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Astronáutica y Vehículos Espaciales 125/09/07

1. Breve introducción histórica.2. El entorno espacial. El Sistema Solar. La

Tierra. La Luna.3. Misiones espaciales. Clasificaciones. 4. Sistemas de Referencia. Calendarios.

Tiempos.

Tema 1. Introducción


Tema 1. IntroducciónHistoria de la era espacial

• Tiene lugar, básicamente, en el siglo XX (cuando los desarrollos en COHETES hicieron posible acceder al espacio).

• Inicialmente: Fuentes de inspiración humanística y literaria (e.g. Julio Verne).

• Principales desarrollos en: Rusia, USA, Alemania.

• Pioneros:• Konstantin E. Tsiolkovski, 1857-1935 (“padre de la Astronáutica”), profesor de matemáticas ruso. Destaca por sus desarrollos teóricos e ideas innovadoras.• Robert H. Goddard, 1882-1945. Profesor estadounidense de física. Realizó desarrollos en cohetes de propulsante líquido.• Herman Oberth, 1894-1989. Físico alemán. Teórico y gran divulgador.



Los pioneros

Tsiolkvovski OberthGoddard



Wernher von Braun (1912-1977)

• Físico e ingeniero alemán.

• Desarrolló cohetes bélicos en la alemania nazi (el más famoso, el V-2), aunque siempre soñó con llegar al espacio.

• Tras la derrota en la II Guerra Mundial, se rindió al ejército estadounidense.

• Clave en el programa espacial de USA. Desarrolló el cohete Saturn V (usado en las misiones Apollo)


El Cohete V-2• Primer misil balístico (precursor de los ICBM), fue el primer objeto creado por el hombre lanzado al espacio sub-orbital.

• Altura 14m., diámetro 1.65, velocidad máxima 1.6 km/s, altura máxima 88.5km., alcance máximo 322 km.

• Guiado mediante giróscopos.


Tema 1. IntroducciónSaturn V y los Apollo


Tema 1. IntroducciónSergei Korolev (1907-1966)

• Ingeniero aeronáutico ruso.

• Pasó cierto tiempo en el Gulag, en Siberia.

• Copió el diseño del V-2 alemán para producir los primeros cohetes rusos.

• Padre “secreto” del programa espacial ruso, diseñó los satélites Sputnik.



Primero hitos. La carrera espacial

Sputnik I (URSS) - lanzado el 4 de Octubre de 1957



Sputnik II (URSS) - lanzado el 3 de Noviembre de 1957




Explorer I (USA) - lanzado el 3 de Noviembre de 1957




Otros satélites pioneros• Project Score (USA), 1958: fue el primer satélite de comunicaciones (en órbita baja). Sus baterías duraron 12 días.

• Syncom 2 (USA), 1963: fue el primer satélite en órbita geosíncrona, ya que el Syncom 1 (1963) falló. El Syncom 3 (1964) fue el primer satélite en órbita geoestacionaria y se usó para retransmitir en USA (en directo, por primera vez a través del Pacífico) las Olimpiadas de 1964 de Tokyo.



Primeros hombres en el espacio

Yuri Gagarin(URSS)12 Abril 1961

John Glenn(USA)20 Feb 1962



Objetivo: la Luna• Programas de exploración

• URSS: Luna• USA: Pioneer, Ranger, Lunar Orbiter, Surveyor

• Procedimiento:

• Exploración y cartografía desde órbita.• Aproximación, sobrevuelo, colisión.• “Alunizaje” no tripulado, exploración robótica, toma de muestras.• Expedición tripulada.



El Apollo 11

• Lanzamiento: 16 Julio de 1969

• Alunizaje: 20 Julio de 1969

• Retorno a la Tierra: 24 de Julio de 1969 That's one small step for a man, one giant leap for mankind.



El fin de la carrera espacial

Encuentro Apollo-Soyuz en 1975


Tema 1. IntroducciónOtros hitos

• 1981: el Space Shuttle

• 1986: la estación espacial MIR

• 1989: Galileo

• 1990: el telescopio Hubble

• 1997: Mars Pathfinder

• 1997: Cassini / Huyghens

• 1998: la Estación Espacial Internacional

• 2006: New Horizons


Tema 1. IntroducciónEl entorno espacial

• Un vehículo espacial estará expuesto a diversos entornos a lo largo de su ciclo de vida total:

• Manufactura (entorno terrestre)• Lanzamiento• Atmósfera• Entorno espacial• Otros: reentrada, otras atmósferas planetarias

• Entorno espacial:• Vacío (“total”, parcial)• Plasmas y Campos electromagnéticos• Ingravidez• Radiación• Micrometeoritos• Basura espacial• Cargas térmicas



• Vacío: determinante en el diseño de vehículos espaciales. Muchos materiales modifican su masa y/o sus propiedades debido a que los gases (típicamente vapor de agua) adsorbidos en capas exteriores son liberados (desgasificación, “outgassing”).

