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Índice
Introducción.................................................................................................................................. i
Objetivos...................................................................................................................................... ii
1. Comportamiento De El Aire En Un Transbordador Espacial.................................................5
2. El Aterrizaje..........................................................................................................................6
3. El Aire Y El Transbordador....................................................................................................6
4. Sustentación En Un Transbordador Espacial........................................................................7
4.1. Diagrama de Descenso.................................................................................................8
5. ¿Qué Es Un Transbordador Espacial?.................................................................................11
6. Componentes Y Especificaciones.......................................................................................11
7. Materiales De Un Transbordador Espacial.........................................................................12
8. Historia Del Desarrollo De Materiales De Aislamiento Superficial En Vehículos Espaciales…………………………................................................................................................13
9. Sistema De Protección Térmica Del Transbordador Espacial.............................................14
10. Selección De Materiales Del SPT Y Situación De Los Mismos.........................................15
Conclusiones..............................................................................................................................16
Bibliografía.................................................................................................................................17
Anexos........................................................................................................................................18
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Introducción
En el siguiente reporte tendremos como tema principal el comportamiento del aire en un transbordador espacial, a partir de esto observaremos el sistema aerodinámico que dicha aeronave espacial posee para poder hacer su desplazamiento, también observar la soluciones que se deben de tener en cuenta ante un problema aerodinámico, observando las propiedades del fluido, la forma que dichas aeronaves tienen para poder ejecutar su aterrizaje, y en qué consiste su fase de descenso hacia la tierra, el comportamiento del aire directamente con el transbordador espacial, observar la sustentación de los transbordadores a partir de su fase de aterrizaje y en el momento del despegue.
Analizaremos el método que dicha aeronave utiliza en su descenso el cual es RCS (Sistema de control de reacción), las alturas que intervienen y las velocidades que dichas aeronaves pueden llegar a tomar en sus desplazamientos o vuelos espaciales.
También se mencionara el tipo de sustentación que esta aeronave posee el cual la diferencia de un aeronave comercial, observaremos un diagrama de descenso para poder conocer su trayectoria hacia la tierra.
Cabe recalcar que observaremos y conoceremos algunas características propias de los transbordadores espaciales en lo que a estructura y magnitudes corresponde.
Observaremos algunos adelantos que se esperan para futuros planes de construcción de transbordadores espaciales.
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Objetivos
General: Conocer sobre el comportamiento del aire en un transbordador espacial mediante el análisis de la sustentación
Específicos
Identificar los materiales con los que está hecho un transbordador espacial
sabiendo cuales son las características que lo hacen importante dentro de la
construcción.
Analizar la aerodinámica y las características del aire a través de un
transbordador.
Explicar el proceso de despegue y aterrizaje de un transbordador manteniendo
como clave el tipo de sustentación que utiliza.
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1.Comportamiento De El Aire En Un Transbordador Espacial
En la solución de un problema aerodinámico normalmente se hace necesario el cálculo
de varias propiedades del fluido, como pueden ser velocidad, presión, densidad y
temperatura, en función de la posición del punto estudiado y el tiempo.
Modelizando el campo del fluido es posible calcular, en casi todos los casos de manera
aproximada, las fuerzas y los momentos que actúan sobre el cuerpo o cuerpos
sumergidos en el campo fluido. La relación entre fuerzas sobre un cuerpo moviéndose
en el seno de un fluido y las velocidades viene dada por los coeficientes
aerodinámicos. Existen coeficientes que relacionan la velocidad con las fuerzas y
coeficientes que relacionan la velocidad con el momento. Conceptualmente los más
sencillos son los primeros, que dan la fuerza de sustentación , la resistencia
aerodinámica y fuerza lateral en términos del cuadrado de la velocidad (V2), la
densidad del fluido (ρ) y el área transversal (St):
Debido a la complejidad de los fenómenos que ocurren y de las ecuaciones que los
describen, son de enorme utilidad tanto los ensayos prácticos (por ejemplo ensayos en
túnel de viento) como los cálculos numéricos de la aerodinámica numérica.
