma.

El cliente no fue especfico en la fecha de entrega, sin embargo, se sabe que el prototipo

debe estar listo para poder probar los proyectos que se construyan en el curso que se

imparte en el mes de Octubre 2014.

2.6.3 Autoridad y Responsabilidad.

La Agencia Espacial Mexicana pondr a disposicin del equipo de diseo, a si vez el

Instituto Politcnico Nacional y su Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Unidad Ticomn realizarn el desarrollo cientfico tecnolgico y cualquier dependencia u

organizacin que el cliente desee incorporar al proyecto para agrandar el presupuesto en el

caso de ser necesario, estos ltimos solo para compensar deficiencias en el presupuesto .



3. Concepto de Operacin

En el proyecto actual se dimensiona una aeronave capaz de despegar con cuatro

CanSats y desplegarlos a una altitud no menor a 500 metros y finalmente regresar

a salvo al aerdromo.

Se detalla la misin de la aeronave a

continuacin:

1. La aeronave se transporta desarmada en un contenedor hasta la locacin

del aerdromo elegido.

2. Se ensambla la aeronave.

3. Se enciende el sistema electrnico incluido el transmisor y se hace una revisin

de todas las superficies de control y el sistema de telemetra.

4. Se cargan los CanSats en la baha de carga. Se llena el tanque de combustible.

5. La aeronave es trasladada a la cabecera de la pista desde donde se

realizar el despegue, en una ventana menor a 5 minutos.

6. Se enciende el motor mediante una batera calentadora de bujas y de ser

necesario una marcha para arrancar.

7. Se despeja la pista y se entrega el transmisor al piloto en turno y se activan

remotamente los satlites preparndolos para el despegue.

8. La aeronave acelera y se coloca en el aire.

9. Asciende y vira haciendo circuitos por enfrente del piloto, a una distancia de

aproximadamente 2 km de la pista. Esto en un tiempo menor a 10 min.

10. El indicador de altitud de la telemetra avisa al piloto que est a 500 m sobre el

terreno.

11. Se reduce la potencia del motor y se deflectan flaps.

12. Cuando por telemetra se sabe que se alcanza la velocidad ptima de

lanzamiento, el piloto abre la compuerta de lanzamiento. Los satlites caen uno

a uno al tiempo que abren su paracadas mediante la gua y realizan su misin.

13. El avin acelera, retrae flaps y se coloca en la senda de planeo, lejos de la

trayectoria de cada de los satlites y se prepara para el aterrizaje.

14. Aterriza y se pone en espera a un costado de la pista. Los circuitos son apagados y

se revisan los voltajes de las bateras que alimentan los sistemas

15. En caso de no ser necesario ms, el equipo se desensambla y se guarda en el

contenedor en el que lleg.



Figura 2. Concepto de operaciones



4. Lnea base.

El desarrollo de los Cansat ha ayudado en varios aspectos, tanto en los rubros

tecnolgicos, sociales y ambientales. La misin fundamental que tienen que realizar los

Cansats es recoger datos principalmente. Sin embargo, el lanzamiento de los Cansat es a

travs de un cohete el cual es desechado y a lo largo puede resultar costoso.

Este proyecto, intenta cumplir con las expectativas de la Agencia Espacial Mexicana la

cual solicita un mtodo alterno de lanzamiento que consiste en el diseo de un aeromodelo

de avin permitiendo as un medio reutilizable de lanzamiento de los Cansat y que abarate

los costos a la larga.

Satisfacer el concepto de operacin del lanzamiento y cumplir con las condiciones que

estipula la Agencia Espacial Mexicana son englobadas en este documento.

El avin deber transportar cuatro Cansats dentro de la baha de carga hasta una altura

de 500 m para su posterior liberacin, especificado en los requerimientos SR-06 y SR-08

respectivamente del mismo documento.

El diseo conceptual debe estar dentro de los estndares para cumplir las necesidades

que requiere satisfacer este proyecto. Las dimensiones de la aeronave no implican alguna

restriccin, por otro lado, la mecnica de vuelo s.

