Sistemas de Propulsión Espacial

[ZyD]

Dado el extenso off topic generado en el hilo “Barco Argentino a Propulsión Nuclear” he decidido escribir acerca de los distintos sistemas de propulsión de naves espaciales, espero que el hilo tenga éxito y vayamos aportando información que nos enriquezca a todos (que es, creo yo, el propósito del foro). Busque y no encontré ningún thread que hable de esto salvo un montón de “Brasil estudia propulsión nuclear/iónica” cualquier cosa que los moderadores lo borren. Sin más preambulo, el tema que nos concierne:

Sistemas de Propulsión Espacial​

A grandes rasgos hay dos factores a tener en cuenta a la hora de evaluar un sistema de propulsión espacial son el Empuje y el Impulso Específico (IE). El primero, es la fuerza obtenida de la aceleración de la masa del cohete, aunque solo es importante en las primeras etapas ya que son estas las que tienen que vencer la aceleración de la gravedad. El Impulso Específico (IE), en cambio, es directamente proporcional a la salida de los gases y nos da una idea del Delta V de determinada masa de propergoles, o en otras palabras de su eficiencia.

Sistema Químico​

Es el sistema actual de mayor alcance, su principal desventaja es que la cantidad de propergoles que requieren, ya que el peso de estos es mucho mayor al peso de la carga que se quiere poner en órbita; por esta razón los cohetes cuentan con varias etapas que se van “desprendiendo” a medida que se agota el propergol alojado en ellas para restar peso muerto. En resumen, el sistema químico es más barato, tiene más empuje y requiere (relativamente hablando) poca tecnología comparado con otros sistemas que están surgiendo actualmente como Propulsión Iónica, Nuclear, de Velas Solares o VASSMIR, pero a cambio es muy ineficiente (bajo IE relativo a otros sistemas).
En el sistema Químico, dos tipos de elementos (propergoles) uno comburente u oxidante y uno combustible reaccionan entre sí dejando salir gases de escape a gran velocidad que son los encargados de elevar el cohete hasta la órbita. Se pueden distinguir dos grandes grupos: los de propergoles sólidos y los de propergoles líquidos.

Cohetes de Propergoles Sólidos ​

Son hechos de gránulos de combustible y comburente que se juntan en una masa que es alojada dentro del cohete dejando un hueco central para la salida de los gases de escape. Dada la estabilidad química de los propergoles una vez solidificados, son muy versátiles y no requieren mucho tiempo desde que se los coloca en plataforma hasta que son lanzados; es por esto que gran parte de estos son derivados de mísiles intercontinentales como la primer etapa del Dnepr-1, derivado del R-36M conocido también como RS-20 o SS-18 Satán. Estas ventajas sumadas a su alto empuje convierten a los propergoles sólidos en los más indicados para utilizarse en las primeras etapas de cohetes llamadas boosters, su utilización como etapa final sería ridícula ya que no poseen la capacidad de reencenderse para órbitas de precisión lo que los hace inútiles en esta tarea.
El más conocido es sin duda el SRB (Solid Rocket Booster) del transbordador espacial, aunque hay otros como la mencionada primer etapa del Dnepr-1, o los GEM (Graphite Epoxy Motor) del Delta II y Delta IV.

