Cohetes y satélites Gonzalo Tancredi Depto. Astronomía Fac. Ciencias

El principio del globo

Las leyes de Netwon Primera: Los objetos en reposo se mantendrán en reposo y los objetos en movimiento se mantendrán en movimiento en una línea recta hasta que actuen sobre ellos fuerzas no balanceadas. Segunda: Fuerza es igual a masa por aceleración. Tercera: Para cada acción hay siempre una reacción igual y opuesta.

Primera ley

Tercera Ley

Segunda Ley F = m * a mcañon a cañon = mbala a bala

Gravitación Universal Igualando con la Segunda ley y despejando la aceleración Para r =R= 6375 km g = 9.81 m/s2 Introduzco

Movimiento circular Aceleración centrípeta Igualando la acir y g Velocidad angular Período orbital

LEO – Low-Earth orbit vLEO  7.9 km/s PLEO  5060 s = 84.3 min

¿Dónde ubicar un satélite fijo respecto a la superficie? Si la Tierra rota con Psidéreo = 23h56m4s Despejando r de la ec. del período orbital, obtenemos Introduciendo este valor de P, calculamos r = 42164 km (h = 35789 km) Órbitas geosincrónicas o geoestacionarias

Arthur C. Clarke - En Wireless World (Octubre 194): "Extra-Terrestrial Relays: Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage?"

Geoestacionario vs Geosincrónico Trayectoria en la superficie de de un satélite geosincrónico (no geoestacionario)

Comparación a escala real de una órbita geoestacionaria y una polar

Tipos de órbitas

Tipos de órbitas Altura (km) Período Ejemplos LEO < 2000 90 min – 2 hr Iridium Landsat MEO ~ 10000 6 hr GPS HEO q~500 Q~50000 8 – 24 hr Molnya GEO 35789 23h56m4s GOES Com.Sat SSO sun-synchronous 1000 polar 100min c/24h por el mismo lugar .Cospas-Sarsat

Movimiento elítpico a – semieje mayor periastro: q=a(1-e) apoastro: Q=a(1+e)

Elipse de transferencia o de Hohmann Es la trayectoria que requiere menor energía. Duración del tránsito

Los puntos Lagrangianos en el problema de los 3 cuerpos Los puntos L1, L2 y L3 son solo estables en el plano perpendicular a la línea entre los cuerpos masivos. Los puntos L4 y L5 son estables, una partícula cercana a ellos describe una órbita con forma de banana en un referencial con los cuerpos masivos fijos (asteroides troyanos).

Asistencia gravitatoria

Velocidad de Escape Para r =R= 6375 km vesc = 11.2 km/s Para lograr que una partícula escape del campo gravitatorio debemos darle suficiente energía cinética para sobrellevar la energía potencial negativa. Energía Potencial Gravitatoria Energía Cinética Igualando Para r =R= 6375 km vesc = 11.2 km/s

Ecuación de empuje

Ecuación del cohete Cohete de masa m, se mueve con vel. v Expulsa gas a una tasa constante q=dm/dt a vel. constante ve.. Asumo Pe=Pa Calculamos la velocidad vb al final de una combustión de tiempo t:

Impulso específico Es la razón entre el Empuje y el peso del flujo de masa a nivel de la superficie: El Impulso específico es el tiempo en el cual el motor del cohete provee de un empuje igual al peso del combustible consumido. También se usa para caracterizar a los propulsores (combustibles), en cuyo caso refiere al Iesp máximo teórico que daría un motor perfecto.

Propulsores (propellant) químicos Es la mezcla química que se quema en un cohete para proveer empuje. Propulsor = Combustible + Oxidante Cobustible – es la sustancia que se quema al combinarse con un oxígeno para proveer gas para la propulsión. Oxidante – es el agente que libera oxígeno. Los propulsores se clasifican según su estado en: líquidos, sólidos o híbridos.

