Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 7 (2): e345. Abril-Junio, 2024. https://doi.org/10.37636/recit.v7n2e345
1 ISSN: 2594-1925
Artículo de investigación
Diseño de un sistema de absorción de energía para el
aterrizaje de módulos de exploración espacial
Design of an energy absorption system for the landing of space
exploration modules
Quirino Estrada-Barbosa1, Eladio Martínez-Rayón2, Elva Lilia Reynoso-Jardón1, Jesús
Silva Aceves1, Manuel de Jesús Nandayapa-Alfaro1, Lara C. Wiebe1, Francisco Javier
Enríquez-Aguilera1
1Instituto de Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Ciudad Juárez,
Chihuahua, México
2Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico CENIDET/TecNM, Interior Internado
Palmira S/N, Col. Palmira, C.P. 62490, Cuernavaca, Morelos, México
Autor de correspondencia: Quirino Estrada, Instituto de Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez,
Ciudad Juárez, Chihuahua, México. E-mail: quirino.estrada@uacj.mx. ORCID: 0000-0003-0623-3780.
Recibido: 01 de Febrero del 2023 Aceptado: 11 de Abril del 2024 Publicado: 15 de Abril del 2024
Resumen. – Actualmente la exploración espacial está convirtiéndose en una actividad cada vez más
importante desde que permiten aumentar el conocimiento en cuanto a la formación de planetas,
actividades económicas (minería espacial) así como un mejor entendimiento de fenómenos geológicos y
biológicos que permitan en el futuro la creación de hábitats humanos fuera del planeta Tierra. En este
sentido, uno de los principales problemas de la exploración espacial está asociado al aterrizaje seguro
de las sondas espaciales. A partir de lo anterior el presente artículo propone el diseño de un sistema de
absorción de energía del tipo pasivo basado en deformación plástica de perfiles estructurales de aluminio.
Para tal propósito se diseñaron y evaluaron individualmente perfiles estructurales con diversas formas
geométricas utilizando el software de elementos finitos Abaqus. La evaluación numérica se realizó a
través de ensayos de compresión en conjunto con el cálculo de los principales parámetros de resistencia
al impacto. Los resultados mostraron un mejor desempeño del perfil CH-C el cual obtuvo la mejor
eficiencia de fuerza de aplastamiento (CFE) igual a 0.83. A partir de lo anterior se implementó en un
modelo discreto de un módulo de aterrizaje.
Palabras clave: Estructura de pared delgada; Exploración espacial; Método de elemento finito; Sistema de
absorción de energía.
Abstract. – Currently, space exploration is becoming an increasingly important activity since it allows
increased knowledge regarding the formation of planets, economic activities (space mining) as well as a
better understanding of geological and biological phenomena that allow the creation of space in the future
of human habitats outside planet Earth. In this sense, one of the main problems of space exploration is
associated with the safe landing of space probes. Based on the above, this article proposes the design of
a passive type of energy absorption system based on plastic deformation of aluminum structural profiles.
For this purpose, structural profiles with various geometric shapes were individually designed and
evaluated using the Abaqus finite element software. The numerical evaluation was carried out through
compression tests in conjunction with the calculation of the main impact resistance parameters. The
results showed a better performance of the HSC-1 profile which obtained the best crushing force efficiency
(CH-C) equal to 0.83. From the above, it was implemented in a discrete model of a generic space lander.
Keywords: Thin wall structure; Space exploration; Finite element method; Energy absorption system.
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1. Introducción
Actualmente la exploración espacial es una
actividad primordial dentro de la comunidad
científica y gobiernos alrededor del mundo,
especialmente por la explotación de recursos y
para la obtención de conocimiento que ayude a
una mejor conservación del planeta ante
problemas climáticos y manejo sustentable de
energía renovables [1-5]. Las agencias espaciales
gubernamentales y privadas desde la década de
los 60´s han diseñado y puesto en órbita misiones
tripuladas y no tripuladas (Misiones Apollo,
Voyager, Vikings, Mars Pathfindert, Sputnik 24,
Tianwen-1) con diferentes destinos en el sistema
solar. Si bien ya existe complejidad durante el
lanzamiento y puesta en órbita de una misión
espacial, uno de los principales retos se encuentra
durante el proceso de acercamiento, descenso y
aterrizaje [6-10].
