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Introduccin a los Sistemas Espaciales


CURSOIntroduccin a

los Sistemas Espaciales

Mdulos

1. Introduccin.

2. rbitas y el movimiento de los satlites.

3. Sistemas espaciales (segmento espacial).

4. Lanzadores.


1. Sitios de lanzamiento.

2. Requerimientos de una misin espacial y su repercusin en los sistemas de lanzadores.

3. Sistemas de Propulsin Espacial.

4. Algunos Lanzadores.

5. Ensamble de los lanzadores con la carga til (nave espacial/tripulacin).

Mdulo 4: LAnzadores


Sitios de LAnzamiento


Sitios de LAnzamiento

Los sitios de lanzamiento se seleccionan de tal manera que stos presentan condiciones excepcionales para alcanzar diversos objetivos de puesta en rbita.

Las principales condiciones para elegir un sitio de lanzamiento son las siguientes:

Debe estar situado lo ms prximo al ecuador, con el fin de aprovechar la velocidad de rotacin mxima de la Tierra durante un lanzamiento hacia el este.

Debe permitir un mnimo de maniobras orbitales de cambio de plano, esto es, maniobras de las diferentes etapas del lanzador y de la nave misma para alcanzar su plano orbital o de transferencia a fin de reducir el uso de combustible necesario y por consiguiente el costo.

Por ejemplo, la base de Kourou, situada en la Guayana Francesa, la cual es el punto de lanzamiento elegido para los lanzadores Ariane, al estar tan prxima al Ecuador, permite que para satlites GEO, la inclinacin de la rbita elptica de transferencia sea muy pequea, de entre 5o y 7, por lo que la cantidad de masa ahorrada en combustible, para corregir la inclinacin de la rbita de transferencia, sea menor que con otros lanzadores, lo que permite mayor vida til al satlite, o bien dedicar mayor parte del satlite para equipos de comunicacin.







Mdulo 4: LAnzadores


Requerimientos de una misin Espacial

Dentro de los requerimientos de la misin se debe considerar la seccin de los vehculos lanzadores, los cuales se seleccionan partiendo de la definicin y tipo de misin de la que se trate.

Se debe conocer:

1. Qu tipo de misin es?2. Cmo se va a realizar la misin?3. Quin la va a realizar?4. Cundo se planea lanzar? (Ventana de tiempo). 5. Con qu se puede lanzar?6. Desde dnde? (sitio de lanzamiento).



1.- Qu tipo de misin es?

Se debe definir el tio de misin de que se trata, ya sea tripulada o no tripulada, si se trata de una misin de comunicaciones, cientfica, de percepcin remota, militar, etc. De esta manera se conocer el tipo de rbita al que se desea llegar.

2.- Cmo se va a realizar la misin?

Para determinar el proceso de lanzamiento, as como de operacin de la misin en s, es necesario definir el proceso de realizacin de la misin, proceso que involucra la etapa de lanzamiento ya que conforma parte del flujo que se sigue en el desarrollo de sta. La respuesta se conoce una vez se definen los requisitos de la misin, se concluye el diseo conceptual (System Design) y se llega a la etapa del diseo preliminar (PDR o Preliminary Design Review).



3.- Quin va a realizar la misin?

Esta etapa consiste de saber de si la misin sera realizada por rdenes civiles, comerciales, gubernamentales o militares. Dependiendo de quin realice la misin, se selecciona el tipo de lanzador, pues de igual manera existen lanzadores comerciales y gubernamentales/militares que no lanzan cualquier nave de cualquier tipo, de tal manera que existen sistemas lanzadores dedicados por cuestiones de seguridad.

4.- Cundo se planea lanzar? (ventana de tiempo)

La ventana de lanzamiento consiste en el periodo de tiempo, acotado entre dos fechas, en el que es posible realizar el lanzamiento de un vehculo espacial, para garantizar que se alcanzar el objetivo de manera satisfactoria.

Previo al lanzamiento, y considerando todas las variables astronmicas, junto con la masa y propulsin del cohete, as como la sonda o vehculo a ser lanzado,



se calculan con toda precisin la trayectoria de vuelo, y la necesidad de encender o apagar los motores en determinados momentos. Con base en esos clculos, se determinan las fechas de la ventana de lanzamiento.

Entre las variables para el clculo de la ventana de lanzamiento se encuentran las variables astronmicas, es decir el movimiento del o los cuerpos que tienen influencia gravitacional considerable para la nave, vehculo espacial o proyectil, o que determinan el lugar al que hay que llegar; junto con esto, tambin se debe determinaro los movimientos de la Terra, que es desde donde se realizar el lanzamiento. Otra variable la determina la cantidad de combustible a disposicin para cambiar la trayectoria, o para aumentar o disminuir la velocidad.

