CONTENIDOS. Laboratorio de Propulsión, DMT-UPM E. T. S. I. Aeronáuticos

Transcripción

1 Capítulo 5: otores Cohete CONTENIDOS Descripción, Aplicaciones y Desarrollo Clasificación Estudio propulsivo: Empuje Requerimientos del sistema de propulsión Análisis de utilización Sistemas de Propulsión 1

2 CLASIFICACIÓN Sistemas de Propulsión 2

3 DESCRIPCIÓN OTOR COHETE DE COBUSTIBLE SÓLIDO Sistemas de Propulsión 3

4 DESCRIPCIÓN OTOR COHETE DE COBUSTIBLE SÓLIDO Sistemas de Propulsión 4

5 DESCRIPCIÓN OTOR COHETE DE COBUSTIBLE LÍQUIDO Sistemas de Propulsión 5

6 DESCRIPCIÓN OTOR COHETE DE COBUSTIBLE LÍQUIDO otor F1 Sistemas de Propulsión 6

7 DESCRIPCIÓN OTOR COHETE DE COBUSTIBLE LÍQUIDO Sistemas de Propulsión 7

8 DESCRIPCIÓN OTOR COHETE HÍBRIDO Sistemas de Propulsión 8

9 DESCRIPCIÓN OTOR COHETE HÍBRIDO (SPACE SHIP ONE) Sistemas de Propulsión 9

10 SpaceShipOne Sistemas de Propulsión 10

11 DESCRIPCIÓN (Nucleares) Sistemas de Propulsión 11

12 DESCRIPCIÓN (Nucleares) Sistemas de Propulsión 12

13 DESCRIPCIÓN (Nucleares) Sistemas de Propulsión 13

14 DESCRIPCIÓN (Termoeléctricos) Sistemas de Propulsión 14

15 DESCRIPCIÓN (Iónicos) Sistemas de Propulsión 15

16 DESCRIPCIÓN (Iónicos) Sistemas de Propulsión 16

17 Sistemas de Propulsión 17

18 DESCRIPCIÓN (electromagnéticos) Sistemas de Propulsión 18

19 ESTUDIO PROPULSIVO: EPUJE = masa instantánea del vehículo F = masa fija (no consumible) P = masa de propulsante V = velocidad del vehículo ejes tierra V R = velocidad del propulsante relativa al vehículo V S = velocidad relativa del propulsante en la sección de salida ϑ P = volumen del dominio que contiene propulsante A s = área de salida de propulsante p s = presión en la sección de salida Sistemas de Propulsión 19

20 ESTUDIO PROPULSIVO: EPUJE d ( V) F d + V + V d + V + V V n d = F dt dt ρ ( ) ( )( ) R ϑ ρ S S σ ϑ p A S ex d V ( F ) dt dv d d V d V d + ρ ϑ + ρ R ϑ + ρdϑ + V ρ( Vs n) dσ + ρvs( Vs n) dσ = F dt ϑ dt dt p ϑ p ϑ p As As regimen estac dv. suma nula, segun p dt o cuasiestac. ecuacion de continuidad ex d V dt + ρv V n dσ = F = F + F + F p p ndσ A s ( ) ( ) s s ex a g s a A S Sistemas de Propulsión 20

21 ESTUDIO PROPULSIVO: EPUJE dv = ρv ( ) s Vs n d σ + ( ps pa ) n d σ + Fa + Fg + F dt As AS ( ) E = mv + A p p s s s a F x F g = g E I sp E = m V s F y E V ( V n ) d ( p p ) nd = ρ σ + σ A s s s a s A s Sistemas de Propulsión 21

22 ESTUDIO PROPULSIVO Balance energético Sistemas de Propulsión 22

23 ESTUDIO PROPULSIVO Ecuación de Cohete d V m= d D E D g / dt dv dt dt g dt I d = cosθ + + cosθ = sp ΔV = ΔV + ΔV + ΔV 0 D ( f ) ΔV = V V ΔV 0 0 D = t t D dt ΔVg = gcosθ dt t b b g ( Vf 0 ) D dt g dt I cosθ sp ln V + + = t t b ΔV b = I ln sp 0 f 0 f Sistemas de Propulsión 23

24 ESTUDIO PROPULSIVO Requerimientos i del sistema de propulsión ISIONES Vehículos lanzadores (Gran potencia (GW), E/W>1, ΔV 5km/s) Satélites y plataformas espaciales Compensación de resistencia Control de orientación Transferencia orbital Sondas y naves interplanetarias (Voyager ΔV 0.15 km/s, Galileo ΔV 1.7 km/s) Nave estelar Sistemas de Propulsión 24

25 GEO ESTUDIO PROPULSIVO ISIONES LEO Tierra arte Luna Sistemas de Propulsión 25

26 ESTUDIO PROPULSIVO Requerimientos i del sistema de propulsión ision ΔV (km/s) Superficie terrestre a OTB 7.6 OTB a OGE 4.2 Escape de la Tierra desde OTB 3.2 Escape desde la superficie de la Tierra 11.2 OTB a órbita lunar (7 días) OTB a órbita de arte* (0.7 años) 5.7 OTB a órbita de arte (40 días) 85.0 Superficie terrestre a la de arte y vuelta* 34 OTB a órbita de Venus y vuelta* (0.8 años) 16 OTB a óbi órbita de ercurio y vuelta* 31 OTB a órbita de Júpiter y vuelta* (5.46 años) 64 OTB a órbita de Saturno y vuelta (12.1 años) 110 OTB a órbita de Neptuno (29.9 años) 13.4 OTB a órbita de Neptuno (5 años) 70 OTB a órbita de Plutón* (45.5 años) -- Escape del Sistema Solar desde OTB 8.7 OTB a 1000 UA (50 años) 142 OTB a α-centauro (50 años) * Con transferencia elíptica de Hohmann OTB Órbita terrestre baja de 270 km OGE Órbita geoestacionaria, 42,227 km de radio. UA Unidad Astronómica = km (distancia tierra-sol). Sistemas de Propulsión 26

27 ΔV Laboratorio de Propulsión, DT-UP = I sp ln α = / P PP α PP = PP / P PP k = T / P R = PL / 0 ε = PP + P ESTUDIO PROPULSIVO Análisis i de utilización ió 0 = 0 = P P = mt b 1 2 P PPη = m I sp 2 ( α + α ) 2 I PP 2 sp I sp = 2η t 2Z b ΔV PL PP T P = I sp + k + ln ε 1 ε + k + R Sistemas de Propulsión 27

28 ESTUDIO PROPULSIVO Análisis i de utilización ió Δ V ε + k+ 1 = ln 2 Z ε + k+ R ε = Z = PP + P = ( α + α ) 2 I PP 2 sp I sp = 2η t 2Z η tb P η t = α + α + PP b PP b PP Sistemas de Propulsión 28

29 ESTUDIO PROPULSIVO Análisis i de utilización ió Sistemas de Propulsión 29