Este punto es crítico dado que, de no activarse los
sistemas de desaceleración de las sondas durante
la etapa de ingreso (descenso), la velocidad de
entrada puede ser mayor, provocando el impacto
de la misma y consecuentemente la perdida de
millones de dólares, así como de tiempo de
planeación. Además, se han diseñado diferentes
sistemas de seguridad y descenso para sondas
espaciales tales como sistemas de bolsas de aire
y paracaídas utilizados en la nave Mars
Pathfinder, grúas aéreas como la utilizada para el
descenso del robot Curiosity, y finalmente
sistemas de propulsión a chorro los cuales fueron
aplicados durante el descenso de la nave InSight
[11-15]. En la mayor parte de los casos los
sistemas han funcionado correctamente [11].
Sin embargo, ha habido excepciones tales como
el caso de la sonda soviética Luna en la década
de los 70’s. Por lo que es necesario contar con
mecanismo de absorción de energía del tipo
pasivo los cuales no requieren suministro de
energía alguno para su activación. A partir de lo
anterior diversas investigaciones teóricas [16-
19], experimentales [20-23] y numéricas [27] han
centrado su atención en el diseño estructural de
los módulos de aterrizaje o sistemas de absorción
de energía. De acuerdo con Dou et al. [28]
diseñaron la almohadilla de la pata de aterrizaje
para un módulo de aterrizaje de exploración del
espacio profundo. El sistema se basó en una
estructura tipo panal de abeja también
denominada honeycomb fabricada con
materiales con capacidad de memoria de forma.
Por tanto, al ser deformados permiten su
restitución. Al final del estudio determinaron una
absorción de energía igual 362 J/kg y un valor de
eficiencia a la fuerza de aplastamiento de 63%.
Por su parte Li et al. [29] llevaron a cabo un
estudio para optimizar el diseño a la resistencia
al impacto de una estructura metálica tipo
honeycomb utilizada en el módulo de aterrizaje
lunar.
En el estudio se diseñaron paneles honeycomb de
forma hexagonal con variación de tamaño y
espesor. El proceso de optimización se realizó a
través del método de superficie de respuesta
(RSM) considerando la absorción de energía
especifica (SEA). Entre los principales hallazgos,
determinaron que, al aumentar el espesor de los
paneles, el valor de la fuerza pico (Pmax) así
como el valor de SEA incrementan. El mismo
comportamiento fue observado a medida que la
longitud de la celda del hexágono disminuía. En
otro estudio, Zhou et al. [30] realizaron un
análisis numérico y experimental para mejorar
las capacidades de absorción de energía de un
absorbedor de impacto utilizado en un módulo de
aterrizaje móvil. Para tal objetivo desarrollaron
una aproximación computacional de
optimización basada en la absorción de energía y
parámetros geométricos.
Los resultados obtenidos y su comparación
experimental demostraron la efectividad de la
aproximación numérica de optimización
sentando las bases teóricas y metodológicas para
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el estudio futuro del módulo de aterrizaje.
Finalmente, tal y como se ha descrito en el estado
del arte, el tópico de estudio del presente artículo
es relevante y actual. De igual forma tal y como
se puede observar existen áreas de oportunidad
en el diseño de los sistemas de absorción de
energía para módulos de aterrizaje. Por tanto, el
presente artículo propone el diseño de cuatro
estructuras tipo panal de abeja con diversos
patrones geométricos fabricadas con aluminio
AA6061. Las estructuras se evaluaron
numéricamente utilizando el software de
elementos finitos Abaqus a través de ensayos de
compresión. El análisis se enfocó a determinar
las capacidades de absorción de energía y
resistencia al impacto. Finalmente, con los
hallazgos encontrados se propone una aplicación
como almohadilla de aterrizaje de un módulo de
exploración espacial genérico.
