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Introducción a los Sistemas Espaciales
Enfocado al sistema de lanzamiento
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Panorama General
• Introducción.• Mecánica orbital.• Dinámica de vuelo.• Propulsión espacial.• Recursos disponibles.• Conclusión.
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La Carrera EspacialIntroducción
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El Proceso de IngenieríaIntroducción
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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)
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¿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
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¿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
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¿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
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¿Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería?
Figura 2.4: Ejemplo del Columpio (3)
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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.
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Beneficios del Proceso de Ingeniería
Figura 2.5: Configuraciones Posibles del SLS (4)
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¿Por Qué Ocupar el Proceso de Ingeniería?
Figura 2.6: Columbia 2003 (5)
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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)
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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)
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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
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Modelo de CascadoRequerimientos
de Sistema
Requerimientos de Software
DiseñoPreliminar
DiseñoDetallado
Programación yDepuración
Pruebas y Pre operaciones
Operaciones y MantenimientoFigura 2.9: Modelo de Cascada
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Modelo en Espiral
Figura 2.10: Modelo en Espiral (8)
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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Componentes en una Misión EspacialIntroducción
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Mecánica Orbital
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¿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
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¿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.
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¿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)
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Leyes de KeplerMecánica Orbital
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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)
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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
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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
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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)
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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
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Problema de Dos CuerposMecánica Orbital
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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
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Problema de Dos Cuerpos
Figura 3.4: Eje de Coordenadas con Dos Masas (13)
�̈� = − )*+𝑟 Ecuación 3.6
Ecuación de Movimiento de una Orbita
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Parámetro Gravitacional
Figura 3.5: Parámetros Gravitacionales de Cuerpos Celestes (14)
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Formas de OrbitasMecánica Orbital
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Las Secciones Cónicas
Figura 3.6: Secciones Cónicas(15)
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Orbita Circular
Figura 3.7: Orbita Circular(11)
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Orbita Elíptica
Figura 3.8: Orbita Elíptica(11)
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Orbita Parabólica
Figura 3.8: Orbita Parabólica(11)
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Orbita Hiperbólica
Figura 3.9: Orbita Hiperbólica(11)
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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)
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Elementos OrbitalesMecánica Orbital
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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.
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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)
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Datos Orbitales de Cuerpos Celestes
Base de datos de cuerpos celestes:Horizons JPL Database
Figura 3.11: Base de Datos Horizons
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Transferencia de HohmannMecánica Orbital
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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.
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Transferencia de Hohmann
Figura 3.12: Transferencia de Hohmann(17)
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Dinámica de vuelo
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Fases de Vuelo en Vehículo a Escala
Figura 4.1: Fase de Vuelo en Vehículo a Escala(18)
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Fases de Vuelo en Vehículo a Escala
Figura 4.2: Video de Vehículo a Escala(18)
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Fases de Vuelo
Figura 4.3: Fase de Vuelo (19)
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Sitios de LanzamientoDinámica de vuelo
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Componentes de VueloDinámica de vuelo
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Análisis de Fases de VueloDinámica de vuelo
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Propulsión Espacial
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Sistemas de Propulsión TerrestrePropulsión Espacial
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Sistemas de Propulsión EspacialPropulsión Espacial
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Recursos Disponibles
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Conclusión