Descripción General de Vehículos Espaciales Aeronaves y Vehículos Espaciales 3 Introducción Los vehículos espaciales se diseñan para cumplir misiones especificas muy concretas,

23/04/2009 Aeronaves y Vehículos Espaciales 1

Descripción General de Vehículos Espaciales

Sergio Esteban RonceroFrancisco Gavilán Jiménez

Escuela Superior de IngenierosUniversidad de Sevilla

Curso 2008-2009

Aeronaves y Vehículos Espaciales 223/04/2009

Outline

IntroducciónEl entorno espacialSubsistemas de un vehículo espacial


IntroducciónLos 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 microsatélitecomplejas 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.


Segmento Espacial

Carga útilSatélites: telecomunicaciones, observación espacial, observación terrestre, localización, …Estaciones orbitales: Salyut, MIR, Skylab, ISSSondas interplanetariasMódulos de descenso

Plataforma:Contiene los elementos de ingeniería que garantizan el correcto funcionamiento de la carga útil


Satélites ArtificialesUn 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


Seg. Espacial - Estación EspacialUna 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 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7…(1971-1982)Skylab (1973-1979)MIR (1986-2001)Estación Espacial Internacional ISS (1998-)

Skylab

MIR

Salyut

ISS


Sonda EspacialSonda espacial: dispositivo que se envía al espacio con el fin de estudiar cuerpos de nuestro Sistema Solar como plantetas, satélites, asteroides o cometas.Exploracion Lunar

Programa Ranger (EEUU)Lunokhod (URSS 1973): robot lunar teledirigidoApolo (EEUU)

Exploración MarteMariner (EEUU 1960-1969)Marsnik (URSS 1970/1973)Vikings (EEUU 1970-1079)Mars Polar Lander (EEUU 1999) - unidadesMars Climate Orbiter (EEUU 1999) – aterrizajeMars Observer (EEUU 1992) – perdida contactoMars Global Surveyor (EEUU 1997)Mars Express (ESA)

Mars Express OrbiterBeagle 2 (Desaparecida)

Mars PathfinderExploració Exterior

Pioneer (EEUU 1958-1978): Jupiter, Saturno, VenusZond (URSS 1964-1970) Luna, Venus MarteVenera (URSS 1961-1983): VenusVoyager: (EEUU): Jupiter, Saturno, Urano, Neptuno Rosetta: 2004: cometa 67P/Churyumov-GerasimenkoGiotto: estudió el cometa Halley.Huygens: Estudio atmosfera TitanStardust (EEUU 2006): polvo cósmicoHayabusa (Japon 2005): estudio asteroide Itokawa

Mars Pathfinder

Giotto

Huygens

Voyager 1


Módulos de descenso

Apolo Command ModuleLunar Earth Module

Soyuz


Segmento de Tierra

Red de estaciones terrenas:Tiene la misión de:

Transmitir instrucciones (telecomandos) al vehículoRecibir 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 operacionesTiene la misión de:

Supervisar y controlar al vehículo en tiempo realDeterminar y predecir su órbita y su actitud.Planificar las operaciones futuras.Analizan los datos recibidos.


Mission Control Center

Space Shuttle MissionControl Center

Russian ISS Flight Control RoomJSC Flight Control Room

- Beijing Aerospace Command and Control Center (Beijing)- ATV Control Centre (Toulouse)- European Space Operations Centre (Darmstadt)- Columbus Control Center (Columbus Module)


Estaciones de seguimiento

Madrid Deep Space Communications Complex:Robledo de Chavela en Robledo de Chavela (cerca de Madrid), España

Goldstone Deep Space Communications ComplexBarstow, California

Canberra Deep Space Communications ComplexCanberra, Australia


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


Centros de Control y Bases de Lanzamiento - I

Johnson Space Center

Kennedy Space Center

Guiana Space Centre

Tanegashima Space Center


Lanzadores - I

Saturn V

CZ-2F

Delta

Pegasus


Lanzadores - II

Saturn V, Space Shuttle, Ares I, Ares V


Lanzadores - III

Space Shuttle y Solid Rocket Booster

Space Shuttle External Tank


Lanzadores - IVBuran y lanzador Energia

Transbordador Espacial y SRB y ET


Sapace Shuttle - I


Sapace Shuttle - II


¿Futuros Lanzadores?

KliperX-33

X-38

Lunar Surface Access Module


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 espacialEntorno térmicoRadiación EspacialMicrogravedadMicrometeoritosRestos espaciales


Vacío espacial - I

Vacío Total: Determinante en el diseño de vehículos espaciales. Muchos materiales modifican su masa y/o sus propiedadesdebido a que los gases (típicamente vapor de agua) adsorbidosen capas exteriores son liberados (desgasificación, “outgassing”).El vapor liberado puede condensar en instrumentos ópticosmuy delicados afectando las medidas.La liberación de oxígeno en ciertos materiales (p.ej. aceroinoxidable)

puede provocar abrasión, descamación o incluso soldadura entrepartes móviles.

Solución: cuidadosa selección de materiales y lubricantes; si es necesario emplear materiales problemáticos, prepararlospreviamente con calentamientos al vacío (“baking out”).


