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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 EspacialIntroducción
El Proceso de IngenieríaIntroducción
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 Nariz
Botella 1
Botella 2 Figura 2.3: Estructura de Árbol de Cohete de Agua
Aletas
¿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)
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.
¿Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería?
Figura 2.7: “Space Shuttle” (6)
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.
¿Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería?
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 CascadoRequerimientos
de Sistema
Requerimientos de Software
DiseñoPreliminar
DiseñoDetallado
Programación yDepuración
Pruebas y Pre operaciones
Operaciones y MantenimientoFigura 2.9: Modelo de Cascada
Modelo en Espiral
Figura 2.10: Modelo en Espiral (8)
Modelo de Arquitectura en VNecesidades del
Cliente
Concepto de la Misión
Requerimientos de la Misión
Concepto de Operación
Diseño Preliminar
Diseño Detallado
Fabricación
V &V de Elementos
V &V de Componentes
V &V de Subsistemas
V &V de Sistema
V &V de Sistema de Sistemas
Entrega del Producto
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 EspacialIntroducción
Mecánica Orbital
¿Qué es una Orbita?
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)
LatínOrbis
Orbitus
Orbita
Anillo
Circular
Camino/trayectoria
¿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 KeplerMecánica 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 1ra y la 2da ley fueron publicadas en 1609. (Astronomia Nova)• La 3ra ley fue publicada en 1619. (Harmonices Mundi Libri V)
1ra Ley de Kepler
Todos los planetas se mueven en orbitas elípticas, con el Sol en uno de los focos.
O - CentroF - Focoa - Semieje mayorb - Semieje menore - Excentricidada a e
bF FO
Figura 3.1: Elipse con Propiedades
1ra Ley de Kepler
Todos los planetas se mueven en orbitas elípticas, con el Sol en uno de los focos.
- Sol- Tierra
ra - Apoapsisrp - Periapsisr - Posición𝛳 - Anomalía media
ra rp
r𝛳
Figura 3.2: Elipse con Características Orbitales
2da 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)
3ra Ley de Kepler
El cuadrado del periodo orbital de cualquier planeta es proporcional al cubo de sus distancias medias al Sol.
T 𝜶 a3
T =2 𝝿 √(a3/𝞵)Ecuación 3.1
Ecuación 3.2
Problema de Dos CuerposMecánica 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
Ecuación 3.4
Ecuación 3.5
F 𝜶 dv/dtF = Gm1m2/r2
Problema de Dos Cuerpos
Figura 3.4: Eje de Coordenadas con Dos Masas (13)
�̈� = − )*+𝑟 Ecuación 3.6
Ecuación de Movimiento de una Orbita
Parámetro Gravitacional
Figura 3.5: Parámetros Gravitacionales de Cuerpos Celestes (14)
Formas de OrbitasMecánica 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 Orbitalesa e ε r v
Circular a > 0 e = 0 ε < 0 r=a𝑣 = )
*�
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:) 𝑣 = :)
*�
Hipérbolica a → ∞ e > 1 ε > 0 𝑟 = /(123)153 678 9 𝑣 =
2𝜇𝑟 −
𝜇𝑎
�
Tabla 3.1: Características de Orbitas 2D(11)
Elementos OrbitalesMecánica 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 HohmannMecánica 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 LanzamientoDinámica de vuelo
Componentes de VueloDinámica de vuelo
Análisis de Fases de VueloDinámica de vuelo
Propulsión Espacial
Sistemas de Propulsión TerrestrePropulsión Espacial
Sistemas de Propulsión EspacialPropulsión Espacial
Recursos Disponibles
Conclusión