Introducción a los Sistemas Espaciales Enfocado al sistema de lanzamiento
Panorama General Introducción. Mecánica orbital. Dinámica de vuelo. Propulsión espacial. Recursos disponibles. Conclusión.
La Carrera Espacial Introducción
El Proceso de Ingeniería Introducción
El Problema del Barómetro Consideremos a las siguientes personas: Un físico Un ingeniero Un topógrafo Un arquitecto Un agente de publicidad Cómo calcular la altura del edificio usando un barómetro? Figura 2.1: Problema del Barómetro (1)
Qué es el Proceso de Ingeniería? De acuerdo a la NASA, el proceso de ingeniería es un enfoque metódico y multidisciplinario para el diseño, operaciones técnicas, funcionamiento y retiro de un sistema. (2) Un sistema es una combinación de elementos funcionando en conjunto, para producir las condiciones necesarias para satisfacer una necesidad. (2) Los elementos son los siguientes: Hardware Software Material Instalaciones Personal Procesos Procedimientos
Qué es el Proceso de Ingeniería? Sistema de Sistemas Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Subsistema 1 Subsistema 2 Subsistema 1 Subsistema 2 Componente 1 Componente 2 Elemento 1 Elemento 2 Figura 2.2: Estructura de Árbol del Producto
Cómo Aplicarlo a un Cohete de Agua? Cohete de Agua Vehículo Estación Terrestre Plataforma de Lanzamiento Carga Útil Estructura Tripie Bomba Estructura Central Botella 1 Nariz Aletas Botella 2 Figura 2.3: Estructura de Árbol de Cohete de Agua
Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería? Figura 2.4: Ejemplo del Columpio (3)
Beneficios del Proceso de Ingeniería Permite el desarrollo e implementación de proyectos de cualquier tamaño de una manera lógica y ordenada. Promueve el cumplimiento del calendario del proyecto y los plazos de la misión. Promueve la reducción de riesgos asociados con el desarrollo del proyecto. Promueve la reducción de costos asociados a la implementación del proyecto.
Beneficios del Proceso de Ingeniería Figura 2.5: Configuraciones Posibles del SLS (4)
Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería? Figura 2.6: Columbia 2003 (5)
Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería? Columbia 2003 STS-107: condujo experimentos de micro-gravedad por 16 días. Al reingresar a la atmosfera la capsula se sobrecalentó y comenzó a desintegrarse. Qué salió mal? La validación de el reingreso fue realizada a través de datos extrapolados. Figura 2.7: Space Shuttle (6)
Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería? Genesis 2004 Recolectar información sobre los vientos solares. El sistema de recuperación no libero el paracaídas ocasionando que se estrellara a una velocidad de 300 km/h. Qué salió mal? Dos interruptores de gravedad fueron instalados al revés. Figura 2.8: Genesis (6)
Modelos del Proceso de Ingeniería Modelo de cascada: Dr. Winston W. Royce 1969 Modelo en espiral: Dr. Barry W. Boehm 1983 Modelo de arquitectura en V Forsberg y Mooz 1990
Modelo de Cascado Requerimientos de Sistema Requerimientos de Software Diseño Preliminar Diseño Detallado Programación y Depuración Pruebas y Pre operaciones Figura 2.9: Modelo de Cascada Operaciones y Mantenimiento
Modelo en Espiral Figura 2.10: Modelo en Espiral (8)
Modelo de Arquitectura en V Necesidades del Cliente Entrega del Producto Concepto de la Misión Requerimientos de la Misión Concepto de Operación Diseño Preliminar V &V de Sistema de Sistemas V &V de Sistema V &V de Subsistemas V &V de Componentes Diseño Detallado V &V de Elementos Fabricación Figura 2.11: Modelo de Arquitectura en V
Modelo de Arquitectura en V Necesidades del cliente: Convocatorias. Contacto al cliente. Concepto de la misión: Analizan problemas similares. Ideas para solucionar el problema. Requerimientos de la misión: Se establece las necesidades y restricciones de la misión. La solución al problema debe cumplir al 100% con los requerimientos.
Modelo de Arquitectura en V Concepto de operaciones: Determina la estructura básica de la misión. Sección mas detallada antes del diseño. Operaciones básicas del sistema de sistemas. Diseño preliminar: Primera fase de diseño. Se busca validar numéricamente los requerimientos de jerarquía mayor a subsistema. Se requieren múltiples iteraciones de esta fase.
Modelo de Arquitectura en V Diseño detallado: Fase final del diseño. Se busca validar numéricamente todos los requerimientos. Se producen todos los documentos técnicos. Pude tener múltiples iteraciones. Usualmente, no hay cambios de diseño posteriores a esta fase. Fabricación: Fabricación secuencial o fabricación en paralelo. Se ensambla el sistema de sistema por primera vez y este es desensamblado para realizar pruebas especificas a sistemas.
Modelo de Arquitectura en V Verificación: Responde la pregunta: Se construyo el sistema correctamente? Compara el modelo fabricado con los dibujos técnicos. Validación: Responde la pregunta: Se construyo el sistema correcto? Requiere una vasta cantidad de pruebas. Entrega del Producto.
Componentes en una Misión Espacial Introducción
Mecánica Orbital
Qué es una Orbita? Latín Orbis Orbitus Orbita Anillo Circular Camino/trayectoria De acurdo con la Real Academia Española (RAE), orbita es definida como una curva debida a la acción gravitacional, descrita por un cuerpo celeste que se mueve en torno a otro. (9)
Qué es una Orbita? De acuerdo con la NASA, una orbita es un camino seguido por un planeta, satélite natural o satélite artificial mientras viaja alrededor de otro cuerpo en el espacio. (10) Orbita: La trayectoria cónica formada por el movimiento de un objeto, afectado por un cuerpo celeste, debido a efectos gravitacionales.