Coeficiente de sustentación
Coeficiente de resistencia Coeficiente de fuerza lateral
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2.El AterrizajeAl revés, la fase de descenso en la Tierra genera otra serie de inconvenientes que
deben ser resueltas. En primer lugar, determinar y acertar en el ángulo correcto de
entrada a la atmósfera, un verdadero "corredor" de ingreso. El ángulo no puede ser ni
muy oblicuo ni muy vertical. Un ángulo muy vertical provocaría que la nave se
estrellase prácticamente con la capa de aire, aumentando fuertemente la fricción y el
calor, lo que ocasionaría su destrucción. Por el contrario, un ángulo demasiado oblicuo
y a mucha velocidad hará que la nave rebote en las capas superiores, describiendo una
parábola y pasando de largo; a menor velocidad la nave rebotará, pero ingresará en la
atmósfera más allá del punto fijado como óptimo. En ángulo correcto y a la velocidad
correcta la nave cortará progresivamente las capas atmosféricas superiores, disminuirá
su velocidad, y reducirá los niveles de roce y calor. Previo al reingreso la nave enciende
sus cohetes de frenado, disminuyendo drásticamente su velocidad y perdiendo altura;
durante el proceso la nave debe ser girada en tal forma que ofrezca su flanco más
resistente a la fricción. Afortunadamente, las naves poseen un eficiente escudo
térmico que disipa el calor.
Un momento de gran incertidumbre durante el reingreso lo constituye el paso de las
naves por la llamada franja de silencio, que dura unos cinco minutos, y consistente en
atravesar cierta área de la atmósfera que conlleva la interrupción completa de las
comunicaciones radiales con el control de tierra.
3.El Aire Y El Transbordador
A partir de la infraestructura se sostiene que posee un fuselaje que le proporciona sustentación por medio de su sistema geométrico variable, el cual nos permite obtener un flujo de aire de tipo lineal el cual, dicho fluido es recorrido a través de su contorno; envolviéndolo en el sistema de flujo cerrado creando sustentación en la aeronave espacial para poder entrar de nuevo en la atmosfera.
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4.Sustentación En Un Transbordador Espacial
La sustentación de los transbordadores espaciales se ve más notoria a la hora del
aterrizaje y a la hora del despegue. En el aterrizaje dado que los transbordadores dejan
de comportarse como transbordadores y comienzan a comportarse como aeronaves
como los aviones, que a la hora del aterrizaje ellos emplean el uso de las alas para
poder sustentarse y poder aterrizar. Y en la hora del despegue pero con la diferencia
que tiene una característica en particular, de que en el despegue estos emplean todo
su fuselaje para poder sustentarse ya que su peso y velocidad generan una estabilidad
en relación a la velocidad a la que va el transbordador generando relativamente un
vacío en el transbordador lo cual hace que se eleve.
La sustentación él un transbordador es muy importante ya que es la fuerza que hace
que este se mantenga en el aire pero los físicos de la NASA pudieron encontrar como
hacer que la sustentación se generara por medio del fuselaje, lo cual ayuda a que
estando en órbita el transbordador espacial mantenga una velocidad y un punto de
elevación necesaria para poder salir de la atmosfera.
El hacer despegar cohetes y transbordadores espaciales siempre ha sido considerado
como un logro del avance tecnológico y la ingeniería de nuestra sociedad, pero tal vez
se le presta menos atención al proceso de aterrizaje que en ciertos aspectos puede
llegar a ser más complicado y requiere de un nivel de exactitud que sorprende.
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Los pasos para aterrizar un Transbordador Espacial empiezan, literalmente, al otro lado
del planeta de la pista de aterrizaje. Dada la orden, los astronautas tienen que:
1. Cerrar las puertas de carga.
2. La mayoría de las ocasiones el Transbordador Espacial se encuentra “boca abajo”
y con la nariz primero con respecto al planeta Tierra por lo que se activa
el sistema de control de reacción (RCS) para dar la vuelta y poner primero la cola.