El potencial que tiene este proyecto es que puede servir de ayuda para generaciones

futuras y explotar el uso de mtodos alternativos de lanzamiento de bajo coste.

4.1 Organizacin de trabajo.

Divisin de equipos de trabajo.

Para desarrollar el diseo conceptual, se propone una divisin de equipos de trabajo en

reas especializadas de diseo, como son: Aerodinmica, Estructuras, Sistema Elctrico,

Carga de paga, Propulsin. Todas estas reas deben estar coordinadas por un Project

Manager quien ayudar a la interaccin entre cada una de ellas y as evitar confusiones

entre las demandas de los subsistemas.



Control de interfaces.

El control se propone estableciendo primero y delimitando cmo se van a entrelazar

cada una de las interfaces para lograr el correcto funcionamiento de aeromodelo y el

cumplimiento del objetivo principal del mismo

Control de conflictos.

Establecer una relacin entre cada uno de los requerimientos ayudar a determinar si

estos existe algn conflicto entre un requerimiento u otro o si existe una relacin de apoyo.

El conflicto que podra existir entre los requerimientos se determinan por comprometer el

desempeo del aeromodelo o la modificacin de un requerimiento, lo cual, modificara

nuevamente el diseo conceptual.



5. Organigrama

Breas

Project Manager

Aerodinmica EstructurasSistema Elctrico

Carga de paga

Propulsin.



6. Desglose de funciones

Aerodinmica

Ingeniera

Diseo Aerodinmico

Estudios de mecnica de

vuelo

Administracin

Reporte de anlisis de ingeniera

Planos de la configuracin

externa

Ficha tcnica del avin

Aseguramiento del producto

Plan de validacin del diseo

aerodinmico



Estructuras

Ingeniera

Diseo de la estructura principal

y secundaria

Administracin

Reporte de anpalisis de ingeniera

Envolvente de vuelo

Planos de la estructura primaria

y secundaria


Plan de validacin de diseo

estructural



Sistema Elctrico

Ingeniera

Diseo de la red elctrica

Eleccin de las bateras

Administracin

Planos de la red elctrica


Plan de validacin del diseo de la

red elctrica



Propulsin

Ingeniera

Evaluacin del sistema

propulsivo

Eleccin de la hlice

Administracin

Grfica de potencia

requerida.


Plan de verifiacin del

producto



Carga de paga

Ingeniera

Estimacin del peso de la carga

Determinacin distancia de aterrizaje

y de despegue

Administracin

Grfica de Carga de paga y carga total (Wo

y W)

Aseguramiento de producto.

Prueba de verifcacin de prediccin de

carga.



7. Requerimientos del sistema

ID Requerimiento Prioridad Subsistema

SR-01 La aeronave deber cargar su propio peso, el peso del motor

y el peso de los cuatro Cansats

Alta Aerodinmica

SR-02 La estructura deber soportar las cargas aerodinmicas. Alta Estructuras

SR-03 La aeronave deber de tener un vuelo estable durante todas

las fases de vuelo.

Media Aerodinmica

SR-04 El tren de aterrizaje debe disipar la energa al impacto en el

momento de aterrizaje.

Media Estructuras

SR-05 La capacidad de las bateras deber ser suficiente para

suministrar la potencia necesaria durante la operacin de la

aeronave.

Alta Sistema

elctrico

SR-06 La baha de carga de la aeronave deber tener la capacidad

para almacenar los cuatro Cansats.

Alta Carga de paga

SR-07 La aeronave deber liberar los Cansats durante la fase de

crucero.

Alta Sistema

elctrico/carga

de paga

SR-08 La aeronave deber alcanzar una altura de 500 m para

comenzar la fase de crucero.

Media Aerodinmica

SR-09 La distancia entre la liberacin de cada Cansat debe ser de

250m.

Media Carga de paga

SR-10 La aeronave deber mantener la estabilidad tras la

liberacin de los Cansats.

Media Aerodinmica

SR-11 Las partes de la aeronave debern ser fabricadas de tal

manera que se permita ensamblarla en la pista de aterrizaje.

