Engineering Comparison and Multi-Criteria Selection of Micropropulsion Systems for Small Spacecraft

Resumen Técnico: Comparación de Ingeniería y Selección Multicriterio de Sistemas de Micropropulsión para Pequeñas Naves Espaciales

Planteamiento del Problema
A medida que las pequeñas naves espaciales (por ejemplo, CubeSats) transitan de demostraciones educativas a plataformas operativas para observación de la Tierra, comunicaciones y precursores de espacio profundo, la propulsión a bordo ha pasado de ser una mejora opcional a un subsistema central. Sin embargo, la selección de una arquitectura de micropropulsión no es una cuestión de identificar una única tecnología "mejor". En su lugar, los ingenieros se enfrentan a un complejo problema de compensación (trade-off) que involucra restricciones severas en masa, volumen, potencia, impulso total, seguridad y duración de la misión. Si bien el impulso específico ($I_{sp}$) es una métrica común, confiar únicamente en él es insuficiente. Un propulsor con alta eficiencia puede ser inadecuado si requiere una unidad de procesamiento de potencia (PPU) pesada o una gestión térmica compleja, mientras que un sistema menos eficiente puede ser óptimo si ofrece una respuesta rápida, simplicidad o manipulación más segura. La literatura actual suele clasificar las tecnologías de forma descriptiva, pero carece de un marco estructurado para compararlas frente a criterios de ingeniería simultáneos.

Metodología
Este artículo presenta una revisión sistemática de la literatura sobre micropropulsión publicada entre 2020 y 2026, reorganizada en un marco de comparación de ingeniería. El estudio introduce una metodología de toma de decisiones universal y trazable basada en un marco híbrido de Proceso de Jerarquía Analítica (AHP), ponderación por Entropía y TOPSIS (Técnica de Orden de Preferencia por Similitud con la Solución Ideal).

1. Clasificación: Los sistemas de micropropulsión se categorizan en tres grupos primarios: gas frío, química (monopropulsor, bipropulsor, sólido) y eléctrica (subdividida en electrotérmica, electrostática y electromagnética).
2. Definición de Criterios: El proceso de selección evalúa siete criterios clave: capacidad de empuje ($F$), impulso específico ($I_{sp}$), demanda de potencia eléctrica ($P$), masa del sistema ($m_{sys}$), volumen del sistema ($V$), madurez técnica/herencia de vuelo (TRL) y seguridad/simplicidad operativa ($S_f$).
3. Ponderación Híbrida:
   • AHP: Captura el juicio de ingeniería subjetivo mediante comparaciones por pares de los criterios.
   • Ponderación por Entropía: Deriva pesos objetivos basados en la variabilidad de los datos entre las alternativas competidoras.
   • Combinación: Un factor de equilibrio ($\alpha$) combina los pesos subjetivos y objetivos ($w_j = \alpha w^{AHP}_j + (1-\alpha) w^{E}_j$).
   • TOPSIS: Clasifica las alternativas basándose en su proximidad a una solución ideal y su lejanía de una solución no ideal.

Este enfoque permite que la estructura de decisión permanezca consistente mientras se adapta a las prioridades específicas de la misión mediante el ajuste de los juicios por pares o la matriz de datos de entrada.

Resultados Clave y Análisis Comparativo
El artículo proporciona una evaluación comparativa de tipos de propulsores representativos, destacando envolventes de rendimiento distintivas en lugar de clasificaciones universales:

• Sistemas de Gas Frío: Caracterizados por su simplicidad, alta fiabilidad y bajo riesgo de contaminación (TRL 8–9). Sin embargo, sufren de un bajo impulso específico (~40–100 s) y baja eficiencia de propelente. Son más adecuados para el control de actitud y misiones seguras donde los requisitos de empuje son bajos.
• Sistemas Electrotérmicos (Resistojet/Agua): Ofrecen una eficiencia mejorada respecto al gas frío (~70–200 s) y utilizan propelentes más seguros como el agua. Introducen penalizaciones relacionadas con la potencia del calentador y la gestión térmica, pero son atractivos para misiones con restricciones estrictas de seguridad o almacenamiento.
• Sistemas Químicos (Monopropulsor/Bipropulsor/Sólido): Proporcionan los niveles de empuje más altos (rango de mN a N) y tiempos de respuesta rápidos. Sin embargo, a menudo implican una mayor complejidad del sistema, riesgos en el manejo de catalizadores y desafíos de control térmico. Los sistemas de bipropulsor ofrecen un mayor rendimiento (~250–350 s) pero requieren sistemas de alimentación e ignición complejos.
• Sistemas Electrostáticos (Ion/Electrospray/FEEP): Dominan en impulso específico (~800–5000 s) y control de precisión. Son ideales para eficiencia de larga duración y mantenimiento de posición preciso. Sus limitaciones incluyen bajo empuje absoluto, altos requerimientos de voltaje y preocupaciones sobre la vida útil del emisor y la contaminación.
• Sistemas Electromagnéticos (Hall/Plasma Pulsado): Ofrecen un compromiso entre demanda de potencia, densidad de empuje y eficiencia. Los propulsores Hall (~1000–2000 s) son adecuados para el aumento de órbita y el mantenimiento de posición, pero enfrentan desafíos con la erosión del cátodo y límites de potencia. Los propulsores de plasma pulsado proporcionan soluciones compactas de propelente sólido pero sufren de menor eficiencia y erosión de electrodos.

El análisis confirma que ninguna tecnología única domina todas las misiones. Los sistemas eléctricos generalmente prevalecen cuando la economía de propelente o el control de alta precisión son primordiales, mientras que los sistemas de gas frío, electrotérmicos, resistojets de agua y monopropulsores siguen siendo atractivos cuando la simplicidad, la respuesta rápida, la seguridad o el mayor empuje son los impulsores principales.

Significancia y Contribuciones
La contribución principal de este artículo es metodológica. Reencuadra el proceso de selección de micropropulsión de una taxonomía descriptiva a una comparación de ingeniería estructurada apoyada por una lógica de ponderación universal AHP-Entropía-TOPSIS. Este marco hace que el razonamiento detrás de la selección de la propulsión sea trazable, repetible y adaptable a diferentes tipos de misión.

El artículo argumenta que el "problema de diseño moderno" no es si usar propulsión, sino cómo seleccionar la arquitectura más adecuada bajo restricciones conflictivas. Al integrar el juicio de expertos con la variabilidad de los datos objetivos, el sistema de ponderación híbrido propuesto mejora la robustez de la selección de propulsión en etapas tempranas. Los autores concluyen que el progreso futuro depende de la publicación de datos completos a nivel de sistema (incluyendo masa húmeda/seca, masa de la PPU y volumen) y más resultados en órbita, particularmente para tecnologías emergentes como los sistemas basados en agua, los monopropulsores verdes y los propulsores Hall de baja potencia. El estudio sirve como una herramienta para que los ingenieros de sistemas espaciales realicen estudios de compensación en etapas tempranas y seleccionen las tecnologías de micropropulsión apropiadas para futuras misiones de satélites pequeños.