Verificación estructural del CubeSat Pehuensat-3. Un enfoque metodológico integrado utilizando elementos finitos

Abstract

El presente trabajo se enmarca en el desarrollo del satélite universitario Pehuensat-3, un CubeSat 1U íntegramente diseñado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Comahue. Su doble propósito es ofrecer una plataforma funcional para servicios de Internet de las Cosas (IoT) orientados a la recolección de datos ambientales y, en paralelo, consolidarse como herramienta pedagógica para la formación en tecnologías espaciales. El proyecto se focaliza en la verificación estructural del satélite, una etapa clave para garantizar su integridad frente a las condiciones mecánicas del lanzamiento y la operación en órbita. Para ello, se implementa un enfoque metodológico basado en el Método de Elementos Finitos (MEF), mediante simulaciones avanzadas de cargas cuasiestáticas, análisis modales y vibraciones aleatorias, conforme a los lineamientos establecidos por el estándar GEVS de la NASA. El diseño se abordó en tres etapas: Diseño Conceptual, Ingeniería Básica e Ingeniería de Detalle. En la fase conceptual se desarrollaron tres alternativas estructurales evaluadas mediante la metodología DfMA. Las simulaciones numéricas permitieron verificar el desempeño mecánico del diseño seleccionado, confirmando márgenes de seguridad adecuados bajo condiciones tanto cuasiestáticas como dinámicas. Además de validar la integridad estructural del satélite, el trabajo permitió aplicar herramientas avanzadas de simulación numérica, incluyendo el análisis espectral, la comparación entre aproximaciones internas y externas del MEF, y estudios de convergencia de malla. Esta integración fortaleció el perfil técnico del proyecto y aportó una metodología sistemática para el desarrollo estructural de CubeSats en el entorno académico, adaptable a futuras misiones con recursos limitados y altos requerimientos normativos.

This work is part of the development of the Pehuensat-3 university satellite, a 1U Cu- beSat entirely designed at the Faculty of Engineering of the National University of Co- mahue. Its dual purpose is to provide a functional platform for Internet of Things (IoT) services focused on environmental data collection and, at the same time, to serve as a pedagogical tool for education in space technologies. The study focuses on the structural verification of the satellite, a key stage to ensure its integrity under the mechanical con- ditions of launch and on-orbit operation. A methodological approach based on the Finite Element Method (FEM) is implemented, involving advanced simulations of quasistatic loads, modal analysis, and random vibrations according to NASA’s GEVS standard. The structural design process was structured in three phases: Conceptual Design, Basic Engi- neering, and Detailed Engineering. During the conceptual phase, three structural alterna- tives were proposed and evaluated using the DfMA methodology. Numerical simulations were then used to assess the mechanical performance of the selected design, confirming adequate safety margins under both quasistatic and dynamic conditions. In addition to va- lidating the satellite’s structural integrity, the present work applied advanced simulation tools, including spectral analysis, comparison between internal and external FEM ap- proximations, and mesh convergence studies. This integrated approach strengthened the technical scope of the project. It provided a systematic methodology for CubeSat struc- tural development in academic environments, adaptable to future missions with limited resources and strict regulatory requirements.