En el caso de que se pierda una ventana de lanzamiento, es decir si el lanzamiento se retrasa por algn motivo hasta sobrepasar el momento final de la ventana, ser necesario esperar a la prxima ventana, lacual dependiendo del objetivo, puede ser de hasta varios aos despus.



En el caso de que se pierda una ventana de lanzamiento, es decir si el lanzamiento se retrasa por algn motivo hasta sobrepasar el momento final de la ventana, ser necesario esperar a la prxima ventana, lacual dependiendo del objetivo, puede ser de hasta varios aos despus.

Por ejemplo, para enviar una nave espacial a Marte, la ventana est acotada entre las fechas en las que las posiciones relativas de la Tierra y Marte permiten que la trayectoria de vuelo sea suficientemente corta.

La trayectoria en verde muestra la planeacin para el lanzamiento de una nave desde la Tierra con direccin a dnde se localizar Marte un determinado momento en el futuro.



5 y 6.- Con qu se puede lanzar? Desde dnde?

Al conocer el tipo de misina realizar y el objetivo al que se desea llegar, es posible elegir de entre los vehculos disponibles para lanzar la nave o tripulacin. De entre los candidatos se debe evaluar el costo, ventana de lanzamiento, confiabilidad del vehculo lanzador y cantidad mxima de masa que puede ser puesta en rbita. En consecuencia de elegir el vehculo lanzador se elige por tanto el sitio de lanzamiento.







Mdulo 4: LAnzadores


Sistemas de Propulsin Espacial

La funcin primaria del subsistema de propulsin es proporcionar impulso a la nave espacial. Empleando un propelente mas una fuente de energa se crean gases de escape de alta velocidad lo que proporciona el empuje necesario para el despegue, puesta en rbita y realizacin de maniobras de reposicionamiento, control de orientacin y proceso de deorbitacin al final (en determinados casos llegada la vida til de la nave).

Se requiere de una fuerza para producir un cambio en la velocidad (aceleracin) de la nave. Por otra parte, todos los sistemas de propulsin trabajan por intercambio de momento (F=ma).

Por ejemplo:veleros, turbinas jet ydesde luego los motores cohete.



Dentro de los diferentes sistemas de propulsin espacial se encuentran los siguientes:

Termodinmicos (convierten energa la trmica y la presin de un gas a energa cintica).

Gas (Fren, helio). Qumicos (Slido, lquido, hbrido). Nuclear. Termoelctrico.

Electrodinmico, electrosttico, electromagntico. Iones/plasma que son acelerados a altas velocidades.

Exticos: Vela Solar Cuerda



Motores cohete qumicos.

Se tienen de 3 tipos: combustible lquido, combustible slido y los hbridos.

Combustible slido: son simples, confiables y proporcionan un gran empuje, sin ambargo tienen la desventaja de que no son controlables pues una vez iniciada la reaccin, sta no se detiene hasta que se agota todo el combustible. Entre los materiales utilizados como combustible se encuentran el aluminio y el perclorato de amonio/hule.

Combustible lquido: proporcionan buen empuje a la vez que se tiene control del encendido. Por otra parte son sistemas ms complejos y requieren el manejo de dos sustancias, el oxidante y el combustible. Ejemplo de estas sustancias son el hidrogeno, keroseno y la hidracina.

Hbrido: utilizan oxidante lquido y combustible slido (hule, PE) un ejemplo de un sistema as es el retirado Space Ship o transbordador espacial.



Diagrama simple de un motor de combustible lquido.



Conversin de energa termodinmica a energa cintica.



Sistema de combustible hbrido.



La medicin de desempeo de un cohete se realiza mediante las ecuaciones de un cohete:

F= mVe + ( pe pa ) Ae

Ve = C = = Ispg = C*Cf (Exhaust Velocity)Fm

C* = (Characteristic Velocity)PcAt

m

(Thrust Coefficient)2K2 2 2 K1

K+1 KK1 K1

K+1 pc Atpc

pe pape AeCf = +

Fmg

Isp = (Specific Impulse)

mimf

V = Cln



Donde cada trmino representa lo siguiente:

F es la fuerza de empuje. m es el flujo msico e Ve Ae corresponden a la densidad del fluido a la salida de la tobera, velocidad de escape a la salida de la tobera y rea de salida de la tobera; a corresponde a la presin ambiente,Ae es el rea de salida de la tobera, Ae es el rea total de la garganta de la tobera, g es la constante gravitacional, k es la relacin de calor especfico, c es la presin en la cmara, mi es la masa al inicio del empuje, mf es la masa al trmino del empuje.



