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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