Baja Estructura



7.1 Tarjetas para la definicin de un requerimiento

Tabla 1. Gua para realizar la tarjeta de definicin de un requerimiento.



TARJETA DE DEFINICIN DE REQUERIMIENTO

Identificador de

requerimiento (ID)

SR-01 Origen del

requerimiento

Aerodinmica

Requerimiento La aeronave deber cargar su propio peso, el peso del motor y el peso

de los cuatro Cansats

Procedencia Brcena Snchez

Orlando

Date 09-02-15

Verificacin Se realizara una prueba una vez construida la aeronave.

Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin

4 Riesgo estimado de

implementacin

2

Requerimiento

relacionado

SR-02

SR-03

Requerimiento(s)

en conflicto

SR-10

Justificacin Historia

Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor


Identificador de

requerimiento (ID)

SR-02 Origen del

requerimiento

Aerodinmica

Requerimiento La estructura deber soportar las cargas aerodinmicas.

Procedencia Atrisco Torres

Hctor

Date 09-02-15

Verificacin Se efectuara la simulacin del sistema mediante Ansys para su

anlisis



Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin


implementacin

2

Requerimiento

relacionado

SR-01

Requerimiento(s)

en conflicto

SR-03

SR-10


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor


Identificador de

requerimiento (ID)

SR-03 Origen del

requerimiento

Concepto de

Operacin

Requerimiento La aeronave deber de tener un vuelo estable durante todas las fases de

vuelo.

Procedencia Martnez Torres

Pamela

Date 09-02-15

Verificacin Se efectuaran pruebas una vez concluida la construccin total.

Satisfaccin del

cliente

1 Insatisfaccin del

cliente

1

Costo estimado de

implementacin


implementacin

4

Requerimiento

relacionado

SR-01

SR-10

Requerimiento(s)

en conflicto

SR-04


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor




Identificador de

requerimiento (ID)

SR-04 Origen del

requerimiento

Estructura

Requerimiento El tren de aterrizaje debe disipar la energa al impacto en el momento

de aterrizaje.

Procedencia Carren Carrera

Genaro

Date 09-02-15

Verificacin Se verificara la respuesta del tren una vez realizada el primer

vuelo.

Satisfaccin del

cliente

3 Insatisfaccin del

cliente

3

Costo estimado de

implementacin


implementacin

5

Requerimiento

relacionado

SR-01

Requerimiento(s)

en conflicto

SR-03


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor


Identificador de

requerimiento (ID)

SR-05 Origen del

requerimiento

Propulsin

Requerimiento La capacidad de las bateras deber ser suficiente para suministrar la

potencia necesaria durante la operacin de la aeronave.

Procedencia Martnez Cesar Alan Date 09-02-15

Verificacin Se verificar la carga de la batera una vez concluido el primer

vuelo de prueba.



Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin


implementacin

2

Requerimiento

relacionado

SR-03 Requerimiento(s)

en conflicto


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor


Identificador de

requerimiento (ID)

SR-06 Origen del

requerimiento

Estructura

Requerimiento La baha de carga de la aeronave deber tener la capacidad para

almacenar los cuatro Cansats.


Genaro

Date 09-02-15

Verificacin Se verificar que se tengan las dimensiones para albergar los

CanSats.

Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin


implementacin

1

Requerimiento

relacionado

SR-01 Requerimiento(s)

en conflicto


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor




Identificador de

requerimiento (ID)

SR-07 Origen del

requerimiento

Concepto de

Operacin

Requerimiento La aeronave deber liberar los Cansats durante la fase de crucero.


Pamela

Date 09-02-15

Verificacin Se realizar pruebas al sistema de liberacin de los CanSats.

Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin


implementacin

1

Requerimiento

relacionado

SR-08

SR-09

Requerimiento(s)

en conflicto

SR-10


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor


Identificador de

requerimiento (ID)

SR-08 Origen del

requerimiento

Concepto de

Operacin

Requerimiento La aeronave deber alcanzar una altura de 500 m para comenzar la fase

de crucero.


Pamela

Date 09-02-15



Verificacin Se realizar una prueba para medir que la aeronave cumpla con la

altitud propuesta.

Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin


implementacin

1

Requerimiento

relacionado

SR-03

SR-07

SR-09

Requerimiento(s)

en conflicto


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor


Identificador de

requerimiento (ID)

SR-09 Origen del

requerimiento

Concepto de

Operacin

Requerimiento La distancia entre la liberacin de cada Cansat debe ser de 250 metros.


Pamela

Date 09-02-15

Verificacin Se probara el sistema de liberacin en el primer vuelo efectuado.

Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin


implementacin

1

Requerimiento

relacionado

SR-07

SR-08

Requerimiento(s)

en conflicto

SR-10




Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor


Identificador de

requerimiento (ID)

SR-10 Origen del

requerimiento

Aerodinmica

Requerimiento La aeronave deber mantener la estabilidad tras la liberacin de los

Cansats.

Procedencia Brcena Snchez

Orlando

Date 09-02-15

Verificacin Se efectuara un anlisis del comportamiento de la aeronave

mediante simulacin y posteriormente se verificara una vez

efectuado el primer vuelo.

Satisfaccin del

cliente

4 Insatisfaccin del

cliente

4

Costo estimado de

implementacin


implementacin

2

Requerimiento

relacionado

SR-07

SR-08

Requerimiento(s)

en conflicto


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor




Identificador de

requerimiento (ID)

SR-11 Origen del

requerimiento

Estructura

Requerimiento Las partes de la aeronave debern ser fabricadas de tal manera que su

ensamble se realice en el lugar de lanzamiento y en tiempo mximo de

10 minutos.


Genaro

Date 09-02-15

Verificacin Se verificar que las partes de la aeronave cumplan con las

dimensiones de diseo.

Satisfaccin del

cliente

5 Insatisfaccin del

cliente

5

Costo estimado de

implementacin


implementacin

1

Requerimiento

relacionado

Requerimiento(s)

en conflicto


Aprobacin del

cliente

Aprobacin del

proveedor



7.2 Tabla de relacin y conflicto de los requerimientos

=

=

7.3 Matriz de requerimientos

Objetivo de Misin Requerimientos de

alto nivel

Requerimientos del

sistema

Subsistemas

Lanzamiento de

cuatro CanSat

mediante el uso de

un avin a control

remoto

La aeronave deber

alcanzar una altura de

500 m para comenzar

la fase de crucero.

La capacidad de las

bateras deber ser

suficiente para

suministrar la

potencia necesaria

durante la operacin

de la aeronave.

SR-01

La aeronave deber cargar

su propio peso, el peso del

motor y el peso de los

cuatro Cansats

SR-02

La estructura deber

soportar las cargas

aerodinmicas.

Estructura

Aerodinmica

Propulsin

Sistema elctrico

Carga de paga



SR-03

La aeronave deber de

tener un vuelo estable

durante todas las fases de

vuelo.

SR-04

El tren de aterrizaje debe

disipar la energa al

impacto en el momento de

aterrizaje.

SR-05

La capacidad de las bateras

deber ser suficiente para

suministrar la potencia

necesaria durante la

operacin de la aeronave.

SR-06

La baha de carga de la

aeronave deber tener la

capacidad para almacenar

los cuatro Cansats.

SR-07

La aeronave deber liberar

los Cansats durante la fase

de crucero.

SR-08

La aeronave deber

alcanzar una altura de 500

m para comenzar la fase de

crucero.



SR-09

La distancia entre la

liberacin de cada Cansat

debe ser de 250 metros.

SR-10

La aeronave deber

mantener la estabilidad

tras la liberacin de los

Cansats.

SR-11

Las partes de la aeronave

debern ser fabricadas de

tal manera que su

ensamble se realice en el

lugar de lanzamiento y en

tiempo mximo de 10

minutos.



8. Matriz de toma de decisiones



9. Matriz N

Fusjelaje M M M M

Baha de

carga

M D

Cansats

Motor

D Unidad de

Control

D

E D Unidad de

potencia

E

D Sensor

D Unidad de

control

remoto.

M Mecnico

D Datos.

E Elctrico.

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Concepto de operación

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