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

• La liberación de oxígeno en ciertos materiales (p.ej. acero inoxidable) puede provocar abrasión, descamación o incluso soldadura entre partes móviles.

• Solución: realizar una cuidadosa selección de materiales y lubricantes; si es necesario emplear materiales problemáticos, prepararlos previamente con calentamientos al vacío (“baking out”).



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

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

• Oxidación: en LEO los flujos de O2 son del orden de 1014 partículas/cm2/s. Los materiales vulnerables pueden ser fácilmente destruidos con relativa rapidez.

• Ionización de gases en vacío parcial: puede provocar arcos y afectar el equipo electrónico. Efectos similares en la atmósfera de Marte.



• Plasmas: el “cuarto estado” de la materia, consiste en un gas altamente ionizado. El 99% del Universo está compuesto de plasma. Llena el espacio interplanetario.

• Los campos magnéticos de los planetas (especialmente Júpiter, Saturno y la Tierra) provocan un efecto magnetohidrodinámico en el plasma, confinándolo en cinturones toroidales que rodean a los planetas (cinturones de Van Allen).

• Los planetas causan una onda de choque electromagnética en su movimiento a través del plasma, donde se “detiene” su magnetosfera. El sol causa el mismo efecto a escala interestelar (misiones Voyager).

• La exposición al plasma puede ocasionar la carga eléctrica del vehículo espacial, arcos voltaicos, ruido electromagnético, pérdida del rendimiento de paneles solares, etc…



• Campos magnéticos: El movimiento de un vehículo espacial en un campo magnético (e.g. en LEO) genera una corriente (efecto inductivo) si el vehículo es conductor. La diferencia de potencial puede ser no despreciable (20 V en la ISS)

• Ingravidez: un vehículo espacial puede experimentar entre 10-3 y 10-11 g, debida no sólo a la gravedad a una variedad de efectos perturbadores, p.ej. 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.

• Beneficios: uso de estructuras ligeras. Otras diferencias: fluidos (se requiere convección forzada, sistemas de vaciado).



• Radiación: varias fuentes (viento solar, cinturones de Van Allen, rayos cósmicos, erupciones solares). Peligrosos para equipos electrónicos, recubrimientos y para la tripulación. Es imposible garantizar al 100% que no habrá fallos del tipo “single-event upset” o incluso destrucción de dispositivos semiconductores expuestos a altas radiaciones (especialmente rayos cósmicos o en los cinturones de Van Allen), aunque se puede reducir la tasa de errores (con apantallamiento; estándar: 10-10

errores/día).

• Micrometeoritos: pequeños objetos flotando en el espacio. Representan un peligro menor excepto en circunstancias especiales. Su flujo medio ha sido modelado por diversos autores. En algunos casos se han diseñado escudos “parachoques” (p. ej. la sonda Giotto).

• Basura espacial: un peligro creciente, especialmente en LEO. Se estiman más de 100.000 objetos de más de 1cm. de radio.



• Cargas Térmicas: Los vehículos espaciales están típicamente sometidos a cargas térmicas extremas y muy variadas. 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. • El único mecanismo posible de transporte en el espacio es la radiación (solar, planetaria, y del vehículo). Al balance de energía hay que añadir la generación interna de calor por parte del vehículo.

• El vehículo tiene que ser diseñado teniendo en cuenta los gradientes térmicos entre sus diferentes partes. Cuidadosa selección de materiales para evitar fallos por la fatiga debida a ciclos térmicos, sistemas de control.

• Máximas cargas durante reentrada.


Tema 1. IntroducciónEl Sistema Solar



• Todos los planetas, sus satélites y los asteroides, orbitan el sol aproximádamente en el mismo plano, llamado plano de la eclíptica (porque es donde se producen eclipses). Sus órbitas son aproximádamente circulares. La única excepción es el planeta enano Plutón que tiene una órbita más elíptica y de una inclinación apreciable (17 grados).• Los planetas rotan con un eje casi perpendicular al de la eclíptica en el sentido contrario de las agujas del reloj. La única excepción es Urano que rota “de lado” (se presupone que a causa de una gran colisión).• Distancias:

1 AU = 1 Unidad Astronómica = Distancia media Tierra-Sol

= aprox. 149.600.000 km



• Otras unidades: basadas en la velocidad de la luz.

