EVALUACIÓN 4 PROGRAMA CURSOS NACIONALES Ingeniería de Sistemas Espaciales Aplicado a una Misión CanSat 2015

Transcripción

1 EVALUACIÓN 4 PROGRAMA CURSOS NACIONALES Ingeniería de Sistemas Espaciales Aplicado a una Misión CanSat 2015 Nombre: SEDE: Responda los siguientes ejercicios correspondiente a la puesta en órbita de un vehículo espacial conforme al material revisado. Ejercicio 1 a) Para llegar a órbita baja (LEO) se requiere de Δv = 9000 m/s, si v ex = 2000 m/s, indicar el porcentaje aproximado de masa de carga útil + estructura del cohete y el porcetaje de masa de combustible para llegar a LEO. b) Si ahora se duplica el valor de v ex qué valores de obtienen para los porcentajes de masa de la carga útil más la estructura del cohete y qué porcentaje de masa de propelente?

2 Ejercicio 2 Considerar un cohete que lleva kg de propelente, kg de estructura y 5000 kg de carga útil, cuál es la fracción de propelante del cohete? cuál es la fracción de carga útil que se lleva? Ejercicio 3 Considerando los datos del ejercicio 2, asumir un motor cohete con un I sp de 450s, g0 = 9.81 m/s 2, cuál es el valor de Δv si todo el propelente se consume en una sóla etapa? Ejercicio 4: Del ejercicio 2 divídase el problema en 2 etapas, cada una con la mitad de la masa de propelente y estructura ( kg y 5000 kg respectivamente). La carga útil de 5000 kg se encuentra en la parte superior de la segunda etapa y el I sp es de 450 seg. Determinar: El ΔV de la primera y segunda etapa. El ΔV total.

3 Ejercicio 5 Al conocer los requisitos de una carga útil específica es posible estimar los parámetros de diseño de toda la nave espacial. Cada subsistema consiste de un determinado porcentaje de la masa total de la nave. Algunos porcentajes típicos de masa se muestran en la tabla 1: Subsistema Porcentaje típico de masa Carga útil 27% Plataforma Estructura 22% Control térmico 3.5% Energía eléctrica 28% Telemetría y comando 7.5% Determinación y control de orientación 8% Propulsión 4% Masa total sin combustible de la nave espacial 100% Tabla 1. Porcentajes de masa típicos de los subsistemas de una nave espacial. Dependiendo de los requisitos de V de la misión, es que se coloca la cantidad de propelente necesario para realizar las maniobras de la nave espacial, y así se obtiene la masa total (masa de todos los subsistemas más el propelente). Ahora bien, se pretende realizar una misión de percepción remota para observar zonas estratégicas de México a fin de obtener información del uso de recursos naturales, agropecuarios, evaluación de zonas de interés y detección cambios drásticos en el terreno. Para cumplir con estos objetivos, es necesario una carga útil con un sistema de percepción remota que cuente con características de observación en longitudes de onda visibles, infrarojo cercano y a partir de un radar de apertura sintética. En lo que a la carga útil visible e infraroja se refiere, se tienen 2 opciones para llevar a cabo el desarrollo de la misión, una en una órbita LEO y otra en órbita GEO. Para seleccionar la misión se realiza un análisis de las opciones en órbitas LEO y GEO, además de comparar también con una plataforma a partir de un avión de gran altura como se muestra en la tabla 2.

4 Plataforma Altura (km) Apertura Resolución en el espectro visible (m) Resolución en el infrarojo (m) Avión LEO GEO Longitud de onda en el visible (m) 5x10-7 Longitud de onda en el infrarojo (m) 3x10-6 Tabla 2. Diferentes parámetros para un sistema visible e infrarojo de observación. La resolución espacial en cada caso se obtiene a partir de: Resolución = Diámetro de apertura = 2.44 altura λ diámetro apertura = 2.44hλ D altura λ = hλ resolución Res Donde la resolución angular límite se encuentra marcada por el disco de Airy conforme a: θ =1.22 λ D

5 La resolución espacial se determina mediante: Res = 2θh. Ahora bien, se busca encontrar una solución factible entre una misión LEO o GEO para llevar a cabo. Si la carga útil para el caso LEO es de 39 kg y para el caso GEO es de 77 kg, contemplando sólo la carga útil para longitudes de onda en el visible y en el infrarojo, y utilizando la información de la tabla 1 y de la tabla 2, determinar lo siguiente: a) La masa correspondiente a cada subsistema para los casos de misión LEO y GEO, y la masa total sin propelente del satélite en cada caso. b) Si se pretende observar objetivos con resolución de 20 m (visible) y 300 m (infrarojo), determinar las ventajas y desventajas de cada opción LEO y GEO. c) Considerando las opciones de órbitas LEO y GEO, determine qué opción representa la mejor solución desde un punto de vista técnico, para el desarrollo de la misión de observación del territorio en dónde además de las observaciones en el visible e infrarojo, se incluya el uso de un radar de apertura sintética para realizar mediciones en 3D de la superficie del territorio mexicano. Considerar aspectos como el tiempo de observación, tiempo de enlace con el satélite y volumen de datos a descargar, inclinación de la órbita para cubrir el territorio nacional (latitud y longitud), iluminación del hemisferio norte donde se localiza México, etc. Es posible utilizar otro tipo de órbita y en su caso cuál (mencionar las características de la órbita)?