Cohetes de Propergoles Líquidos​

Utilizan dos elementos que reaccionan en la cámara de combustión del motor cohete y producen los gases de escape. La principal ventaja de estos motores es la de reencenderse y así poder colocar satélites en órbitas precisas, no obstante se demora mucho tiempo en cargar los propergoles en el cohete y la incorrecta manipulación de algunos de ellos puede acarrear varios incidentes.
Dentro de los Propergoles Líquidos hay varias sub-clasificaciones:
Propergoles Hipergólicos: encienden al entrar en contacto ahorrando complejos sistemas de encendido y no se evaporan, pero a cambio tienen bajo IE y son corrosivos y altamente Tóxicos. Los más usados son el tetróxido de dinitrógeno (N2O4) y la hidracina (N2H4, o sus derivados, como el UDMH o el MMH). Algunos cohetes que los emplean son la primer etapa del Protón (Ruso) , de los Larga Marcha CZ-3 (Chinos) y los futuros Tronador II sifone:).
Propergoles Criogénicos: deben estar a bajísimas temperaturas (-253ºC) y acarrean en consecuencia importantes problemas técnicos y de evaporación. A cambio, son prácticos en su fabricación y tienen muy alto IE. Los más usados son el Hidrógeno Líquido(LH2) y el Oxígeno Líquido (LOX). Algunos cohetes que los emplean son el Space Shuttle, el Ariane V, el Atlas IV y la última etapa de la mayoría de los cohetes actuales.
También es muy usada la combinación Queroseno Oxígeno Líquido dada su alta relación costo/eficiencia y el menor costo en las instalaciones comparado con los Propergoles Criogénicos.

Bueno, sinceramente me canse de escribir :svengo:, para la próxima les traigo al diferencia entre motores ciclo abierto y cerrado espero les haya gustado y no resulte muy pesado, trate de condensarlo lo más posible.

PD: Avísenme si di algún nombre o definición por sentado que lo explico.
Alguien sabe si el foro soporta plantillas de Exel?

 

[TotoJuan]

Arranco desvirtuando el post con algo arrastrado desde el post del barco a propulsion nuclear, donde se planteo esto:

Originalmente publicado por Argento

También vi en Discovery Science sobre la generación de electricidad por quemado de desechos con plasma, el calor extremo rompe cualquier molécula y solo salen átomos y partículas atómicas libres, el proceso genera muchísimo energía siendo mayor a la necesaria para el quemado una vez que se logra la temperatura optima.

Originalmente publicado por Gabotf
Esto ultimo es lo mas absurdo de tu post. Acabas de encontrar la maquina perpetua. Imposible.

No se que respondío Argento sobre el particular, pero me parece que se está interpretando mal el tema por parte de Gabotf. El "encender" la basura (con un fosforo o con plasma) hasta alcanzar una temperatura critica de combustion, por lo cual la reacción total entrega más energia que la aportado por el proceso de ignición.....pues no tiene nada que ver con la máquina perpetua. Es la definición de cualqueir reacción de combustion (no espontanea) que requiere de una masa critica de combustible y comburente y de una temperatura de ignición. Al menos asi lo entiendo yo, y hoy por hoy cualqueir incinerador moderno trabaja de manera autosufiente en cuanto a energia (siempre y cuando se haga una separación de desechos solidos secos y desechos solidos humedos), y hoy por hoy hay generadores de gases combustibles en base a desechos plasticos que con un mínimo aporte de energia de ignición producen la combustion completa (a nivel molecular, por supuesto, no atomico, pues estamos hablando de temperaturas de cientos de grados para un generador de gas, versus miles o cientos de miles de grados en el caso del plasma y la desintegración atomica.....), pero no es la maqúina perpetua....siempre alguna cascarita de banana o un envoltorio de chicles le tenes que meter al Mr. Fusion para que funcione, ergo, consume combustible.

No se si entední bien o para el cara++ lo que quizo explicar Argento, pero en todo caso me parecio procedente aclararlo.

Saludos TotoJuan

 

[paulo]

http://www.zona-militar.com/foros/showthread.php?t=23381

http://www.zona-militar.com/foros/showthread.php?t=17703

 

[Hoplita]

.... pero no es la maqúina perpetua....siempre alguna cascarita de banana o un envoltorio de chicles le tenes que meter al Mr. Fusion para que funcione, ergo, consume combustible.

No se si entední bien o para el cara++ lo que quizo explicar Argento, pero en todo caso me parecio procedente aclararlo.

Saludos TotoJuan

¿ Será que los chicos que vimos esta película ya estamos grandes ? :biggrinjester:

Saludos.

