Evidence-Weighted Mission Suitability Assessment of Water-Based Small-Spacecraft Propulsion Architectures

Resumen Técnico: Evaluación de la Idoneidad de Misiones de Arquitecturas de Propulsión de Pequeñas Embarcaciones Basadas en Agua Mediante el Pesaje de Evidencia

Planteamiento del Problema
Las pequeñas embarcaciones espaciales requieren propulsión para diversas funciones, incluyendo el soporte orbital, la eliminación de satélites, el vuelo en formación y la navegación en el espacio profundo. Si bien el agua es un propelente atractivo debido a su densidad, bajo costo, baja toxicidad y relevancia para la utilización de recursos in situ, no es una tecnología única. El agua puede utilizarse a través de distintas rutas de conversión: calentamiento electrotérmico (resistojets), electrólisis en hidrógeno/oxígeno, generación de gas hidrolítico o aceleración eléctrica. La literatura actual carece a menudo de un método transparente y con pesaje de evidencia para comparar estas familias de arquitecturas dispares frente a prioridades de misión específicas. Confiar únicamente en el impulso específico ($I_{sp}$) es insuficiente porque ignora los riesgos de integración, la madurez de los subsistemas y las restricciones específicas de la misión, tales como la disponibilidad de potencia y la seguridad.

Metodología: El Marco EW-MASI
El artículo introduce el Índice de Idoneidad de Arquitectura de Misión con Pesaje de Evidencia (EW-MASI, por sus siglas en inglés), un marco de cribado diseñado para clasificar las arquitecturas de propulsión basadas en agua según las necesidades específicas de la misión y la calidad de la evidencia disponible. La metodología consta de cuatro componentes principales:

1. Jerarquía y Pesaje de la Evidencia: El estudio recopila una base de evidencia desde 2011 hasta febrero de 2026. Las fuentes se clasifican en niveles con pesos asignados:
   • Evidencia de vuelo/en órbita (Peso 1.00): Confianza más alta.
   • Experimentos terrestres revisados por pares (Peso 0.85): Sólidos pero limitados a pruebas.
   • Modelado/análisis de misión revisado por pares (Peso 0.65): Útil para la lógica, pero no para la validación.
   • Evidencia de conferencias/programática (Peso 0.45–0.55): Contexto para sistemas emergentes.
   • Afirmaciones no rastreables (Peso 0.00): Excluidas.
2. Rúbrica de Puntuación Fija: Las arquitecturas se califican en una escala de 1 a 5 a través de cuatro criterios: Madurez, Compatibilidad Empuje/Potencia, Potencial de Eficiencia ($I_{sp}$) y Flexibilidad de la Misión. Las puntuaciones están estrictamente vinculadas al nivel de evidencia (por ejemplo, la evidencia de vuelo respalda puntuaciones cercanas a 5; la evidencia solo de concepto respalda puntuaciones cercanas a 1).
3. Normalización de la Misión: El marco aplica vectores de ponderación específicos de la misión (por ejemplo, priorizar la madurez para el soporte en LEO frente al $I_{sp}$ para misiones de bajo empuje de larga duración) para calcular un Índice de Idoneidad de Misión (MSI) bruto.
4. Cálculo con Pesaje de Evidencia: La puntuación final EW-MASI es el producto del MSI bruto y un Factor de Confianza de la Evidencia ($E_i$), que refleja la cantidad y calidad de la evidencia de respaldo.

Contribuciones Principales
El artículo realiza tres contribuciones primarias:

• Diferenciación de Arquitecturas: Trata la propulsión por agua no como una opción monolítica, sino como cuatro familias distintas (Resistojet Electrotérmico, impulsada por Electrólisis de $H_2/O_2$, Hidrolítica y Eléctrica alimentada por agua), reconociendo sus riesgos únicos de rendimiento e integración.
• Puntuación Vinculada a la Evidencia: Distingue entre datos de vuelo, pruebas terrestres, experimentos de subsistemas y modelado, evitando que los conceptos de alto riesgo se clasifiquen por igual con los sistemas probados en vuelo.
• Clasificación Normalizada por Misión: Va más allá de las métricas universales como el $I_{sp}$ para proporcionar una herramienta de apoyo a la decisión que identifica la arquitectura "más defendible" para una clase de misión específica, incorporando rangos de incertidumbre y verificaciones de estabilidad de rango.

Resultados y Hallazgos
Utilizando el marco EW-MASI, el estudio evalúa cuatro clases de misión: mantenimiento/desorbitación en LEO, Sistema de Control de Reacción (RCS), maniobras impulsivas de energía almacenada y misiones de bajo empuje de larga duración.

• Resistojets de Agua Electrotérmicos: Identificados como la opción más sólida a corto plazo para el soporte en LEO, desorbitación y RCS de precisión. Estas arquitecturas se benefician de puntuaciones de madurez altas (4.5/5) y una fuerte simplicidad de integración, respaldadas por evidencia de vuelo de misiones como AQUARIUS, AQT-D y EQUULEUS. Son la primera opción de cribado conservadora para misiones CubeSat que requieren simplicidad operativa.
• Propulsión de $H_2/O_2$ Impulsada por Electrólisis: Muestra potencial para maniobras impulsivas de energía almacenada donde la energía eléctrica se acumula y se libera como empuje químico. Sin embargo, su clasificación es sensible a los riesgos de integración (almacenamiento, ignición, reinicio). Aunque ofrece un mayor potencial de empuje, la cadena completa debe cerrarse de manera fiable.
• Propulsión de Agua Hidrolítica: Permina siendo una opción de prioridad de investigación. Aunque ofrece una liberación de energía química compacta, carece de suficiente evidencia de repetibilidad, control de residuos y resistencia a la obstrucción. No se recomienda actualmente como una opción por defecto.
• Propulsión Eléctrica Alimentada por Agua: Emerge como la arquitectura más adecuada para misiones de bajo empuje de larga duración debido a su alto potencial de velocidad de escape. Sin embargo, su clasificación depende del subtipo (Hall, ECR, iones de rejilla) y de la evidencia de vida útil y compatibilidad del cátodo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo posiciona al EW-MASI no como un sustituto del diseño detallado del propulsor, la calificación o la optimización de la trayectoria, sino como una herramienta de primer cribado transparente y reproducible. Su significancia radica en proporcionar un método estructurado para vincular la calidad de la fuente, la madurez del subsistema y las prioridades de la misión en una clasificación de idoneidad rastreable. Los autores afirman que el marco identifica con éxito la arquitectura "más defendible" para un contexto de misión dado, reduciendo la subjetividad al separar explícitamente las puntuaciones de rendimiento bruto de la confianza de la evidencia. El estudio concluye que, para aplicaciones CubeSat conservadoras, los resistojets electrotérmicos son actualmente la opción más defendible, mientras que otras arquitecturas requieren brechas de evidencia específicas (por ejemplo, cierre de la cadena completa para la electrólisis, repetibilidad para los sistemas hidrolíticos) para volverse competitivas para perfiles de misión más amplios.