Descripción General de los Vehículos Espaciales

Aeronaves y Vehículos Espaciales Tema 8 – 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 Curso 2010-2011 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Outline   

Introducción Ell entorno espaciall Subsistemas de un vehículo espacial

Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Introducción 



Los vehículos espaciales se diseñan para cumplir misiones especificas muy concretas, concretas de ahí que la variedad de vehículos existentes sea tan amplia.

Las misiones espaciales:  



simples i l como poner en órbita ó bit un microsatélite i télit complejas como enviar seres humanos a la Luna o sondas al Sol.

El Programa g Espacial p es muyy amplio p y se divide en “Segmentos” g 

Segmento Espacial:  



Segmento de Tierra:  



Carga útil.

Plataforma.

Red de estaciones terrenas.

Centro de control de operaciones. p

Segmento Lanzador:  

Centro de lanzamiento.

Vehículo lanzador.

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Segmento g Espacial p 

Carga útil 

  



Satélites: telecomunicaciones, observación espacial, observación ó terrestre, localización, ó …

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

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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 p de observación es extenso: óptico, p , radar,, infrarrojo, j , ultravioleta,, científico o militar. El espectro 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. i l 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

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Seg. g Espacial p - Estación Espacial p 

Una estación espacial es una estructura artificial diseñada para ser habitada en el espacio exterior exterior, con muy diversos fines 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 aterrizaje.

Salyut    

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

MIR Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

ISS

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Sonda Espacial p 



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



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

Exploración Marte        

Mariner (EEUU 1960-1969) Marsnik (URSS 1970/1973) Vikings (EEUU 1970-1079) Mars Polar Lander (EEUU 1999) - unidades Mars Climate Orbiter (EEUU 1999) – aterrizaje Mars Observer (EEUU 1992) – perdida contacto Mars Global Surveyor (EEUU 1997) Mars Express (ESA)  





Giotto

Mars Pathfinder

Huygens

Mars Express Orbiter

Beagle 2 (Desaparecida)

Mars Pathfinder

Exploració Exterior         

Pioneer (EEUU 1958-1978): Jupiter, Saturno, Venus Zond (URSS 1964-1970) Luna, Venus Marte Venera (URSS 1961 1961-1983): 1983): Venus Voyager: (EEUU): Jupiter, Saturno, Urano, Neptuno 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

Voyager 1 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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M贸dulos de descenso

Apolo Command Module Lunar Earth Module

Soyuz Introducci贸n a la Ingenier铆a Aeroespacial

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Segmento g de Tierra 

Red de estaciones terrenas: 

Tiene la misión de:  

Transmitir a s t instrucciones st ucc o es (te (telecomandos) eco a dos) a al vehículo e cu o 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 D Determinar i y predecir d i su órbita ó bi y su actitud. i d Planificar las operaciones futuras.

Analizan los datos recibidos.

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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) C l b Control Columbus C t l Center C t (Columbus (C l b Module) M d l )

Space Shuttle Mission Control Center Introducci贸n a la Ingenier铆a Aeroespacial

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Estaciones de seguimiento g 

Madrid Deep Space Communications Complex: 



Goldstone Deep Space Communications Complex 



Robledo de Chavela en Robledo de Chavela (cerca de Madrid), España Barstow California Barstow,

Canberra Deep Space Communications Complex 

Canberra, Australia

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Segmento g 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 Scout, Atlas Atlas, Delta y Shuttle Shuttle, Europeos la familia europea Ariane, Larga Marcha chino, japonés NII y el ruso Proton

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Entorno Espacial p 



El entorno espacial hace que el diseño y la construcción de los vehículos espaciales p sea muyy 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 g Micrometeoritos Restos espaciales Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Vacío espacial p -I 

Vacío Total:  





Determinante en el diseño de vehículos espaciales.

M h materiales Muchos i l modifican difi su masa y/o / sus propiedades i d d debido a que los gases (típicamente vapor de agua) adsorbidos en capas p exteriores son liberados (desgasificación, ( g , “outgassing”).

El vapor liberado puede condensar en instrumentos ópticos muy delicados afectando las medidas 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”).

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Vacío espacial p - II 

Vacío Parcial 



En órbita cercana a la tierra (LEO=Low Earth Orbit=OBT, <1000km de altura)) existe una atmósfera residual q que interactuará de forma significativa con el vehículo.

Dicha atmósfera residual puede modificar la órbita del vehículo ((“orbit orbit decay decay”)) por efectos de rozamiento rozamiento. 



¡Oxidación! ((en LEO los flujos j de O2 son del orden de 1014 partículas/cm2/s). 



Necesidad del uso de sistemas propulsivos para mantener la altura

Los materiales vulnerables pueden ser fácilmente destruidos con relativa rapidez rapidez.

