Introducción a la Ing. Aeroespacial

Transcripción

1 Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 9 Descripción General de los Vehículos Espaciales Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla 1

2 Outline Introducción El entorno espacial Subsistemas de un vehículo espacial 2

3 Introducción Los vehículos espaciales se diseñan para cumplir misiones especificas muy concretas, de ahí que la variedad de vehículos existentes sea tan amplia. Las misiones espaciales: simples como poner en órbita un microsatélite complejas como enviar seres humanos a la Luna o sondas al Sol. El Programa Espacial es muy amplio y se divide en Segmentos Segmento Espacial: Carga útil. Plataforma. Segmento de Tierra: Red de estaciones terrenas. Centro de control de operaciones. Segmento Lanzador: Centro de lanzamiento. Vehículo lanzador. 3

4 Segmento Espacial Carga útil Satélites: telecomunicaciones, observación espacial, observación terrestre, localización, Estaciones orbitales: Salyut, MIR, Skylab, ISS Sondas interplanetarias Módulos de descenso Plataforma: Contiene los elementos de ingeniería que garantizan el correcto funcionamiento de la carga útil 4

5 Satélites Artificiales Un satélite artificial es un satélite creado y puesto en órbita por el ser humano. Satélites de telecomunicaciones: estos satélites se utilizan para transmitir información de un punto a otro de la Tierra, en particular, comunicaciones telefónicas, datos o programas televisados. Satélites de observación terrestre: estos satélites observan la Tierra, con un objetivo científico o militar. El espectro de observación es extenso: óptico, radar, infrarrojo, ultravioleta, escucha de señales radioeléctricas. Satélites de observación espacial: estos satélites observan el espacio con un objetivo científico. Se trata en realidad de telescopios en órbita. En estos satélites el espectro de observación también es amplio. El telescopio espacial Hubble es un satélite de observación espacial. Satélites de localización: estos satélites permiten conocer la posición de objetos a la superficie de la Tierra. Por ejemplo, el sistema americano GPS, el sistema ruso GLONASS o el futuro sistema europeo Galileo. Hubble 5

6 Seg. Espacial - Estación Espacial Una estación espacial es una estructura artificial diseñada para ser habitada en el espacio exterior, con muy diversos fines. Se distingue de otra nave espacial tripulada por su carencia de propulsión principal, en lugar de eso, otros vehículos son utilizados como transporte desde y hacia la estación; y por su carencia de medios de aterrizaje. Salyut Salyut 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ( ) Skylab ( ) MIR ( ) Estación Espacial Internacional ISS (1998-) Skylab MIR ISS 6

7 Sonda Espacial Sonda espacial: dispositivo que se envía al espacio con el fin de estudiar cuerpos de nuestro Sistema Solar como planetas, satélites, asteroides o cometas. Exploracion Lunar Programa Ranger (EEUU) Lunokhod (URSS 1973): robot lunar teledirigido (Videos) Apolo (EEUU) Exploración Marte Mariner (EEUU ) Marsnik (URSS 1970/1973) Vikings (EEUU ) Mars Observer (EEUU 1992) perdida contacto (válvula adaptada) Faster Cheaper and Better Mars Climate Orbiter (EEUU 1999) unidades Mars Polar Lander (EEUU 1999) aterrizaje (motor temp y patas) Mars Global Surveyor (EEUU 1997) Mars Express (ESA) Mars Express Orbiter Beagle 2 (Desaparecida) Mars Pathfinder Exploración Exterior Pioneer (EEUU ): Jupiter, Saturno, Venus Zond (URSS ) Luna, Venus Marte Venera (URSS ): Venus Voyager: (EEUU): Jupiter, Saturno, Urano, Neptuno 13 de Septiemnbre de 2013 (espacio interestelar) Rosetta: 2004: cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko Giotto: estudió el cometa Halley. Huygens: Estudio atmosfera Titan Stardust (EEUU 2006): polvo cósmico Hayabusa (Japon 2005): estudio asteroide Itokawa Giotto Mars Pathfinder Huygens Voyager 1 7