2. Indicadores de resistencia al impacto
La resistencia al impacto, así como las
características de absorción de energía de las
estructuras de pared delgada se pueden obtener a
través del estudio de la curva fuerza vs
desplazamiento de un ensayo de compresión, en
conjunto con el cálculo de parámetros
dimensionales y adimensionales de resistencia al
impacto (ver Figura 1). Los indicadores más
trascendentales se describen a continuación, así
como sus expresiones matemáticas [31-32].
Carga pico (Pmax), se refiere a la máxima fuerza
alcanzada al inicio del proceso de compresión y
se obtiene directamente de la curva fuerza vs
deformación.
La fuerza de aplastamiento promedio (Pm) es la
fuerza necesaria para la formación de los
pliegues plásticos a lo largo del proceso de
compresión.
La absorción de energía por deformación plástica
(Ea) es el trabajo realizado por la fuerza de
aplastamiento (F) a lo largo del desplazamiento
() y se calcula mediante la integración del área
bajo la curva.
Otro parámetro importante es la absorción de
energía especifica (SEA, por sus siglas en inglés)
la cual define la cantidad de Ea absorbida por
unidad de masa (m).
Un parámetro adimensional es la eficiencia de la
fuerza de aplastamiento (CFE, por sus siglas en
inglés). En este caso un valor cercano a 1
representa un comportamiento óptimo [33].
Finalmente, en la Figura 1 se presenta la
interpretación gráfica de cada uno de los
parámetros descritos.
Figura 1. Indicadores de impacto y absorción de energía.
3. Métodos
3.1 Modelo numérico y validación
experimental a través de un ensayo a
compresión
El presente artículo se basa en un análisis
numérico, siendo necesario una validación
experimental para garantizar la confiabilidad de
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los resultados computacionales. Por tanto, se
desarrolló un modelo discreto utilizando el
software de elementos finitos Abaqus de un perfil
hexagonal fabricado con aluminio AA6061
sujeto a un ensayo de compresión cuasi-estático
de 0.5 mm/min (Ver Figura 2). La utilización de
este tipo de material encuentra sustento dada la
excelente relación de resistencia y peso de las
aleaciones de aluminio lo cual ha contribuido
ampliamente a su empleo en el sector aeronáutico
y espacial. El perfil se modeló con elementos
deformables tipo Shell S4R con propiedades
elastoplásticas caracterizadas por un módulo de
elasticidad de 68 GPa, un coeficiente de Poisson
() de 0.33, un esfuerzo de fluencia () de 71
MPa y una densidad de 2700 kg/m3 [34]. La
compresión del perfil se realizó con placas
rígidas (R3D4). La validación experimental se
obtuvo con datos proporcionados de la literatura
[34]. Finalmente, a partir de un análisis de
convergencia de malla considerando la curva
fuerza vs desplazamiento se determinó un
tamaño de elemento de 2.5 mm.
Figura 2. Modelo discreto de un ensayo a compresión de un perfil hexagonal de aluminio AA6061.
En la Figura 3 se presenta la comparación de
resultados tanto numéricos como experimentales.
La Figura 3a muestra el comportamiento
mecánico de la estructura al ser comprimida, se
puede apreciar una aceptable correlación entre
ambos modelos desde que al cuantificar
parámetros como Pmax y Ea, se obtuvieron
diferencias cercanas al 0.5% y 3%
respectivamente. Al inicio del ensayo de
compresión se alcanza un valor de Pmax cercano
a 21 kN, posteriormente se inicia la formación de
pliegues plásticos lo cual genera la oscilación de
la fuerza de compresión. Por su parte el estado
de deformación para ambos casos se muestra en
la Figura 3b. A partir de los resultados y
considerando que se obtuvieron diferencias
menores al 5%, el modelo numérico se ha
validado tanto cualitativamente como
cuantitativamente. Por tanto, es posible continuar
con el análisis numérico de las estructuras tipo
honeycomb para su aplicación en sistemas de
absorción de energía para un módulo de
aterrizaje de exploración espacial.
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Figura 3. Comparación de resultados de la validación del modelo discreto, donde a) curva esfuerzo desplazamiento, b) estado
de deformación, caso experimental [34].