Vacío espacial - II

Vacío ParcialEn órbita cercana a la tierra (LEO=Low Earth Orbit=OBT, <1000km de altura) existe una atmósfera residual queinteractuará 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 O2 son del orden de 1014 partículas/cm2/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.


Entorno TérmicoEl 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 térmicasextremas y muy variadas. Las temperaturas de la fuente (el Sol) y el sumidero (el espacioprofundo) para la transferencia de calor por radiación son extremas: 5780 K y 3 K respectivamente.

P. ej. una porción térmicamente aislada de un vehículo puedeexperimentar 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 fatigadebida a ciclos térmicos, sistemas de control.

Máximas cargas durante reentrada.


Radiación Espacial - IEn 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 vientosolarCinturón interior: 1000-5000 kmCinturón exterior: 15000-20000km

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 cósmicanúcleos pesados de alta velocidad y partículas α procedente del espaciointerestelar.


Radiación Espacial - II• Peligrosos para equipos electrónicos, recubrimientos y para la

tripulación. • Es imposible garantizar al 100% que no habrá fallos del tipo “single-

event 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: 10-10 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 partículascargadas que llegan del Sol o de la galaxia.


Microgravedad - I

Un vehículo espacial puede experimentar entre 10-3 y 10-11 g, debido a:la gravedad de la tierravariedad de efectos perturbadores:

presión solarrozamiento 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 cercanaa la Tierra.

De importancia en grandes vehículos y en estructuras flexibles.


Microgravedad - IIBeneficios: 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.


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 sondaGiotto).

Basura espacial: un peligro creciente, especialmente en LEO. Se estiman más de 100.000 objetos de más de 1cm. de radio


Basura Espacial - IBasura EspacialObjetos mayores de 4 pulgadas


Basura Espacial - II


Basura Espacial - III


Subsistemas de un Vehículo Espacial

La plataforma espacial se divide en una serie de elementos funcionales o subsistemas:

Estructura y mecanismosControl de actitud y de órbitaPropulsiónEnergíaControl térmicoControl ambientalTelemedida, telemando y gestión de datos


Estructura y MecanismosDebe soportar todos los equipos y aguanta todas las cargas mecánicas producidas por:

Las aceleraciones y vibraciones del vehículo lanzadorCargas 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.


Control de actitud y de órbitaProceso 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 incluyeSensores, para la estimación de la orientación del satélite

Referencias ópticas a los cuerpos celestesSol, 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 inerciaImpulsores: aplicación de momentos respecto al centro de masas mediante la acción de impulsores (thrusters).


PropulsiónNecesidades de la ejecución de maniobras:

Cambios de órbitaRequieren grandes impulsos (empujes del orden de 70 kN)

Motores de combustible sólido

Cambios de actitudRequieren impulsos muy pequeños (del orden de 1 N)

Motores de combustible líquido monopropulsante (generalmente hidracina).


EnergíaSubsistema 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 - EléctricosCristales 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.


Control térmicoMantener 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 -5oC y 20oC, propulsantes 5oC y 40oC, electrónica en general -20oC y 70oC, 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.

Descenso en planeo recubrimientos muy emisivos de muy alta temperatura de trabajo y muy baja conductividad térmica (losetas refractarias del Space Shuttle).


SubsistemasControl 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-sanitariasControl de alimentos y desperdicios. Detección y extinción de incendios.

Telemedida, telemando y gestión de datosMantener 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. 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.

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Sistema Solar


Sistema Solar - ITodos 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. 149.600.000 km


Sistema Solar - II


Sistema Solar - IIIOtras unidades: basadas en la velocidad de la luz.

La estrella más cercana (Proxima Centauri) se encuentra a 4.2 años-luz (se tardaría 76.000 años en llegar con nuestroscohetes más potentes).Otra unidad: pársec = 3.261630751 años-luz.Temperaturas en el Sistema Solar:

1 seg. luz = distancia recorrida por la luz en 1s= aprox. 299.800 km

1 año luz = aprox. 9.461.000.000.000 km= aprox. 63.000 AU



Sistema Solar - IV


Sistema Solar - V


Sistema Solar - VIEl 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 2x1030 kg.,

333.000 veces la masa de la Tierra99% de la masa del Sistema Solar.

Rotación con un periodo de 25.4 días sobre un eje girado 7.25 grados respecto a la eclípticaterrestre.Intenso campo magnético.

Manchas solares (en la fotosfera) ocurren en lineas del campo magnético de muy alta intensidad (ciclosde 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 mediointerestelar.


Sistema Solar - VII


Sistema Solar - VIIIPlanetas “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 1974-1975.

Venus: Densa atmósfera de CO2 que impide ver la superficie. Ampliamente visitado. La sonda Magallanes permitió crear un mapa de su superficiemediante 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?


Sistema Solar - IXPlanetas “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 dinámicaorbital).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.


Sistema Solar - X


Sistema Solar - XI


Bibliografía[Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de 2007.Wikipedia, http://es.wikipedia.orgNASA, http://www.nasa.govThe Boeing Company, http://www.boeing.com

http://es.wikipedia.org/

http://www.nasa.gov/

http://www.boeing.com/

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