8 Lunokhod programme Videos 8

9 Módulos de descenso Apolo Command Module Lunar Earth Module Soyuz 9

10 Segmento de Tierra Red de estaciones terrenas: Tiene la misión de: Transmitir instrucciones (telecomandos) al vehículo Recibir datos (telemedidas) tanto de la carga útil como de la plataforma Realizar las medidas de seguimiento o rastreo que conduzcan al conocimiento de la trayectoria real del vehículo (determinación de la órbita). Centro de control de operaciones Tiene la misión de: Supervisar y controlar al vehículo en tiempo real Determinar y predecir su órbita y su actitud. Planificar las operaciones futuras. Analizan los datos recibidos. 10

11 Mission Control Center JSC Flight Control Room Russian ISS Flight Control Room - Beijing Aerospace Command and Control Center (Beijing) - ATV Control Centre (Toulouse) - European Space Operations Centre (Darmstadt) - Columbus Control Center (Columbus Module) Space Shuttle Mission Control Center 11

12 Estaciones de seguimiento Madrid Deep Space Communications Complex: Robledo de Chavela en Robledo de Chavela (cerca de Madrid), España Goldstone Deep Space Communications Complex Barstow, California Canberra Deep Space Communications Complex Canberra, Australia 12

13 Estaciones de seguimiento 13

14 Segmento Lanzador Centro de lanzamiento. El objetivo de este segmento es, obviamente, inyectar el vehículo espacial en la órbita correspondiente. Los gastos del segmento lanzador representan una parte muy importante del coste total del programa espacial, por lo que las agencias de lanzadores favorecen los lanzamientos múltiples, ofreciendo así un mejor precio en un mercado altamente competitivo. Vehículo lanzador: Americanos: Scout, Atlas, Delta y Shuttle, Europeos la familia europea Ariane, Larga Marcha chino, japonés NII y el ruso Proton 14

15 Entorno Espacial El entorno espacial hace que el diseño y la construcción de los vehículos espaciales sea muy diferente de aquellos vehículos que tienen que operar en la tierra. El entorno espacial tiene unas características muy distintivas: Vacío espacial Entorno térmico Radiación Espacial Microgravedad Micrometeoritos Restos espaciales 15

16 Vacío espacial - I Vacío Total: Determinante en el diseño de vehículos espaciales. Muchos materiales modifican su masa y/o sus propiedades debido a que los gases (típicamente vapor de agua) adsorbidos en capas exteriores son liberados (desgasificación, outgassing ). El vapor liberado puede condensar en instrumentos ópticos muy delicados afectando las medidas. La liberación de oxígeno en ciertos materiales (p.ej. acero inoxidable) puede provocar abrasión, descamación o incluso soldadura entre partes móviles. Solución: cuidadosa selección de materiales y lubricantes; si es necesario emplear materiales problemáticos, prepararlos previamente con calentamientos al vacío ( baking out ). 16

17 Vacío espacial - II Vacío Parcial En órbita cercana a la tierra (LEO=Low Earth Orbit=OBT, <1000km de altura) existe una atmósfera residual que interactuará de forma significativa con el vehículo. Dicha atmósfera residual puede modificar la órbita del vehículo ( orbit decay ) por efectos de rozamiento. Necesidad del uso de sistemas propulsivos para mantener la altura Oxidación! (en LEO los flujos de O 2 son del orden de 1014 partículas/cm 2 /s). Los materiales vulnerables pueden ser fácilmente destruidos con relativa rapidez. Ionización de gases en vacío parcial: Puede provocar arcos y afectar el equipo electrónico. Efectos similares en la atmósfera de Marte. 17

18 Entorno Térmico El vacío espacial sólo permite un único tipo de transporte de energía desde o hacia el vehículo: la radiación térmica. Los vehículos espaciales están sometidos a cargas térmicas extremas y muy variadas. Las temperaturas de la fuente (el Sol) y el sumidero (el espacio profundo) para la transferencia de calor por radiación son extremas: 5780 K y 3 K (-270 C) respectivamente. P. ej. una porción térmicamente aislada de un vehículo puede experimentar variaciones entre 200K y 350K. Una forma de evitar los extremos puede ser rotar lentamente respecto al sol. El único mecanismo posible de transporte en el espacio es la radiación (solar, planetaria, y del vehículo). Al balance de energía hay que añadir la generación interna de calor por parte del vehículo. El vehículo tiene que ser diseñado teniendo en cuenta los gradientes térmicos entre sus diferentes partes. Cuidadosa selección de materiales para evitar fallos por la fatiga debida a ciclos térmicos, sistemas de control. Máximas cargas durante reentrada. 18