Ionización de gases en vacío parcial:  

Puede provocar arcos y afectar el equipo electrónico.

Efectos similares en la atmósfera de Marte.

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Entorno Térmico 

El vacío espacial sólo permite un único tipo de transporte de energía í desde d d o hacia h i ell vehículo: hí l la l radiación di ió térmica. té i 



Los vehículos espaciales están sometidos a cargas térmicas extremas y muy variadas.

Las temperaturas de d la l fuente f ( l Sol) (el S l) y ell sumidero id ( l espacio (el i profundo) para la transferencia de calor por radiación son extremas: 5780 K y 3 K respectivamente. 









El único mecanismo posible de transporte en el espacio es la radiación (solar, planetaria, y del vehículo).

Al balance de energía g hayy q que añadir la g generación interna de calor por parte del vehículo. í El vehículo tiene que ser diseñado teniendo en cuenta los gradientes térmicos entre sus diferentes partes. 



P. ej 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.

Cuidadosa selección de materiales para evitar fallos por la fatiga debida a ciclos térmicos, sistemas de control.

Máximas cargas durante reentrada.

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Radiación Espacial p -I 

En el entorno espacial un vehículo está expuesto a radiación: 

La radiación electromagnética:  

El Sol Cinturones de Van Allen 

 



El viento i t solar l 



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

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.

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Radiación Espacial p - II • •

Peligrosos para equipos electrónicos, recubrimientos y para la tripulación. 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: 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 Tierra, se evitan la mayoría de las partículas cargadas que llegan del Sol o de la galaxia.

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Microgravedad g -I 

Un vehículo espacial puede experimentar entre 10-3 y 10-11 g, 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 flexibles.

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Microgravedad g - II  

Beneficios: uso de estructuras ligeras.

Complica muchos procesos en los que intervienen gases o líquidos: fluidos 

se requiere q convección forzada,, sistemas de vaciado. 



Asimismo afecta de forma muy negativa a los seres humanos:    



Servicios o duchas para vuelos tripulados

síndrome de adaptación espacial espacial, alteraciones cardiovasculares, descalcificación ósea, atrofia muscular muscular, etc. etc

La experimentación en condiciones de gravedad reducida es una de las actividades más comunes en las plataformas orbitales. 

Esta actividad E i id d (fundamentalmente (f d l científica) i ífi ) se desarrolla d ll mediante di la l realización de experimentos tanto en el campo de las ciencias físicas como en el de las ciencias de la vida.

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Micrometeoritos y Basura Espacial p 

Micrometeoritos: 



Pequeños objetos flotando en el espacio (milesimas de milimetro de diámetro).

Representan un peligro menor excepto en circunstancias especiales. especiales  



Normalmente, bastan 0.5mm de espesor de aluminio para detenerlos.

En algunos casos se han diseñado escudos “parachoques” (p. ej. la sonda G Giotto). )

Basura espacial: 

un peligro creciente, creciente especialmente en LEO LEO. Se estiman más de 100.000 100 000 objetos de más de 1cm. de radio

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

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Basura Espacial p - II

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Basura Espacial p - III

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Basura Espacial p - III

Introducci贸n a la Ingenier铆a Aeroespacial

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Basura Espacial p - III

Introducci贸n a la Ingenier铆a Aeroespacial

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Basura Espacial p - III

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Subsistemas de un Vehículo Espacial p 

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 Cont ol ambiental Control Telemedida, telemando y gestión de datos

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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: é afectan a la precisión ó de apuntado de antenas y sensores

Ligera (aluminio, berilio o materiales compuestos) Masa entre el 5 y el 20% de la masa de lanzamiento.

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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 y 

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 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).

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Propulsión p 

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).

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Energía g 



Subsistema encargado de generar, almacenar, distribuir y controlar la energía g eléctrica necesaria para p la operación ó de los equipos del vehículo í espacial.

Métodos empleados: 

Células solares fotovoltaicas - Eléctricos 





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 Ni-Cd, Cd Ni Ni-H, H etc etc. 



Cristales de silicio, ensambladas en paneles solares de gran superficie (potencias menores a 25 kW) Ciclos termodinámicos para potencias mayores a 25 kW

Se cargan cuando el Sol ilumina los paneles y se descargan en los periodos de eclipse.

Co su o de energía Consumo e e g a po por parte pa te de los os vehículos e cu os espaciales:  





microsatélites del orden de 100 W (como una bombilla), grandes satélites en torno a 1000 W (como un electrodoméstico) l d é i ) estación espacial del orden de 75 kW (como un automóvil) Grandes aviones 100 MW. MW Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Control térmico Mantener la temperatura del vehículo y la de los equipos de a bordo d bo do dentro d o de d sus u límites de d operación, op a ó , en todas oda 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. especificados

   

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..