Motores con combustible líquido Tres tipos: petróleo - (queroseno –RP1) – poco eficientes, primeras etapas de Atlas, Delta y Saturn V criogenicos – (gases licueficados: LH2+LO2 – alto Iesp) – dificultad de almacenaje, etapas superiores de Saturn V hypergolics – (hydrazine) – ignición espontánea, tóxicos, bueno para maniobras orbitales – sistema de control del Space Shuttle

Motores con combustible sólido Consiste de un compartimento cerrado de acero con la mezcla de combustible y oxidante. Comienza a quemar del centro hacia fuera, luego de encendido se quema hasta agotarse. Hay dos tipos de propulsores: homogeneos – nitrocelulosa y nitroglicerina compuestos – mezcla de polvo de sal mineral como oxidante (amoníaco percloratado) y aluminio como combustible

Cohetes de combustible sólido líquido

Selected Chemical-Rocket Fuels Liquid propellants  Fuel Oxidizer Isp (s)  Hydrogen(LH2) Oxygen (LOX) 450  Kerosene LOX 260  Monomethyl hydrazine (MMH) Nitrogen tetroxide (N2O4) 310  Solid propellants  Powdered Al Ammonium perchlorate 270 

El transbordador espacial

Cohetes descartables y reciclabes

Sistemas alternativos de propulsión Electrotérmicos: calienta el gas con un filamento Electrostático (Ion): se ioniza gas (Xenón) y se acelera en un potencial eléctrico Electrodinámico: MagnetoPlasmaDynamic (MPD) acelera gas que ioniza en cátodo-ánodo cilíndrico Fotónico: Velas solares Nuclear: Fisión – Fusión Antimateria: aniquilación produce piones energéticos

Propulsión iónica – Deep Space 1

Sistemas alternativos de propulsión Tipo de motor Impulso espec. (s) Químico 150-450 Termonuclear 825-925 Electrotérmica 800-1200 Electromagnético 2000-5000 Electrostático - Ion 3500-10000 Antimateria 106

Uso de los Satélites Artificiales Telecomunicaciones Sensores Remotos Predicción Climática Posicionamiento Global Observaciones Astrofísicas

Telecomunicaciones GEO Transponder La señal recorre ~72000 km, demora 0.24 seg. !!

Telecomunicaciones LEO Sistema Iridium: 66 satélites en 6 planos orbitale (86°) a 780 km (100 min)

América del Norte de noche Sensores Remotos Cuenca del Río de la Plata Sistema Fluvial del Plata Cuencas Hidrográficas América del Norte de noche

Monitoreo del Clima

Emergencias ambientales Inundaciones en Santa Fe

Global Positioning System (GPS)

Sitios de lanzamiento                                                                     1 - Vandenberg 2 - Edwards 3 - Wallops Island 4 - Cape Canaveral 5 - Kourou 6 - Alcantara    7 - Hammaguir    8 - Torrejon    9 - Andoya 10 - Plesetsk 11 - Kapustin Yar 12 - Palmachim 13 - San Marco 14 - Baikonur 15 - Sriharikota 16 - Jiuquan 17 - Xichang 18 - Taiyuan 19 - Svobodny 20 - Kagoshima 21 - Tanegashima 22 - Woomera

Chatarra espacial Chatarra espacial: es cualquier forma de objeto creado por el hombre lanzado al espacio que no siga teniendo propósitos útiles: Partes descartables (ej: etapas superiores de cohetes) satélites abandonados partes de naves espacilaes (ej. tornilos, juntas) materiales varios (ej, pinturas, aislación) naves siniestradas (mas de 124 han sido identificadas)

Chatarra espacial

Detección de chatarra desde la superficie Observaciones de radar (objetos en LEO de 1-30cm) Telescopios (buenos para fragmentos en órbitas geostacionarias, pero para LEO mínimo tamaño detectado es 5cm)

Detección de chatarra en el Espacio Telescopios espaciales con observación en el visible e IR (PROBA-DEBBIE) Recuperación de superficies de naves espaciales (Long Duration Exposure Facility -LDEF)

Chatarra en LEO Fragmentos viajan a ~10km/seg respecto a satélites en órbita Fragmentos de 1mm-1cm no penetran un satélite Fragm. 1-10cm – lo penetran y dañan seriamente Un fragmento de 10cm y masa 1kg impactando en un satélite, crea aprox. 1 millón de fragmentos de > 1mm

Chatarra en GEO y Polar GEO Polar

Datos Más de 110.000 fragmentos de mas de 1cm de diámetro A alturas < 2000 km son mas numerosos que los meteoroides

¿Cuánto tiempo permanece un fragmento en órbita? Altura (km) Vida media 200 1-4 días 600 25-30 años 1000 2000 años 2000 20000 años

El futuro