19 Radiación Espacial - I En el entorno espacial un vehículo está expuesto a radiación: La radiación electromagnética: El Sol Cinturones de Van Allen Flujo de electrones y protones que nos llegan desde el sol bajo la forma de viento solar Cinturón interior: km Cinturón exterior: km El viento solar Plasma formado por electrones e iones, que escapan de la atmósfera solar debido a las altas temperaturas de su corona. La radiación cósmica núcleos pesados de alta velocidad y partículas procedente del espacio interestelar. 19

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21 Radiación Espacial - II Peligrosos para equipos electrónicos, recubrimientos y para la tripulación. Es imposible garantizar al 100% que no habrá fallos del tipo singleevent upset o incluso destrucción de dispositivos semiconductores expuestos a altas radiaciones (especialmente rayos cósmicos o en los cinturones de Van Allen). Se puede reducir la tasa de errores (con apantallamiento; estándar: errores/día). En órbitas bajas (altitud inferior a 1000 km) la radiación no es un requisito de diseño importante: gracias al campo magnético de la Tierra, se evitan la mayoría de las partículas cargadas que llegan del Sol o de la galaxia. 21

22 Microgravedad - I Un vehículo espacial puede experimentar entre 10-3 y g, debido a: la gravedad de la tierra variedad de efectos perturbadores: presión solar rozamiento aerodinámico Estos efectos pueden ser eliminados mediante control, si son de baja frecuencia. Gradientes gravitatorios: la atracción gravitatoria es más fuerte en la parte del vehículo más cercana a la Tierra. De importancia en grandes vehículos y en estructuras flexibles. 22

23 Microgravedad - II Beneficios: uso de estructuras ligeras. Complica muchos procesos en los que intervienen gases o líquidos: fluidos se requiere convección forzada, sistemas de vaciado. Servicios o duchas para vuelos tripulados Asimismo afecta de forma muy negativa a los seres humanos: síndrome de adaptación espacial, alteraciones cardiovasculares, descalcificación ósea, atrofia muscular, etc. La experimentación en condiciones de gravedad reducida es una de las actividades más comunes en las plataformas orbitales. Esta actividad (fundamentalmente científica) se desarrolla mediante la realización de experimentos tanto en el campo de las ciencias físicas como en el de las ciencias de la vida. 23

24 Micrometeoritos y Basura Espacial Micrometeoritos: Pequeños objetos flotando en el espacio (milesimas de milimetro de diámetro). Representan un peligro menor excepto en circunstancias especiales. Normalmente, bastan 0.5mm de espesor de aluminio para detenerlos. En algunos casos se han diseñado escudos parachoques (p. ej. la sonda Giotto). Basura espacial: un peligro creciente, especialmente en LEO. Se estiman más de objetos de más de 1cm. de radio 24

25 Basura Espacial - I Basura Espacial Objetos mayores de 4 pulgadas 25

26 Basura Espacial - II 26

27 Basura Espacial - III 27

28 Basura Espacial - III 28

29 Basura Espacial - III 29

30 Basura Espacial - III 30

31 Basura Espacial - IV 10 de febrero del 2009: el satélite de comunicaciones Iridium 33 colisionó contra el satélite ruso Kosmos-2251 Video 1 (Iridium-Kosmos) Video 2 (ASA Test) 31

32 Meteoroid Orbital Debris Environment Manmade:11 Km/s Meteoroids km/s Node 1 ISS Micro-Meteoroid Orbital Debris Shielding Esfera de 6,5 mm impactando a 7 km/s en una placa de 3,7 cm de aluminio 32

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34 Subsistemas de un Vehículo Espacial La plataforma espacial se divide en una serie de elementos funcionales o subsistemas: Estructura y mecanismos Control de actitud y de órbita Propulsión Energía Control térmico Control ambiental Telemedida, telemando y gestión de datos 34