3.2 Análisis numérico de estructuras
honeycomb
El presente artículo explora el diseño y
evaluación de perfiles estructurales tipo panal de
abeja (honeycomb) para su implementación
como sistemas de absorción de energía del tipo
pasivo en una almohadilla de la pata o soporte de
un módulo de aterrizaje. Por lo que se proponen
cuatro diseños de estructuras honeycomb con
formas poligonales y circulares. En todos los
casos las estructuras fueron modeladas con
propiedades elastoplásticas del aluminio
AA6061, así mismo se utilizaron las mismas
técnicas numéricas descritas en la sección I. La
evaluación se realizó a través de un análisis
cuasi-estático de compresión con una velocidad
de 0.5 mm/min. Detalles de las estructuras
evaluadas se presentan a continuación (ver Tabla
1).
Tabla 1. Detalles de las estructuras honeycomb evaluadas.
Condigo del espécimen
Base geométrica
Espesor (t) mm
Lado de la celda/radio mm
Masa (m) kg
CH-S
Cuadrada
1
10
0.148
CH-T
Triangular
0.645
8
0.148
CH-H
Hexagonal
1.550
10
0.148
CH-C
Circular
0.815
10
0.148
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4. Resultados y discusión
Una vez completadas las simulaciones
computacionales de los ensayos de las
estructuras honeycomb se obtuvieron las curvas
fuerza vs desplazamiento (ver Figura 4). Las
curvas presentadas en la Figura 4, son
congruentes en términos cualitativos con curvas
presentadas en la literatura [35-36], desde que
presentan las fases características del colapso de
las estructuras celulares tales como, deformación
elástica al inicio del ensayo, fase de colapso
progresivo (denominada también zona plateau o
de meseta) donde las paredes celulares se
deforman absorbiendo en esta forma energía, y la
fase de densificación en donde las paredes
celulares se encuentran una a otra, sin espacio
para deformarse por lo cual se tiene un
incremento de la fuerza de aplastamiento. Para
las curvas de la Figura 4 en todos los casos se
obtuvo un incremento de la fuerza de
aplastamiento en los primeros instantes del
ensayo cercano a 150 kN. Posteriormente se
inicia la deformación plástica de las estructuras
lo que generó la estabilización (Plateau) de la
fuerza de aplastamiento. Posteriormente se
observa un incremento de la fuerza de
aplastamiento en un 20% en la parte final del
ensayo (14 mm) lo cual indica un
comportamiento de densificación de las
estructuras.
Figura 4. Curvas fuerza de aplastamiento vs desplazamiento para las estructuras honeycomb.
Respecto a la energía absorbida (Ea) se obtiene a
través del proceso de deformación plástica de las
mismas. Al utilizar un método de integración
como la regla del trapecio se calculó el área bajo
la curva de la Figura 4, el resultado obtenido se
presenta en la Figura 5 en donde la máxima Ea
igual a 2.97 kJ se obtuvo para la estructura con
patrón cuadrangular (CH-S) mientras que el
valor mínimo fue para la estructura circular con
2.25 kJ. Valores intermedios de 2.84 y 2.87 kJ se
obtuvieron para las estructuras CH-T y CH-H
respectivamente.
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Figura 5. Energía absorbida (Ea) por las estructuras evaluadas.
La cantidad de Ea depende del modo de
deformación de las estructuras. Por tanto, a
mayor deformación se obtiene un incremento en
la energía absorbida. Como se muestra en la
Figura 6 dependiendo del patrón geométrico, la
deformación ocurrió en mayor o menor medida.
En algunos casos por ejemplo la estructura CH-
C se observó un fenómeno de pandeo, en el cual
algunos puntos de las paredes celulares
presentaron menor capacidad de carga a la
esperada por lo cual colapsaron súbitamente sin
tener deformación plástica progresiva. Se
confirma que la estructura CH-S presentó una
mayor resistencia a la formación de los pliegues
plásticos lo que contribuyó al cálculo de la mayor
Ea de las estructuras evaluadas.
Figura 6. Modos de deformación final para las estructuras honeycomb, donde, a) CH-S, b) CH-T, C) CH-H y d) CH-C
Finalmente, en la Tabla 2 se cuantifican los
principales resultados para los indicadores de
resistencia al impacto y absorción de energía de
las estructuras tipo panal de abeja (Honey-comb).