3. Se activa el Sistema de Maniobra Orbital para bajar la velocidad del transbordador
e iniciar el descenso a la capa superior de la atmósfera; es un proceso que dura
unos 25 minutos.
4. Llegado ese punto se vuelve a activar el RCS para que la parte inferior del
transbordador de la cara a la Tierra (boca arriba) y nariz primero.
5. Después queman todo el combustible que quede por seguridad, ya que las temperaturas que alcanza el aparato cuando entra a la atmósfera supera los 1.650 grados centígrados.
4.1. Diagrama de Descenso.
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En este punto el Transbordador Espacial se encuentra a unos 400.000 pies de altura
(120 kilómetros) y se desplaza a Mach 25, es decir, 8,2 kilómetros por
segundo o30.000 kilómetros por hora. Por medio de maniobras usando el RCS se
mantiene una inclinación de 40 grados (nariz arriba) para seguir reduciendo la
velocidad e intentar reducir el calor que se produce debido a la fricción causada por la
gran velocidad de la nave y el aumento en la densidad del aire.
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El Transbordador Espacial, a medida que desciende y se encuentra con más aire deja
de comportarse como una nave espacial y empieza a funcionar como un avión.
Si se mantuviera una trayectoria de línea recta, con una inclinación de 40 grados (nariz
arriba) es posible que la nave dejara de descender (al menos por unos minutos)
o inclusive aumentar su altura por lo que se hacen cuatro maniobras en forma
de S muy pronunciadas, manteniendo esos 40 grados de inclinación, de tal forma que
disipa la velocidad hacia los lados. Este es el momento de mayor tensión a la nave y sus
ocupantes, con fuerzas-G y temperaturas altísimas.
Finalizadas las cuatro maniobras en S la nave debería encontrarse a unos 225
kilómetros de la pista de aterrizaje, a una altura de 18.000 pies (5,4 kilómetros). La
distancia y la altura en este punto son importantísimas pues el Transbordador
Espacial más que un avión es un planeador, no hay motor o combustible que lo
impulse, tan solo la velocidad adquirida por el descenso. Volar muy bajo (aunque la
distancia sea suficiente) implicaría que la nave no llegue a la pista. Volar a la altura
correcta pero a una distancia mayor de la calculada, causaría el mismo problema.
Endeavour (STS-130) en su re-entrada a la atmósfera, haciendo una maniobra en S, visto desde la Estación Espacial Internacional (por: Soichi Noguchi)
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Estando a unos 40 kilómetros de la pista, se procede a hacer maniobras de círculo (de
unos 5.500 metros en diámetro) para alinear el transbordador y disminuir la altura. En
la aproximación final, la nave tiene un ángulo de descenso de -20 grados (siete veces
mayor al de un avión comercial).
A 600 metros de la pista, se aumenta el ángulo de inclinación de la nave (nariz arriba)
para disminuir la velocidad de descenso —a falta de turbinas, esta es la única manera
de controlarla— se baja el tren de aterrizaje, aterriza y se detiene a unos tres cuartos
de la pista (con ayuda de un paracaídas). Durante los siguientes 20 minutos la
tripulación inicia procedimientos para apagar los sistemas del transbordador y esperan
a que la nave se enfrié y gases nocivos creados por el calor extremo se disipen.
Por ser un proceso extremadamente complejo, prácticamente todo el aterrizaje del
Transbordador Espacial se hace en piloto automático asistido por computadoras.
Humanos intervienen estando a 40 kilómetros de la pista para las maniobras en círculo
y aproximación final. Aún así, durante las primeras cuatro misiones del transbordador
(STS-1,STS-2, STS-3 y STS-4) el proceso se hizo totalmente manual (el piloto tomaba los
controles después de la primera maniobra en S).