 



baterías los límites son -5oC y 20oC, propulsantes 5oC y 40oC, electrónica en general -20oC y 70oC, etc.

Control C t l térmico té i para descensos: d 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.

D Descenso en planeo l

 

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

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Subsistemas 

Control ambiental  

Necesario en vuelos tripulados y estaciones espaciales espaciales.

Generar un entorno habitable para los astronautas: 

Control de la atmósfera interior 



Creación de agua potable 

  



temperatura, presión, concentración de oxígeno, humedad, olores. 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 g de tierra de la misión espacial: p  





enlace ascendente (uplink) Enlace descendente (downlink)

Se encarga de las comunicaciones entre el vehículo espacial y las estaciones de tierra. tierra Gestión de datos:  

Descodificar y distribuir la información enviada desde tierra y, Recoger ecoge y cod codificar ca la a información o ac ó ge generada e ada e en e el vehículo e cu o que deba e enviarse a se a ttierra. e a

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Sistema Solar

Introducci贸n a la Ingenier铆a Aeroespacial

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Sistema Solar - I 



Todos los planetas, sus satélites y los asteroides, orbitan el sol aproximadamente i d t en ell mismo i plano, l llamado ll d plano l de d la l eclíptica (porque es donde se producen eclipses).

Sus órbitas son aproximadamente circulares. 



Los p planetas rotan con un eje j casi perpendicular p p al de la eclíptica en el sentido contrario de las agujas del reloj. 



La única excepción es el planeta enano Plutón que tiene una órbita más elíptica y de una inclinación apreciable (17 grados).

La única excepción es Urano que rota “de lado” (se presupone que a causa de una g gran colisión). )

Distancias:

1 AU

= 1 Unidad Astronómica = Distancia media Tierra-Sol = aprox. 149.600.000 km

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Sistema Solar - II

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Sistema Solar - III 

Otras unidades: basadas en la velocidad de la luz.

1 seg. luz = = 1 año luz = = 

 

distancia recorrida por la luz en 1s aprox. p 299.800 km aprox. 9.461.000.000.000 km aprox. 63.000 AU

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) potentes).

Otra unidad: pársec = 3.261630751 años-luz.

Temperaturas p en el Sistema Solar:

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Sistema Solar - IV

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Sistema Solar - V

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Sistema Solar - VI 

El Sol:   

Es una estrella de tipo G2 V V. Es la “fuente de energía” principal en el Sistema Solar (un inmenso reactor de fusión).

Su peso es aproximadamente 2x1030 kg.,  





Rotación con un periodo de 25.4 días sobre un eje girado 7.25 grados respecto a la eclíptica terrestre.

Intenso campo magnético. 



 

333.000 veces la masa de la Tierra 99% de la masa del Sistema Solar.

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 i t solar l fluye fl continuamente ti t en todas t d direcciones. di i El límite de influencia del viento solar define la heliosfera, una burbuja en el seno del medio interestelar.

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Sistema Solar - VII

Introducci贸n a la Ingenier铆a Aeroespacial

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Sistema Solar - VIII 

Planetas “terrestres”:  



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 1974-1975.

Venus:   



Mercurio, Venus Mercurio Venus, la Tierra y Marte.

Marte Sólo la Tierra posee campo magnético y cinturones de radiación.

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 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 b l d d de d vida? d

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Sistema Solar - IX 

Planetas “jovianos”:  





Júpiter:     



Tan masivo como el resto de planetas combinados.

Fuerte campo magnético magnético.

Cinturones de intensa radiación.

La Galileo orbitó Júpiter.

Lunas: Io (volcánico), Europa (cubierto de hielo), Ganímedes, Calisto.

Saturno:  

 



Júpiter, Jú i Saturno, S Urano U y Neptuno.

N Joviano = tipo Júpiter, es decir, gigantes gaseosos (hidrógeno, helio) con (posiblemente) un núcleo sólido.

Todos poseen campos magnéticos significativos, anillos y multitud de satélites. él

Planeta más lejano visible al ojo desnudo.

Sistema complejo de anillos (interesante para la investigación en dinámica o b ta ) orbital).

Lunas muy interesantes (Titán-más grande que la Luna, Japeto-helado…).

La Cassini orbita Saturno.

Urano y Neptuno:   

Descubiertos D bi t en 1781 y 1846 respectivamente. ti t Sólo visitados por la Voyager 2.

Compuestos de roca e hielo bajo la capa de gases.

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Sistema Solar - X

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Sistema Solar - XI

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Bibliografía g 

  

[Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de 2007.

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

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