35 Estructura y Mecanismos Debe soportar todos los equipos y aguanta todas las cargas mecánicas producidas por: Las aceleraciones y vibraciones del vehículo lanzador Cargas generadas en el propio satélite: maniobras, despliegues de antenas y paneles, actuación de dispositivos pirotécnicos Cargas producidas en las operaciones de transporte por superficie hasta el lugar de lanzamiento. Solicitaciones térmicas: afectan a la precisión de apuntado de antenas y sensores Ligera (aluminio, berilio o materiales compuestos) Masa entre el 5 y el 20% de la masa de lanzamiento. 35

36 Control de actitud y de órbita Proceso de orientación del satélite en una dirección determinada. estabilización en actitud (mantenimiento de la orientación existente) maniobras de control (que cambian la orientación del satélite de una actitud a otra). Este subsistema incluye Sensores, para la estimación de la orientación del satélite Referencias ópticas a los cuerpos celestes Sol, el horizonte terrestre, la Luna y las estrellas. Referencias giroscópicas Inerciales. Actuadores para la realización de las maniobras. Los satelites están orbitando y no se apoyan en ningún soporte mecánico: intercambio de momento cinético entre distintas partes del vehículo las ruedas de reacción o los volantes de inercia Impulsores: aplicación de momentos respecto al centro de masas mediante la acción de impulsores (thrusters). 36

37 Propulsión Necesidades de la ejecución de maniobras: Cambios de órbita Requieren grandes impulsos (empujes del orden de 70 kn) Motores de combustible sólido Cambios de actitud Requieren impulsos muy pequeños (del orden de 1 N) Motores de combustible líquido monopropulsante (generalmente hidracina). 37

38 Energía Subsistema encargado de generar, almacenar, distribuir y controlar la energía eléctrica necesaria para la operación de los equipos del vehículo espacial. Métodos empleados: Células solares fotovoltaicas - Eléctricos Cristales de silicio, ensambladas en paneles solares de gran superficie (potencias menores a 25 kw) Ciclos termodinámicos para potencias mayores a 25 kw Sistemas termoeléctricos - Nucleares: Energía generada por fisión nuclear. Misiones de exploración del espacio lejano en las que la energía solar es débil. Baterías electroquímicas: Ni-Cd, Ni-H, etc. Se cargan cuando el Sol ilumina los paneles y se descargan en los periodos de eclipse. Consumo de energía por parte de los vehículos espaciales: microsatélites del orden de 100 W (como una bombilla), grandes satélites en torno a 1000 W (como un electrodoméstico) estación espacial del orden de 75 kw (como un automóvil) Grandes aviones 100 MW. 38

39 Control térmico Mantener la temperatura del vehículo y la de los equipos de a bordo dentro de sus límites de operación, en todas las fases de la misión. Las actuaciones y la fiabilidad de los equipos dependen críticamente de la temperatura de operación: Necesario mantenerla dentro de los límites especificados. baterías los límites son -5 o C y 20 o C, propulsantes 5 o C y 40 o C, electrónica en general -20 o C y 70 o C, etc. Vehículos pequeños se consigue mediante el recubrimiento o el acabado superficial de los elementos. Vehículos grandes y plataformas espaciales se requiere además cambiadores de calor, refrigeradores, etc.. Control térmico para descensos: Planeta con atmósfera que debe proteger del excesivo calentamiento aerodinámico. Descenso balístico se usan materiales absorbentes de energía Gran calor específico y alta temperatura de fusión. Materiales ablativos (fungible resinas con armaduras de fibras refractarias). Descenso en planeo recubrimientos muy emisivos de muy alta temperatura de trabajo y muy baja conductividad térmica (losetas refractarias del Space Shuttle). 39

40 Control térmico Apollo 11 Command module heat shield 40

41 Control térmico Escudo Térmico Shuttle Atlantis 41

42 Subsistemas Control ambiental Necesario en vuelos tripulados y estaciones espaciales. Generar un entorno habitable para los astronautas: Control de la atmósfera interior temperatura, presión, concentración de oxígeno, humedad, olores. Creación de agua potable humedad del ambiente y de la orina de los tripulantes. Control de las instalaciones higiénico-sanitarias Control de alimentos y desperdicios. Detección y extinción de incendios. Telemedida, telemando y gestión de datos Mantener el contacto con el segmento de tierra de la misión espacial: Enlace ascendente (uplink) Enlace descendente (downlink) Se encarga de las comunicaciones entre el vehículo espacial y las estaciones de tierra. Tiempos de transmisión (sólo ida): Luna ~ 2 seg Marte ~ 4 y 20 min Sol ~ 8 min Gestión de datos: Descodificar y distribuir la información enviada desde tierra y, Recoger y codificar la información generada en el vehículo que deba enviarse a tierra. 42