• 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).• Otra unidad: pársec = 3.261630751 años-luz.

• Temperaturas en el Sistema Solar:

1 seg. luz = distancia recorrida por la luz en 1s = aprox. 299.800 km

1 año luz = aprox. 9.461.000.000.000 km= aprox. 63.000 AU



• El Sol: Es una estrella de tipo G2 V. Es la “fuente de energía” principal en el Sistema Solar (un inmenso reactor de fusión).• Su peso es aproximadamente 2x1030 kg., o 333.000 veces la masa de la Tierra, lo que equivale al 99% de la masa del Sistema Solar.• Rotación con un periodo de 25.4 días sobre un eje girado 7.25 grados respecto a la eclíptica terrestre.• Intenso campo magnético. 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 solar fluye continuamente en todas direcciones. El límite de influencia del viento solar define la heliosfera, una burbuja en el seno del medio interestelar.



Planetas “terrestres”: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Sólo la Tierra posee campo magnético y cinturones de radiación.

• 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.

• Venus: 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. Contiene hielo en los polos. Evidencia de canales de agua en su pasado remoto. El más explorado tras la Tierra y la Luna. ¿Posibilidad de vida?



Mercurio Marte

Venus



Planetas “jovianos”: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Joviano = tipo Júpiter, es decir, gigantes gaseosos (hidrógeno, helio) con (posiblemente) un núcleo sólido. Todos poseen campos magnéticos significativos, anillos y multitud de satélites.

• Júpiter: Tan masivo como el resto de planetas combinados. Fuerte campo magnético. Cinturones de intensa radiación. La Galileo orbitó Júpiter. Lunas: Io (volcánico), Europa (cubierto de hielo), Ganímedes, Calisto.

• Saturno: Planeta más lejano visible al ojo desnudo. Sistema complejo de anillos (interesante para la investigación en dinámica orbital). Lunas muy interesantes (Titán-más grande que la Luna, Japeto-helado…). La Cassini orbita Saturno.

• Urano y Neptuno: Descubiertos en 1781 y 1846 respectivamente. Sólo visitados por la Voyager 2. Compuestos de roca e hielo bajo la capa de gases.



Júpiter

Saturno

Neptuno

Urano



• Plutón: no es ni un planeta terrestre ni un planeta joviano. Recientemente ha sido clasificado como “Planeta Enano”, (junto a Ceres, el asteroide más grande). Grandes cantidades de nitrógeno helado y en la atmósfera. La New Horizons lo visitará en 2015.• Cinturón principal de asteroides: entre Marte y Júpiter. Relativamente poco explorado. Multitud de objetos de tamaños diversos, desde Ceres (1000 km de diámetro) hasta objetos del tamaño de pequeñas piedras. Algunos están compuestos de hierro y níquel puros!• Cometas: objetos formados de roca, polvo, hielo. Órbitas áltamente elípticas (casi parabólicas), provienen de la nube de Oort o el cinturón de Kuiper donde sus órbitas son perturbadas por “encuentros” y capturadas pr el Sistema Solar.• Otros objetos: Meteoroides, pequeñas partículas sólidas orbitando el sol. Las vemos como meteoros cuando entran en la atmósfera de la Tierra y se volatilizan. Si alguna fracción sobrevive se denomina meteorito.



Plutón

El cinturón de asteroides

Cometas



• Mercurio y Venus se denominan Planetas Inferiores porque sus órbitas están más cercanas al Sol que la de la Tierra. Por tanto siempre aparecen cerca del sol, al amanecer o al atardecer. • Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno se denominan Planetas Superiores. Puesto que sus órbitas son más lejanas del Sol que la de la Tierra, vistos desde la Tierra experimentan “fases” (nueva, llena, cuarto creciente, cuarto menguante…) según su posición relativa respecto al Sol.• Eventos celestes: cuando dos cuerpos parecen alinearse en el cielo, se dice que se produce una conjunción. Una conjunción con el Sol puede ser inferior (si un planeta se alinea entre el Sol y la Tierra) o superior (si el Sol se alinea entre la Tierra y un planeta), también llamado ocultación. Si la Tierra se alinea entre un planeta y el sol, se produce una oposición.• Cuando un objeto celeste se encuentra en oposición es el mejor momento para observarlo (fase “llena”).• Los eventos celestes son significativos para los vehículos espaciales (oportunidades científicas, problemas de comunicación)



