Accelerometric characterization during the ividil experiment in the international space station

Resumen

Durant els últims anys, l'Estació Espacial Internacional (ISS) ha proporcionat un ambient caracteritzat per valors de gravetat més baixos que a la superfície terrestre (microgravetat), permetent la realització d‘experiments tant a l’àmbit de la ciència bàsica com de l’aplicada. Un d’aquests experiments, de l’Agència Espacial Europea, ESA, dut a terme al mòdul Columbus va ser l’anomenat IVIDIL (Influence of Vibrations on Diffusion of Liquids). Aquest experiment va estar actiu des del setembre del 2009 fins al gener de 2010. L’objectiu científic d’aquest experiment va ser investigar l’impacte que vibracions externes tenien en la mesura dels coeficients de difusió i termodifusió (Soret). Per tant, el sistema líquid utilitzat, aigua-isopropanol, va ser sotmès a l’acció de forces harmòniques externes de diferents amplituds i freqüències. Per determinar aquest impacte, es necessita un ambient d’acceleració controlat i amb baixos nivells de gravetat. Ara bé, com l’ISS és un sistema actiu, va ser necessari investigar si es sobrepassaven aquests nivells mínims. Conseqüentment, un primer objectiu d’aquesta tesi serà la detecció i caracterització de les vibracions quan l’ experiment està en marxa. D’aquesta forma es podrà caracteritzar simultàniament tant les vibracions introduïdes pel propi sistema com les introduïdes per l’entorn. D’altra banda, l’existència d’un experiment amb vibracions alienes a les de la pròpia Estació, podria introduir distorsions addicionals en el seu entorn acceleromètric. Per tant, un segon objectiu d’aquest treball serà també analitzar la propagació d’aquestes vibracions a la resta dels mòduls propers que constitueixen l’Estació quan l’experiment està actiu. Per a la consecució d’aquest objectius s’han analitzat senyals d’acceleració proporcionades gratuïtament pel servei NASA-PIMS (National Aeronautics and Space Administration - Principal Investigator Microgravity Services) provinents dels sensors tipus SAMS (Space Acceleration Measurements System) donat que aquests sensors es localitzen en diferents mòduls de l’ISS permetent l’estudi vibratori en el rang de freqüències entre 0.01-200 Hz. Aquests registres corresponen tant a períodes durant els quals l’experiment està actiu com a períodes d’inactivitat. D’altra banda s’han considerat senyals provinents del mòdul Columbus, on està localitzat l’IVIDIL, i dels mòduls Destiny i Kibo durant els períodes anteriorment esmentats. Cal notar que no hi ha cap sensor localitzat sobre el mateix experiment. El sensor més proper és el SAMS localitzat en el mòdul Columbus. La metodologia emprada està basada primerament en un anàlisis espectral de segon ordre en base a l’estudi de la densitat espectral de potencia, PSD (power spectral desnsity) per tal d’identificar les diferents freqüències presents en el senyal així com la seva distribució d’energia. Aquesta primera aproximació també inclou un estudi dels estadístics de centralització i de dispersió dels diferents senyals analitzats. Donada la no Gaussianitat d’alguns senyals, en un segon pas, es va aprofundir utilitzant un anàlisis espectral de tercer i quart ordre, en base al biespectre i al triespectre. D’aquesta forma les no linealitats presents en els registres d’acceleració van ser estudiades i caracteritzades. Finalment es va calcular el RMS (arrel quadrada del valor quadràtic mig de les components d’acceleració) integrada sobre bandes de terços d’octava permetent la comparació amb el límits vibratoris teòrics definits per la NASA. Les conclusions més rellevants d’aquest treball han estat: - En períodes d’inactivitat el PSD mostra que les intensitats més elevades estan associades a altes freqüències. Aquestes freqüències provenen dels dispositius necessaris pel suport de l’activitat diària dels astronautes. - Durant períodes de funcionament de l’IVIDIL, quan l’equip imposa una oscil·lació harmònica a una determinada freqüència fonamental, independentment d’aquesta freqüència, l’anàlisi del PSD indica que el tercer harmònic sempre té una intensitat més elevada. Aquest comportament mostra l’existència de fenòmens no lineals associats a la transferència d’energia entre freqüències. - Per tal d’investigar si el tipus d’acoblament no lineal és quadràtic o cúbic, l’anàlisi del biespectre i del triespectre va donar com a resultat que les transferències d’energia eren de tipus cúbic. Aquesta classe de transferències són probablement degudes a desalineaments de l’eix de rotació del sistema mecànic que genera les oscil·lacions de l’IVIDIL. - En quant a la propagació de les vibracions generades pel propi IVIDIL a altres mòduls de l’Estació Espacial, Destiny (Estats Units) i Kibo (Japó), es va observar que la freqüència fonamental i el seu tercer harmònic dominaven la resposta espectral tant al Columbus com el mòdul Kibo. En canvi, en el Mòdul Destiny tot i que aquestes freqüències varen ser detectades no eren les d’intensitat més elevada. - Els valors de RMS durant els períodes d’activitat de l’experiment mostren que la banda que conté la freqüència fonamental i el tercer harmònic superen els límits vibratoris teòrics tant als mòduls Columbus com al Kibo. En canvi, en el mòdul Destiny, aquests nivells no sobrepassen els límits en cap cas. Tenint en compte les conclusions del present estudi és important remarcar que l’entorn mecànic-vibracional d’un experiment és molt complex i no pot ser caracteritzat totalment considerant només les dades d’acceleració provinents d’un únic sensor, especialment en el cas en el que aquest sensor no estigui molt proper a l’experiment. Quanta més informació millor serà la caracterització global de l’entorn vibratori de l’experiment.