Introducción a la Ing. Aeroespacial - Área de …³n a la Ingeniería Aeroespacial 3 Introducción Los vehículos espaciales se diseñan para cumplir misiones especificas muy concretas,

Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 1

Sergio Esteban RonceroFrancisco Gavilán Jiménez

Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de FluidosEscuela Superior de Ingenieros

Universidad de Sevilla

Introducción a la Ing. AeroespacialTema 9 – Descripción General de los Vehículos Espaciales

2Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

Outline

Introducción El entorno espacial Subsistemas de un vehículo espacial


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.


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


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 informaciónde 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 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 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 Espacial Sonda espacial: dispositivo que se envía al espacio con

el fin de estudiar cuerpos de nuestro Sistema Solarcomo planetas, satélites, asteroides o cometas.

Exploracion Lunar Programa Ranger (EEUU) Lunokhod (URSS 1973): robot lunar teledirigido (Videos) Apolo (EEUU)

Exploración Marte Mariner (EEUU 1960-1969) Marsnik (URSS 1970/1973) Vikings (EEUU 1970-1079) 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 1958-1978): Jupiter, Saturno, Venus Zond (URSS 1964-1970) Luna, Venus Marte Venera (URSS 1961-1983): 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

Mars Pathfinder

Giotto

Huygens

Voyager 1

Lunokhod programme


Videos


Módulos de descenso

Apolo Command ModuleLunar Earth Module

Soyuz


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.


Mission Control Center

Space Shuttle Mission Control 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 Complex Barstow, California

Canberra Deep Space Communications Complex Canberra, Australia


Estaciones de seguimiento


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


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


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) 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. 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”).


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 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 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.


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: 1000-5000 km Cinturón 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 cósmica

núcleos pesados de alta velocidad y partículas procedente del espacio interestelar.



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 partículas

cargadas 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 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.


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 cienciasfísicas 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 sonda

Giotto).

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







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)


Esfera de 6,5 mm impactando a 7 km/s en una placa de 3,7 cm de aluminio

Node 1 ISSMicro-Meteoroid Orbital Debris Shielding

Meteoroid Orbital Debris EnvironmentManmade:11 Km/s Meteoroids 20-70 km/s



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


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.


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).


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).


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.


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

Vehículos pequeños se consigue mediante el recubrimientoo 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).


Control térmico

Apollo 11Command module heat shield


Control térmicoEscudo Térmico Shuttle Atlantis


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.

Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 43

Sistema Solar


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. 149.600.000 km


Sistema Solar - II


Sistema Solar - III Otras 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 nuestros cohetes 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 - 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.,

333000 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 eclípticaterrestre.

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.


Sistema Solar - VIIVoyager - 13 de Septiembre de 2013


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 1974-1975.

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?


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.


Sistema Solar - X


Sistema Solar - XI


Bibliografía [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de

2007. Wikipedia, http://es.wikipedia.org NASA, http://www.nasa.gov The Boeing Company, http://www.boeing.com

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