Es sorprendente, admirable y un ejemplo del impresionante trabajo que se hace en
la NASA, que después de 129 misiones, tan solo haya un fallo (durante el aterrizaje)
que tengamos que lamentar, cuando el Columbia se desintegró en su re-entrada a la
atmósfera.
5.¿Qué Es Un Transbordador Espacial?El sistema de Transbordador Espacial de la NASA (en inglés: Space Shuttle), llamado
oficialmente Space Transportation System (STS), formó parte del programa del
transbordador espacial, siendo la primera nave espacial reutilizable y la primera capaz
de poner satélites en órbita (aunque una órbita baja), y traerlos de vuelta a la
superficie. Cada transbordador tenía una vida útil proyectada de 100 lanzamientos.
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6.Componentes Y Especificaciones
El transbordador espacial tiene los siguientes componentes principales:
El propio vehículo transbordador (Orbitador) reutilizable. Dimensiones al estar
sobre sus ruedas: 17,25 metros de altura (incluye cola timón), 37,24 metros de
largo y envergadura 23,79 (entre extremo de las alas). Capacidad de
tripulación: 5 a 7 personas.
Un gran tanque externo desechable de combustible (ET por sus siglas en inglés)
que contiene hidrógeno y oxígeno líquidos en tanques interiores para alimentar
los tres motores principales. El tanque se libera 8,5 minutos después del
lanzamiento, a una altitud de 109 km, rompiéndose en pedazos que caen al
mar sin ser recogidos. Dimensiones: 46,14 metros de altura y 8,28 metros de
diámetro.
Dos tanques recuperables de combustible sólido (SRB por sus siglas en inglés)
que contienen un propulsante compuesto principalmente de perclorato de
amonio(oxidante, 70% en peso) y aluminio (combustible, 16% en peso). Ambos
tanques se separan 2 minutos después del lanzamiento a una altura de 66 km,
abren sus paracaídas y luego son recogidos tras su amerizaje. Dimensiones:
44,74 metros de altura y 3,65 metros de diámetro. Cada tanque pesa 96.000
kilogramos.
Altura del conjunto: 56,14 m.
Longitud del transbordador: 37,23 m
Envergadura: 23,79 m
Peso en el despegue: 2.041.166 kg
Peso tras la misión: 104.326 kg
Carga máxima transportada: 28.803 kg (volver a la Tierra con aprox. 14.000 kg)
Órbita: 185 a 643 km (no puede elevarse a más de 1.000 km)
Velocidad: 27.875 km/h
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7.Materiales De Un Transbordador EspacialEl Transbordador espacial es el primer vehículo de vuelo de velocidad supersónica que
usa un sistema de protección térmica totalmente de tipo cerámico; ya que estos por
sus enlaces iónicos y covalentes son duros, frágiles, tienen baja conductividad eléctrica
y lo que es más importante baja conductividad térmica.
Un transbordador espacial utiliza aproximadamente 25,000 losas de cerámicas que
protegen del calor el fuselaje hecho de aluminio durante el reingreso a la atmósfera.
Son frágiles o vidriosos, de poca elasticidad, mantiene sus propiedades mecánicas a
altas temperaturas. En cuanto a sus fallas mecánicas se dan por imperfecciones como
pequeñas grietas, porosidad, etc.
8.Historia Del Desarrollo De Materiales De Aislamiento Superficial En Vehículos
Espaciales.
Las plaquetas cerámicas del STS fueron desarrolladas por los laboratorios de
investigación de NASA, fabricadas por las compañías Lockheed e instaladas por
Rockwell International.
