Cohetes y satlitesGonzalo TancrediDepto. AstronomaFac. Ciencias

El principio del globo

Las leyes de NetwonPrimera: Los objetos en reposo se mantendrn en reposo y los objetos en movimiento se mantendrn en movimiento en una lnea recta hasta que actuen sobre ellos fuerzas no balanceadas.Segunda: Fuerza es igual a masa por aceleracin.Tercera: Para cada accin hay siempre una reaccin igual y opuesta.

Primera ley

Tercera Ley

Segunda LeyF = m * amcaon a caon = mbala a bala

Gravitacin UniversalIgualando con la Segunda ley y despejando la aceleracinPara r =R= 6375 kmg = 9.81 m/s2 Introduzco

Movimiento circular Aceleracin centrpeta Igualando la acir y gVelocidad angularPerodo orbital

LEO Low-Earth orbitvLEO 7.9 km/s PLEO 5060 s = 84.3 min

Dnde ubicar un satlite fijo respecto a la superficie?Si la Tierra rota con Psidreo = 23h56m4sDespejando r de la ec. del perodo orbital, obtenemos

Introduciendo este valor de P, calculamos r = 42164 km (h = 35789 km) rbitas geosincrnicas o geoestacionarias

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

Geoestacionario vs GeosincrnicoGeosincrnicoGeoestacionarioTrayectoria en la superficie dede un satlite geosincrnico (no geoestacionario)

Comparacin a escala real de una rbita geoestacionaria y una polar

Tipos de rbitas

Tipos de rbitas

Altura(km)PerodoEjemplosLEO< 2000 90 min 2 hrIridiumLandsatMEO~ 100006 hrGPSHEOq~500Q~500008 24 hrMolnya GEO3578923h56m4sGOESCom.SatSSOsun-synchronous1000 polar100minc/24h por el mismo lugar.Cospas-Sarsat

Movimiento eltpicoa semieje mayorperiastro: q=a(1-e)apoastro: Q=a(1+e)

Elipse de transferencia o de HohmannDuracin deltrnsito

Es la trayectoriaque requieremenor energa.

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

Asistenciagravitatoria

Velocidad de EscapeEnerga Potencial GravitatoriaEnerga CinticaIgualandoPara lograr que una partcula escape del campo gravitatorio debemos darle suficiente energa cintica para sobrellevar la energa potencial negativa.Para r =R= 6375 km vesc = 11.2 km/s

Ecuacin de empuje

Ecuacin del coheteCohete 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 combustin de tiempo t:

Impulso especficoEs la razn entre el Empuje y el peso del flujo de masa a nivel de la superficie:El Impulso especfico es el tiempo en el cual el motor del cohete provee de un empuje igual al peso del combustible consumido.Tambin se usa para caracterizar a los propulsores (combustibles), en cuyo caso refiere al Iesp mximo terico que dara un motor perfecto.

Propulsores (propellant) qumicosEs la mezcla qumica que se quema en un cohete para proveer empuje.Propulsor = Combustible + OxidanteCobustible es la sustancia que se quema al combinarse con un oxgeno para proveer gas para la propulsin.Oxidante es el agente que libera oxgeno.Los propulsores se clasifican segn su estado en: lquidos, slidos o hbridos.

Motores con combustible lquidoTres tipos:petrleo - (queroseno RP1) poco eficientes, primeras etapas de Atlas, Delta y Saturn Vcriogenicos (gases licueficados: LH2+LO2 alto Iesp) dificultad de almacenaje, etapas superiores de Saturn V hypergolics (hydrazine) ignicin espontnea, txicos, bueno para maniobras orbitales sistema de control del Space Shuttle

Motores con combustible slidoConsiste 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 nitroglicerinacompuestos mezcla de polvo de sal mineral como oxidante (amonaco percloratado) y aluminio como combustible

Cohetes de combustible slidolquido

Selected Chemical-Rocket Fuels

El transbordador espacial

Cohetes descartables yreciclabes

Sistemas alternativos de propulsinElectrotrmicos: calienta el gas con un filamentoElectrosttico (Ion): se ioniza gas (Xenn) y se acelera en un potencial elctricoElectrodinmico: MagnetoPlasmaDynamic (MPD) acelera gas que ioniza en ctodo-nodo cilndricoFotnico: Velas solares Nuclear: Fisin FusinAntimateria: aniquilacin produce piones energticos

Propulsin inica Deep Space 1

Sistemas alternativos de propulsin

Tipo de motorImpulso espec. (s)Qumico150-450Termonuclear825-925Electrotrmica800-1200Electromagntico2000-5000Electrosttico - Ion3500-10000Antimateria106

Uso de los Satlites ArtificialesTelecomunicacionesSensores RemotosPrediccin ClimticaPosicionamiento GlobalObservaciones Astrofsicas

Telecomunicaciones GEOLa seal recorre ~72000 km, demora 0.24 seg. !!

Telecomunicaciones LEOSistema Iridium:66 satlites en 6 planos orbitale (86) a 780 km (100 min)

Sensores RemotosCuenca del Ro de la PlataSistema Fluvial del Plata Cuencas HidrogrficasAmrica del Norte de noche

Monitoreo del Clima

Emergencias ambientalesInundaciones en Santa Fe

Global Positioning System (GPS)

Sitios de lanzamiento

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

Chatarra espacial

Deteccin de chatarra desde la superficie Observaciones de radar (objetos en LEO de 1-30cm) Telescopios (buenos para fragmentos en rbitas geostacionarias, pero para LEO mnimo tamao detectado es 5cm)

Deteccin de chatarra en el Espacio

Telescopios espaciales con observacin en el visible e IR (PROBA-DEBBIE)Recuperacin de superficies de naves espaciales (Long Duration Exposure Facility -LDEF)

Chatarra en LEOFragmentos viajan a ~10km/seg respecto a satlites en rbitaFragmentos de 1mm-1cm no penetran un satliteFragm. 1-10cm lo penetran y daan seriamente Un fragmento de 10cm y masa 1kg impactando en un satlite, crea aprox. 1 milln de fragmentos de > 1mm

Chatarra en GEO y PolarGEOPolar

DatosMs de 110.000 fragmentos de mas de 1cm de dimetroA alturas < 2000 km son mas numerosos que los meteoroides

Cunto tiempo permanece un fragmento en rbita?

Altura (km)Vida media2001-4 das60025-30 aos10002000 aos200020000 aos

El futuro