La mejor capacidad de carga se presentó para el
perfil con patrón triangular (CH-T), la cual
obtuvo un valor de Pmax de 202.6 kN. Sin
embargo, considerando la absorción de energía
(Ea) el perfil CH-S presentó el mejor desempeño
con un valor cercano a 2.97 kJ, lo cual representó
una mejora del 24% respecto al valor más bajo
(CH-C). Lo anterior se confirmó al calcular la
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absorción de energía especifica (SEA). Si bien
los parámetros presentados anteriormente son
importantes, dentro del diseño estructural
considerando la resistencia al impacto del
indicador definido como eficiencia de la fuerza
de aplastamiento (CFE), es el más trascendental
desde que considera un aplastamiento suave
(valor de Pmax bajo) con una aceptable absorción
de energía. Un valor de CFE igual a la unidad se
considera óptimo. Conocido lo anterior, el mejor
desempeño de CFE se calculó para el perfil CH-
C (patrón circular) con un valor igual a 0.830 lo
cual representa un incremento de este parámetro
en un 18.57% respecto al valor más bajo (CH-T).
Por tanto, el uso del perfil (CH-C) es altamente
recomendado para aplicaciones relacionadas al
diseño de sistemas de absorción de energía.
Tabla 2. Resumen de los principales indicadores de resistencia al impacto obtenidos para las estructuras honeycomb.
Espécimen
Fuerza Pico
Pmax [kN]
Fuerza
promedio
Pm (kN)
Energía
absorbida
Ea (kJ)
Absorción de
energía especifica
SEA (J/g)
Eficiencia de la
fuerza de
aplastamiento CFE
CH-S
199.5
148.840
2.9768
20.113
0.746
CH-T
202.6
142.315
2.8463
19.231
0.702
CH-H
175.4
143.505
2.8701
19.392
0.818
CH-C
135.9
112.670
2.2535
15.226
0.830
5. Aplicación: diseño de una almohadilla de la
pata de aterrizaje de un módulo de
exploración espacial genérico
Actualmente el uso de sistemas pasivos basados
en deformación plástica como mecanismos de
absorción de energía está en incremento,
especialmente por su efectividad y por qué no
requieren ningún tipo de energía para su
activación [37]. A partir de lo anterior referidos
sistemas han sido utilizados en el desarrollo de
los sistemas de aterrizaje o de exploración
espacial para garantizar un aterrizaje controlado
y seguro tal y como se observa en la Figura 7.
En la Figura 7 se ejemplifica la fase de aterrizaje
de un módulo espacial genérico en dos momentos
del descenso final hasta alcanzar el suelo, así
mismo se da cuenta los principales componentes
que interactúan en el aterrizaje, tales como las
estructuras de soporte primarios/secundarios y
pata de aterrizaje con almohadilla. A partir de lo
anterior y considerando los principales hallazgos
del presente artículo, se presenta el diseño de un
sistema de absorción de energía para la
almohadilla de aterrizaje de un módulo de
exploración espacial. El sistema se diseña como
un mecanismo denominado fusible mecánico es
decir que se activa en caso de que sobrepase el
límite de fuerza de aterrizaje contribuyendo a
salvaguardar los componentes críticos del
módulo de aterrizaje. Para tal propósito se utilizó
la estructura honeycomb (CH-C) la cual obtuvo
el mejor desempeño de CFE (0.83) durante el
análisis. Considerando que el punto crítico a
estudiar es la respuesta mecánica del sistema de
absorción de energía propuesto, el modelo
discreto solo contempla esta sección tal y como
se presenta en la Figura 7.
La estructura honeycomb tiene un diámetro de 50
cm, una altura de 10 cm con un espesor de 1.32
mm y se modeló con propiedades elastoplásticas
del aluminio AA6061 con elementos S4R.
Mientras que el suelo, así como parte de la pata
de aterrizaje se modelaron como cuerpos rígidos
con elementos 3RD4. Respecto a la condición de
aterrizaje se consideró un aterrizaje vertical.
Finalmente, para garantizar el contacto entre
todos los componentes involucrados se utilizó