Los primeros materiales fueron de fibras refractarias aglomeradas inorgánicamente e
impregnadas de un refrigerante orgánico no carbonizable. En 1962 la cápsula Apolo
fue construida con un SPT a base de materiales compuestos de fibras de sílice,
formando un esqueleto continuo e impregnado todo con metacrilato como fase
refrigerante no carbonizable. Estos materiales ablativos (esto es, que se auto-
consumen por desgaste a elevadas temperaturas) presentan dos problemas
importantes: No se pueden reutilizar y son bastante pesados con densidades mayores
que las plaquetas fabricadas con material cerámico. Los metales son, asimismo, más
pesados que las plaquetas. Por tanto, en 1965 se comenzaron a desarrollar plaquetas a
base de fibras de sílice.
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9.Sistema De Protección Térmica Del Transbordador Espacial
El sistema de protección térmica (TPS) está diseñado para que la temperatura de la
estructura de aluminio del orbitador se mantenga por debajo de los 177 grados Celsius
aunque en algunas superficies que están más expuestas, la temperatura puede llegar
hasta los 1.260 grados Celsius.
El tipo de losetas utilizadas son de dos colores: de color blanco y negro. Las blancas
están ubicadas en las zonas donde las temperaturas son relativamente inferiores al
resto de la nave, lo contrario sucede con las de color negro; éstas, por su color,
absorben las mayores temperaturas y están ubicadas en la parte inferior y delantera
del orbitador, además de recubrir la parte delantera de las alas. Además de las losetas
de protección térmica, el transbordador cuenta con un recubrimiento más pesado
constituido de carbono reforzado y que sólo es utilizado para la protección de las
temperaturas más altas. La cantidad utilizada de este material es menor que en el caso
de las losetas y esto es así debido a su peso. Las superficies de carbono reforzado están
ubicadas en la punta de la nave y los bordes frontales de las alas.
En el pasado, las misiones Mercury, Gemini, y Apolo utilizaban un escudo protector de
ablación que se quemaba durante la reentrada incontrolada. Si bien protegía a los
astronautas en su regreso, también dejaba a la cápsula en condiciones inutilizables
para futuras misiones espaciales. Otro de sus efectos negativos era que, podía
romperse durante la reentrada, tal como se temió durante la misión Mercury 6, en la
cápsula Freedom 7 pilotada por John Glenn.
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Los materiales utilizados han evolucionado durante el tiempo, últimamente unos
revestimientos más flexibles han remplazado a muchas de las losetas blancas debido
que tienen la ventaja de cubrir un área equivalente a 25 losetas.
El transbordador espacial contiene cerca de 23.000 losetas de protección térmica cuya
función no sólo sirve para proteger a la nave del inmenso calor producido durante la
reentrada, sino que además debe soportar temperaturas que oscilan entre los –128 °C
a 93 °C durante las órbitas de 90 minutos alrededor de la Tierra.
10. Selección De Materiales Del SPT Y Situación De Los Mismos
Las condiciones que deben reunir los materiales del Sistema de Protección Térmica
(SPT) del TE son:
1. Actuar como protección térmica: soportando la temperatura límite de entrada
en la atmósfera, ser resistentes a la entrada de gases calientes y poder ser
terminados con una superficie suave (para evitar calentamientos locales y
transición del aire arrastrado de flujo laminar a turbulento).
2. Poseer una baja masa, pero que soporte la carga, sea resistente al aleteo,
compatible con las tensiones y el doblado de la estructura primaria que es de
aluminio y ser resistente a la retención de agua.
3. Permitir un tiempo corto de montaje desmantelamiento para con una fácil
inspección, fácil extracción e instalación y fácil mantenimiento, permitiendo a
la nave espacial volver cuanto antes a otra misión y por último,
4. Que posea bajos costes en largos ciclos de vida útil, es decir, que sea fácil de
fabricar, durable y reutilizable.
El que este tipo de materiales posean una baja densidad es esencial para sus aplicaciones, ya que un aumento de la misma, como sucede en Aeronáutica, implica una disminución de la
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carga de transporte. En 1968 se optimizó este tipo de plaqueta y se le agregó un agente de alta emisión térmica para facilitar la radiación de calor.
