Evaluation method for electrical power systems in cubesats

Abstract

Considerando os avanços quanto ao uso de satélites baseados em CubeSat ? como em missões interplanetárias e de observação da Terra ?, garantir a confiabilidade dos electrical power systems (EPSs) é fundamental, uma vez que o mau funcionamento desses subsistemas configura-se como uma das principais causas de falhas nessas aplicações. Apesar disso, faltam métodos estruturados e replicáveis que permitam avaliá-los quanto ao seu desempenho, sua confiabilidade e sua adequação às missões. Portanto, neste trabalho é proposto um método de avaliação de EPSs, aplicando-o na avaliação e comparação de dois modelos distintos de EPS, feitos no SpaceLab: o Electrical Power System 2.0 (EPS2) e o Reliability Enhanced Electrical Power System (RE²PS). O método desenvolvido foi estruturado em três etapas: 1) coleta de requisitos, com base em conjuntos de normas e diretrizes ? como as da European Cooperation for Space Standardization ? e em uma análise de 24 arquiteturas distintas de EPS; 2) avaliação orientada por requisitos, com critérios objetivos de aprovação e reprovação; e 3) avaliação granular, fundamentada em métricas comparáveis de massa, custo, eficiência e confiabilidade. Para permitir sua aplicação, o layout do RE²PS foi implementado a partir de um projeto conceitual pré-existente, com base em diretrizes de projeto de placas de circuito impresso para aplicações espaciais. Ambos os modelos, RE²PS e EPS2, foram submetidos ao método, incluindo testes funcionais, térmicos, dinâmicos e de radiação conduzidos em laboratórios especializados, respectivamente o Laboratório de Aplicações e Pesquisa Espaciais, Laboratório de Acústica e Vibrações e o Laboratório de Efeitos da Radiação Ionizante. O uso do método revelou que nenhum dos modelos avaliados cumpriu integralmente os requisitos estabelecidos, evidenciando suas limitações e vulnerabilidades quanto ao design, funcionamento e desempenho. A partir disso, foi possível não só recomendar correções e melhorias em ambos os modelos ? especialmente no RE²PS ? como também compará-los com base em métricas como massa, custo, eficiência e confiabilidade. Por fim, o método mostrou-se versátil e reproduzível. Portanto, observa-se que o método pode ser adotado não só pela equipe do SpaceLab, mas também por outras equipes, com o objetivo de qualificar, comparar e selecionar EPSs para suas missões. Além disso, também serve como ferramenta de diagnóstico e aperfeiçoamento iterativo, favorecendo o amadurecimento de projetos desenvolvidos in-house ao longo de gerações. Futuramente, sua aplicação pode ser estendida ou adaptada para lidar com outros subsistemas que compõem um CubeSat.

Abstract: Considering the advances in the use of CubeSat-based satellites ? such as in interplanetary and Earth observation missions ?, ensuring the reliability of electrical power systems (EPSs) is essential, since the malfunction of these subsystems constitutes one of the main causes of failure in such applications. Despite this, there is a lack of structured and replicable methods capable of evaluating EPSs in terms of performance, reliability, and mission suitability. Therefore, this work proposes a method for evaluating EPSs, applying it to the assessment and comparison of two distinct EPS models developed at SpaceLab: the Electrical Power System 2.0 (EPS2) and the Reliability Enhanced Electrical Power System (RE²PS). The method was structured in three stages: 1) requirement gathering, based on standards and guidelines ? such as those from the European Cooperation for Space Standardization ? and on an analysis of 24 distinct EPS architectures; 2) requirement-based evaluation, with objective criteria for approval and rejection; and 3) granular evaluation, based on comparable metrics such as mass, cost, efficiency, and reliability. To enable its application, the RE²PS layout was implemented from a pre-existing conceptual design, using guidelines for the design of printed circuit boards for space applications. Both models, RE²PS and EPS2, were submitted to the proposed method, including functional, thermal, dynamic, and radiation testing conducted in specialized laboratories ? namely the Laboratório de Aplicações e Pesquisa Espaciais, Laboratório de Acústica e Vibrações, and the Laboratório de Efeitos da Radiação Ionizante. The use of the method revealed that neither of the evaluated models fully met the established requirements, exposing their limitations and vulnerabilities in terms of design, operation, and performance. Based on this, it was possible not only to recommend corrections and improvements for both models ? especially for RE²PS ? but also to compare them using metrics such as mass, cost, efficiency, and reliability. Finally, the method proved to be both versatile and reproducible. Therefore, it is observed that the method can be adopted not only by the SpaceLab?s group but also by other university-based groups to qualify, compare, and select EPSs for their missions. Furthermore, it also serves as a tool for diagnostics and iterative improvement, supporting the maturation of in-house projects over successive generations. In the future, its application may be extended or adapted to address other subsystems that compose a CubeSat.