Ejemplos de motores

Motor Saturno V

Ensamble de 4 motoresMotor Saturno V



Motor del Space Shuttle


Sistemas exticos: velas solares.

Las velas solares captan empujes producidos por fuentes externas a la propia nave, de manera que sta no necesita transportar consigo ni motor ni combustible, lo que aligera considerablemente la masa de la nave. Es posible alcanzar as mayores velocidades. Se tienen dos tipos de velas solares:

Velas a partir de fotones o fotnicas. Consisten en una gran superficie compuesta por una o varias lminas reflectantes muy ligeras, capaces de aprovechar la presin luminosa de la radiacin solar para obtener un impulso. Adems de los fotones de origen solar, las velas se pueden disear para aprovechar cualquier otro tipo de ondas electromagnticas como las generadas por el hombre, tales como luz lser o microondas.

Velas de plasma. Consisten en grandes mallas o redes en las que se genera un campo elctrico o magntico capaz de interceptar el viento solar (partculas cargadas) para obtener un impulso. En funcin del campo que generen, estas velas se denominan velas magnticas o velas elctricas.




Imagen de una vela solar en desarrollo.







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Lanzadores

A continuacin se enlistan algunos lanzadores comerciales y privados que han existido:

Soyuz (Rusia). Protn (Rusia-EU). Vega (ESA). Ariane (ESA). Sea Launch (consorcio internacional). Zenit-2 (Ucrania). Z-5 (China). Delta IV (NASA-EU). Falcon 9 (Space X-EU). Saturno V (NASA-EU). Space Shuttle (NASA-EU). Antares (Orbital Sciences Corp.-EU).


Lanzadores

Lanzador Soyuz en plataforma.


Lanzadores

Cohete Protn (ILS-Rusia).


Lanzadores

Cohete Vega (Agencia Espacial Europea)


Lanzadores

Lanzadores (National Aeronautics and Space Administration)







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Ensamble de lanzadores con carga til

El proceso de ensamblado de una nave con el vehculo lanzador consiste de acoplar en la cofia de proteccin a la carga til. Esta cofia permite proteger a la carga til del impacto y friccin contra la atmsfera al momento del despegue debido a las altas velocidades que se alcanzan.

Una vez transcurrido el trayecto de mayor friccin, la cofia se separa dejando a la carga til lista para continuar con su trayectoria.

Por otra parte, el ensamblaje con las dems etapas del cohete se lleva a cabo dentro de los edificios destinados para esto, y puede realizarse tanto de forma vertical como horizontal.

Es importante sealar que durante el despegue se tiene conexin de los principales subsistemas de la nave a travs del sistema de envo de telemetra del vehculo lanzador al centro de mando, de tal manera que en todo momento se conoce el estado y salud de la carga til.


Montaje de motores de combustible slido en un cohete Delta en vertical

Atlas/Centaur en proceso de ensamble




rea de pruebas y montaje final de mdulos para la Estacin Espacial Internacional en Cabo Kennedy



Paquete de experimentos mexicanos en prueba de vibracin en el Centro de Ingeniera Espacial de la U. Estatal de Utah.



Sonda Cassini/ Huygens (Titn IV)


Satlite TDRSSMSL-Curiositycon sus cofias




Lanzador Delta IV y carga til



Lanzamiento de un cohete Pegasus XL


Delta II Titn Soyuz




Lanzamiento del UNAMSAT-b como carga secundaria de un satlite Ruso PARUS por un lanzador Cosmos 3M



Lanzamiento del Satlite Morelos II (Mxico) desde el Space Shuttle



Costos tpicos para una misin de satlites pequeos.



Actividad:Simulador de ensamble de Lanzadores
http://www.nasa.gov/externalflash/RocketScience101/RocketScience101.html


Referencias

Space Mission Analysis and Design, third edition. Wiley J. Larson and Jame R. Wertz. Sentinel-3: Mission Requiremets Document. ESA. Attitude Determination and Control (ADCS), 16.1684 Space Systems Produtcs Development Spring 2001. Oliver L. De Weck, Department of Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology. Spacrafts Systems Design & Engineering, Introduction to Spacecraft Design Course. Jos M. Hernndez & Gurpartap GP Sandhoo. Orbital Mechanics for Engineering Students, second editiod. Howard D.Curtis. Orbital Mechanics, third edition. Vladimir A. Chbotov. AIAA Education Series. Understanding Spacea an Introduction to Astronautics, second edition. Jerry Jon Sellers. Sitio Web de Satmex: http://www.satmex.com.mx/.Sitio web de la ITU: http://www.itu.int/es/Pages/default.aspx. Memoria Documental Construccin de los Centros de Control Satelital Mexsat, Telecomunicaciones de Mxico, noviembre 2012.

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