Qué Estudia la Mecánica Orbital? Mecánica celestial : Estudia el movimiento de los cuerpos celestes. Mecánica Orbital: Estudia el movimiento de todos los objetos en orbita. Mecánica de Posición: Estudia la orientación de cuerpos en el espacio. Astrodinámica: Estudia el movimiento de objetos creados por el hombre en el espacio, sujetos a fuerzas naturales y artificiales. (11)
Leyes de Kepler Mecánica Orbital
Leyes de Kepler Creadas por Johannes Kepler. (1571-1630) Creadas gracias a los datos de Tycho Brahe. (1546-1601) Describen el movimiento planetario, no lo explican. Descarto los antiguos modelos planetarios. La 1 ra y la 2 da ley fueron publicadas en 1609. (Astronomia Nova) La 3 ra ley fue publicada en 1619. (Harmonices Mundi Libri V)
1 ra Ley de Kepler Todos los planetas se mueven en orbitas elípticas, con el Sol en uno de los focos. F a b O a e F O - Centro F - Foco a - Semieje mayor b - Semieje menor e - Excentricidad Figura 3.1: Elipse con Propiedades
1 ra Ley de Kepler Todos los planetas se mueven en orbitas elípticas, con el Sol en uno de los focos. r a Θ r Figura 3.2: Elipse con Características Orbitales r p - Sol - Tierra r a - Apoapsis r p - Periapsis r - Posición Θ - Anomalía media
2 da Ley de Kepler La línea que une a un planeta con el Sol, recorre áreas iguales en tiempos iguales. Figura 3.3: Segunda Ley de Kepler (12)
3 ra Ley de Kepler El cuadrado del periodo orbital de cualquier planeta es proporcional al cubo de sus distancias medias al Sol. T α a 3 T =2 π (a 3 /μ) Ecuación 3.1 Ecuación 3.2
Problema de Dos Cuerpos Mecánica Orbital
Isaac Newton - Principia Demostró las leyes de Kepler. Creo las 3 leyes del movimiento. Creo la ley de la gravitación Universal. F = m a Ecuación 3.3 F α dv/dt Ecuación 3.4 F = Gm 1 m 2 /r 2 Ecuación 3.5
Problema de Dos Cuerpos Ecuación de Movimiento de una Orbita r = ) * + r Ecuación 3.6 Figura 3.4: Eje de Coordenadas con Dos Masas (13)
Parámetro Gravitacional Figura 3.5: Parámetros Gravitacionales de Cuerpos Celestes (14)
Formas de Orbitas Mecánica Orbital
Las Secciones Cónicas Figura 3.6: Secciones Cónicas (15)
Orbita Circular Figura 3.7: Orbita Circular (11)
Orbita Elíptica Figura 3.8: Orbita Elíptica (11)
Orbita Parabólica Figura 3.8: Orbita Parabólica (11)
Orbita Hiperbólica Figura 3.9: Orbita Hiperbólica (11)
Características Orbitales a e ε r v Circular a > 0 e = 0 ε < 0 r = a v = ) * Eliptica a > 0 0 < e < 1 ε < 0 r = /(123) 153 678 9 v = :) * ) / Parábolica a < 0 e = 1 ε = 0 r = ; : (1 + tan θ: ) Hipérbolica a e > 1 ε > 0 r = /(123) 153 678 9 v = v = :) * 2μ r μ a Tabla 3.1: Características de Orbitas 2D (11)
Elementos Orbitales Mecánica Orbital
Orbitas en 3D Dos formas de definir la posición de un objeto y su orbita en el espacio: Vectores de posición y velocidad. Elementos Orbitales Se necesitan puntos de referencia para ubicar las orbitas: x: En dirección del equinoccio de primavera y: Dirección ortogonal a los ejes x" y z z: Eje de rotación del cuerpo celeste. A el plano xy se le denomina ecuatorial. Se ocupan sistemas de coordenadas seudo-inerciales.
Elementos Orbitales a - semieje mayor e - excentricidad h - momento angular i - inclinación Ω - longitud del nodo ascendente n - vector nodal ω - argumento de periapsis e - vector de excentricidad θ - anomalía media Figura 3.10: Elementos Orbitales (16)
Datos Orbitales de Cuerpos Celestes Base de datos de cuerpos celestes: Horizons JPL Database Figura 3.11: Base de Datos Horizons
Transferencia de Hohmann Mecánica Orbital
Transferencia de Hohmann Walter Hohmann 1952 en su publicación la accesibilidad de cuerpos celestiales. Transferencia orbital de menor energía. Transferencia entre orbitas en el mismo plano.
Transferencia de Hohmann Figura 3.12: Transferencia de Hohmann (17)
Dinámica de vuelo
Fases de Vuelo en Vehículo a Escala Figura 4.1: Fase de Vuelo en Vehículo a Escala (18)
Fases de Vuelo en Vehículo a Escala Figura 4.2: Video de Vehículo a Escala (18)
Fases de Vuelo Figura 4.3: Fase de Vuelo (19)
Sitios de Lanzamiento Dinámica de vuelo
Componentes de Vuelo Dinámica de vuelo
Análisis de Fases de Vuelo Dinámica de vuelo
Propulsión Espacial
Sistemas de Propulsión Terrestre Propulsión Espacial
Sistemas de Propulsión Espacial Propulsión Espacial
Recursos Disponibles
Conclusión