Anomalías: la órbita retrógrada de Marte


Tema 1. IntroducciónLa Tierra

• La Tierra: rota alrededor del sol con un periodo de 365.256 días. Otros datos: Masa=5.9736x1024kg. Radio=6378.1 km. Periodo de rotación= 23.9345 horas. Perihelio= 147.09x106 km. Afelio= 152.10x106 km. Velocidad orbital media= 29.78 km/s. Inclinación del eje de rotación=23.45 grados.

• Fuerte campo magnético, que atrapa parte del plasma en el espacio: cinturones de Van Allen. Una región del cinturón interior, conocida como la anomalía del Atlántico Sur (SAA) se extiende a órbitas bajas y es peligrosa.



Eje de rotación de la tierra respecto a la eclíptica:



Causa de las estaciones



Precesión del eje de la Tierra:



Realmente: Precesión+Nutación!



Estaciones, duración del día y movimiento aparente del sol


Tema 1. IntroducciónLa Luna

• La Luna: Rota en torno a la Tierra con un periodo sideral (respecto a las estrellas) de 27.323 días. Gira alrededor de su eje de rotación con el mismo periodo! Esto ocasiona que sólo se pueda ver una cara de la Luna.

• Las fases de la Luna dependen de su posición relativa al sol.



El plano lunar y los eclipses:



Excentricidad y precesión de la órbita de la Luna.



Eclipses. Eclipses Lunares: siempre en Luna Llena. El color de la Luna cambia en los eclipses totales de Luna.



Eclipses. Eclipses Solares: siempre en Luna Nueva. Muy rápidos y localizados debido a que la sombra de la Luna es “pequeña”.



Las mareas: efecto gravitatorio de la Luna y el Sol!

Cuando el sol y la Luna están en oposición: mareas muertas. En el caso opuesto: mareas vivas.



Las mareas: se pueden ver como un intercambio de momento angular. Éste efecto no sólo produce las mareas, sino que frena la rotación de la Tierra y eleva la órbita de la Luna.


Tema 1. IntroducciónMisiones Espaciales. Clasificación.

• El criterio más adecuado para clasificar un satélite o vehículo espacial es la definición de su misión. A su vez, las misiones se pueden clasificar atendiendo a dos criterios:

• Propósito de la misión.• Localización espacial de la misión.

• Las misiones se pueden clasificar por su propósito en tres grandes grupos: Misiones Comerciales, Misiones Científicas y Misiones Militares. Estos propósitos pueden solaparse.

• Las misiones se pueden clasificar por su localización en varias categorías: Misiones en órbita terrestre baja (LEO), Misiones en órbita terrestre de altitud media y Misiones lunares y en el espacio profundo (“deep space”).


Tema 1. IntroducciónPropósitos de las Misiones

• Misiones Científicas: Su objeto es aumentar el conocimiento humano, ya sea obteniendo datos de medidas, realizando experimentos, o comprobando teorías.

• Misiones Comerciales: Su objeto es una aplicación inmediata de interés económico.

• Misiones Militares: Su objeto es una aplicación bélica o defensiva; típicamente incluyen las misiones de investigación tecnológica.



• Misiones Científicas. Ejemplos:

• Estudio de la Tierra y su entorno. Estudios de la alta atmósfera, la ionosfera, estudios de geomagnetismo, geodesia, oceanografía. Uno de los primeros hitos fue el descubrimiento de los cinturones de Van Allen por el Explorer-I.• Astronomía. Las observaciones espaciales se libran de las limitaciones en resolución y ancho de banda electromagnético que impone la atmósfera. El telescopio espacial Hubble proporciona resoluciones 10 veces superiores a las de telescopios terrestres.• Sistema Solar. Recopilación de datos sobre planetas, cometas, satélites de planetas, el propio sol o el medio interplanetario/interestelar.



• Misiones Comerciales. Ejemplos:

• Meteorología. Primer campo de aplicación de los satélites. Órbitas heliosíncronas y geostacionarias.• Comunicaciones. Telefonía fija y móvil, retransmisiones de televisión, internet. Repetidores típicamente activos. Órbitas geoestacionarias, especiales (Molniya), o constelaciones de satélites.• Recursos terrestres. Agricultura, prospección, cartografía marina y terrestre, hidrología, control ambiental, detección de catástrofes. Típicamente en órgitas heliosíncronas.• Navegación. Red GPS (USA), Glonass (Rusia). Constelaciones de satélites.