43 Sistema Solar 43

44 Sistema Solar - I Todos los planetas, sus satélites y los asteroides, orbitan el sol aproximadamente en el mismo plano, llamado plano de la eclíptica (porque es donde se producen eclipses). Sus órbitas son aproximadamente circulares. La única excepción es el planeta enano Plutón que tiene una órbita más elíptica y de una inclinación apreciable (17 grados). Los planetas rotan con un eje casi perpendicular al de la eclíptica en el sentido contrario de las agujas del reloj. La única excepción es Urano que rota de lado (se presupone que a causa de una gran colisión). Distancias: 1 AU = 1 Unidad Astronómica = Distancia media Tierra-Sol = aprox km 44

45 Sistema Solar - II 45

46 Sistema Solar - III Otras unidades: basadas en la velocidad de la luz. 1 seg. luz = distancia recorrida por la luz en 1s = aprox km 1 año luz = aprox km = aprox AU La estrella más cercana (Proxima Centauri) se encuentra a 4.2 años-luz (se tardaría años en llegar con nuestros cohetes más potentes). Otra unidad: pársec = años-luz. Temperaturas en el Sistema Solar: 46

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48 Sistema Solar - IV 48

49 Sistema Solar - V 49

50 Sistema Solar - VI El Sol: Es una estrella de tipo G2 V. Es la fuente de energía principal en el Sistema Solar (un inmenso reactor de fusión). Su peso es aproximadamente 2 10 kg., veces la masa de la Tierra 99% de la masa del Sistema Solar. Rotación con un periodo de 25.4 días sobre un eje girado 7.25 grados respecto a la eclíptica terrestre. Intenso campo magnético. Manchas solares (en la fotosfera) ocurren en lineas del campo magnético de muy alta intensidad (ciclos de 11 años). El sol expulsa material ocasionalmente, causando fluctuaciones en el campo magnético de los planetas. El viento solar fluye continuamente en todas direcciones. El límite de influencia del viento solar define la heliosfera, una burbuja en el seno del medio interestelar. 50

51 Sistema Solar - VII Voyager - 13 de Septiembre de

52 Sistema Solar - VIII Planetas terrestres : Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Sólo la Tierra posee campo magnético y cinturones de radiación. Mercurio: Sin atmósfera. El planeta más pequeño. Grandes diferencias de temperatura entre el día y la noche. Posibilidad de hielo. Visitado por el Mariner 10 en Venus: Densa atmósfera de CO2 que impide ver la superficie. Ampliamente visitado. La sonda Magallanes permitió crear un mapa de su superficie mediante técnicas de radar y altimetría. Marte: Atmósfera tenue de CO2. Contiene hielo en los polos. Evidencia de canales de agua en su pasado remoto. El más explorado tras la Tierra y la Luna. Posibilidad de vida? 52

53 Sistema Solar - IX Planetas jovianos : Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Joviano = tipo Júpiter, es decir, gigantes gaseosos (hidrógeno, helio) con (posiblemente) un núcleo sólido. Todos poseen campos magnéticos significativos, anillos y multitud de satélites. Júpiter: Tan masivo como el resto de planetas combinados. Fuerte campo magnético. Cinturones de intensa radiación. La Galileo orbitó Júpiter. Lunas: Io (volcánico), Europa (cubierto de hielo), Ganímedes, Calisto. Saturno: Planeta más lejano visible al ojo desnudo. Sistema complejo de anillos (interesante para la investigación en dinámica orbital). Lunas muy interesantes (Titán-más grande que la Luna, Japeto-helado ). La Cassini orbita Saturno. Urano y Neptuno: Descubiertos en 1781 y 1846 respectivamente. Sólo visitados por la Voyager 2. Compuestos de roca e hielo bajo la capa de gases. 53

54 Sistema Solar - X 54

55 Sistema Solar - XI 55

56 Bibliografía [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de Wikipedia, NASA, The Boeing Company, 56