Conclusiones
El Transbordador espacial al ser un vehículo de vuelo de velocidad supersónica
necesita estar compuestos de materiales que tengan altas propiedades físicas y
mecánicas y que posean mucha resistencia en altas temperaturas.
El mejor ejemplo con el que podemos observar el comportamiento del aire en
un transbordador espacial, es en el aterrizaje de este, ya que el STS al entrar a
la atmosfera, es maneja por sustentación, por ello tiene que realizar ciertas
maniobras en el aire para perder velocidad estabilizarse y poder tener un
aterrizaje óptimo.
En la aeronáutica normalmente es necesario el cálculo de varias propiedades
del fluido, como pueden ser velocidad, presión, densidad y temperatura, en
función de la posición del punto estudiado y el tiempo el comportamiento del
aire en un transbordador espacial está dentro de estas necesidades.
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Bibliografía
http://alt1040.com/2010/02/como-aterriza-el-transbordador-espacial http://www.nasa.gov/centers/dryden/espanol/FS-015-DFRC_espanol.html (http://www.slideshare.net/miriamgil/materiales-ceramicos-presentation)
(http://rodolfo-novakovic.blogspot.com/2006/04/materiales-cermicos-en-
te.html)
(http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_protecci%C3%B3n_t
%C3%A9rmica_del_transbordador_espacial)
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Anexos
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Transbordador espacial Discovery sobre un Boeing 747 que lo llevará de regreso al Kennydey Space Center en Florida
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Transbordadores soviéticos
Algunos diseños rusos de vehículos espaciales reutilizables “con alas”propuestos en las décadas de 1950 y 1960:(a) El primer transbordador soviético, el PKA (Planiruyushchij Kosmicheskij Apparat) propuesto por el OKB-256 en 1957.(b) El VKA-23 (Vozdushno Kosmicheskie Apparaty) propuesto por elOKB-23 Myasishchev en 1960.(c) El R-2 (Raketoplan) propuesto por el OKB-52 en 1960.(d) Tupolev Tu-130 (1959).(e) El Spiral montado sobre su vehículo transportador,propuesta del OKB Mikoyan, 1966.(Buran.ru)
Adelantos Para El Transbordador EspacialEl transbordador espacial es un aparato de aspecto muy tosco. Su superficie está cubierta por ladrillos de cerámica, que además agrega demasiado peso.
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Desgraciadamente tienen que ser así, ya que no se dispone de otro efectivo aislante térmico, que protejan al aparato de las altas temperaturas que se producen al volver a entrar a la atmósfera. Preocupada por ello, la NASA está buscando nuevos materiales aislantes que den seguridad y que al mismo tiempo sean más livianos. Si ello se consigue, podría además el transbordador tener una estructura mucho más aerodinámica. Todo ello llevaría a un enorme ahorro de combustible en el despegue de la Tierra.
Un equipo de investigadores de Ames Research Center en Moffed Field, California, ya ha logrado crear una nueva clase de cerámica basada en los metales hafnium y zirconium, que son capaces de soportar temperaturas de hasta 2400°C. Las baldosas de cerámica que se han utilizado en el transbordador, soportan sólo hasta 1400°C.
Este nuevo material permitiría construir las alas y la nariz del futuro transbordador con un radio de sólo milímetros. Con ello se podrían construir naves de aspectos semejantes a los aviones supersónicos. Lo que es más importante, estos podrían despegar y aterrizar como un avión, en lugar de hacerlo como cohete. Además del estilo, el nuevo diseño y nuevos materiales, significan grandes ahorros en los costos de los vuelos espaciales. NASA está muy entusiasmada con esta posibilidad.
¿Qué es la sustentación Negativa o Positiva?
Componente, según la dirección perpendicular al movimiento, de la fuerza que el aire ejerce sobre un cuerpo en movimiento; dicha fuerza puede ser dirigida hacia arriba o hacia abajo, en el primer caso se denomina sustentación (positiva) y en el segundo antisustentación (sustentación negativa).