• Misiones Militares. Ejemplos:

• Reconocimiento (satélites espía). Capaces de distinguir objetos pequeños (centímetros) tanto de día como de noche (mediante sistemas infrarrojos).• Alerta temprana. Detección de ICBMs.• Inteligencia electrónica. Capturan señales electrónicas y de radar y las emiten a estaciones de control para su análisis.• Sistemas de Satélite Antisatélites (ASAT). Popularmente conocido como “Star Wars”. Investigación prohibida por tratados internacionales.


Tema 1. IntroducciónMisiones por Localización

• Misiones en órbita terrestre baja (LEO): comprenden la mayor parte de las misiones llevadas a cabo. Apróximadamente se consideran LEO órbitas de altitud menor que 1000km. Por debajo de los cinturones Van Allen.

• Misiones en órbita terrestre de altitud media: Incluye las órbitas geosíncronas, semi-geosíncronas y otras órbitas especiales. Siempre por encima del cinturón de radiación interno, ocasionalmente pueden cruzar el cinturón externo.

• Misiones lunares y en el espacio profundo: En general poco frecuentes debido a los elevados costes, tiempos de vuelo y escasez de oportunidades (ventanas de lanzamiento).



• Misiones en órbita terrestre baja (LEO). Ejemplos:

• Pruebas de vuelo. Comportamiento de la propulsión, etapas, reentrads. Carga de pago simulada.• Observación de la Tierra. Típicamente en órbitas bajas para minimizar la distancia. En ocasiones se busca un periodo que sea una fracción entera del día terrestre. La inclinación de la órbita se elige según las latitudes que se desean cubrir. En muchos casos se eligen órbitas heliosíncronas (p. ej. Satélites meteorológicos).• Observación del espacio. En LEO puede haber limitaciones de ancho de banda por efectos atmosféricos.• Procesos Industriales (actualmente en etapa experimental). Procesos de manufactura únicamente posibles en el espacio (cristales, aleaciones).



• Misiones en órbita terrestre de altitud media. Ejemplos:

• Órbita geosíncrona (GEO). Incluye la órbita geoestacionaria (sólo posible sin inclinación, es decir sobre el Ecuador). Las órbitas geosíncronas no geoestacionarias no permanecen siempre sobre el mismo punto, sino que viajan periódicamente al Sur y al Norte del punto. En realidad ninguna órbita es perfectamente circular y sin inclinación, por lo que típicamente la huella del satélite tendrá forma de 8.• Otras órbitas de interés tienen periodos en relación simple al periodo de la tierra. P.ej. los satélites Molniya que cubren zonas de elevada latitud en Rusia.• Aplicaciones: satélites de comunicaciones, meteorológicos, observaciones del espacio. Aplicación futura: ODSRS (Orbiting Deep Space Relay Satellite), complemento a la DSN (Deep Space Network).



• Misiones Lunares y en el espacio profundo. Ejemplos:

• Misiones en los planetas interiores. Desde Mercurio al cinturón de asteroides. Es posible el uso de energía solar. Tiempos de vuelo típicos en meses. En general los asteroides permanecen inexplorados.• Misiones en los planetas exteriores. Todos los planetas han sido ya visitados (excepto el planeta enano Plutón). Misiones muy costosas, tiempos de vuelo típicamente años. Uso de maniobras asistidas por gravedad. No es posible depender exclusivamente de energía solar.• Misiones solares. • Otros cuerpos pequeños. Cometas, asteroides.


Tema 1. IntroducciónConceptos avanzados y experimentales

• Grandes estructuras espaciales: p.ej. Antenas gigantes o “centrales” eléctricas solares. Aprovechando la ingravidez.

• Estaciones espaciales: típicamente modulares. Otros conceptos: rotatorias (como en “2001, una odisea del espacio”).

• Colonias espaciales: Hábitats “auto-suficientes” con habitantes permanentes. Grandes dificultades de ingeniería.

• Minería espacial: en la Luna o los asteroides. En estudio.

• Manufactura de combustible: p.ej. en Marte. Reducción de costes.

• Cementerios nucleares: peligro de contaminación en caso de accidente en el lanzamiento.

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