 

[ZyD]

Arranco desvirtuando el post con algo arrastrado desde el post del barco a propulsion nuclear, donde se planteo esto:



No se que respondío Argento sobre el particular, pero me parece que se está interpretando mal el tema por parte de Gabotf. El "encender" la basura (con un fosforo o con plasma) hasta alcanzar una temperatura critica de combustion, por lo cual la reacción total entrega más energia que la aportado por el proceso de ignición.....pues no tiene nada que ver con la máquina perpetua. Es la definición de cualqueir reacción de combustion (no espontanea) que requiere de una masa critica de combustible y comburente y de una temperatura de ignición. Al menos asi lo entiendo yo, y hoy por hoy cualqueir incinerador moderno trabaja de manera autosufiente en cuanto a energia (siempre y cuando se haga una separación de desechos solidos secos y desechos solidos humedos), y hoy por hoy hay generadores de gases combustibles en base a desechos plasticos que con un mínimo aporte de energia de ignición producen la combustion completa (a nivel molecular, por supuesto, no atomico, pues estamos hablando de temperaturas de cientos de grados para un generador de gas, versus miles o cientos de miles de grados en el caso del plasma y la desintegración atomica.....), pero no es la maqúina perpetua....siempre alguna cascarita de banana o un envoltorio de chicles le tenes que meter al Mr. Fusion para que funcione, ergo, consume combustible.

No se si entední bien o para el cara++ lo que quizo explicar Argento, pero en todo caso me parecio procedente aclararlo.

Saludos TotoJuan

Me parece que lo que quiso decir es que es absurdo que produzca más energía de la que consume y más quemando basura. Yo opino lo mismo, es una idea absurda:
Primero por que dijo basura en general, donde aunque algunos compuestos tengan alto poder calórico, otros no.
Segundo porque el mantener la temperatura sin gastar energía es imposible, no existe el aislante perfecto ni estamos cerca todabía.
Tercero no se especificó el método utilizado para convertir la energía calórica en electríca en el que siempre hay una gran perdida.
Cuarto porque se requieren grandes cantidades de energía para confinar el plasma mediante campos magnéticos (ya que cualqueir material físico se fundiría por al temperatura) y ni hablar del campo que contendría la "basura quemada con plasma". Sobre esto de los campos de contencion hablare (algun dia :biggrinjester:) cuando escriva sobre el motor de Plasma VASMIR

saludos

 

[TotoJuan]

Me parece que lo que quiso decir es que es absurdo que produzca más energía de la que consume y más quemando basura. Yo opino lo mismo, es una idea absurda:

No se si me estoy metiendo en un berenjenal, pero la energia no se produce, se transforma. Toda "generación" de energia es una trasnformación de una forma de energia en otra (quimica en calorica, mecanica en electrica, cinetica en acumulada, etc). Lo que llamamos "consumo", en general es la transformación de una forma de energia en otra de menor "densidad energetica" (perdonen lo autocrata de la expresion, que no es para nada cientifica) con la consiguiete perdida por calor, roce o ineficienica de la conversion.

Primero por que dijo basura en general, donde aunque algunos compuestos tengan alto poder calórico, otros no.

En los antiguos incineradores efectivamente se tenia que aportar combustible (gas o algo asi) para incinerar la basura. Como bien decis, la basura (especialmnee residuos humedos) tienen muy poco poder calorico y arden con dificultad. Pero en una camara de plasma el poder calorico no tiene mucha importancia. Se "desintegra" a nivel atomico y subatomico (aca estoy tirando fruta, no se si esto es materialmente posible) cualquier material. Basicamente, por lo que entendí del concepto, se hace fisionable cualqueir material que naturalmente no seria fisionable, no se necesita combustible radioactivo, se lo produce con el plasma a partir de cualqueir material....repito, no se si estoy tirando fruta con esto.

Segundo porque el mantener la temperatura sin gastar energía es imposible, no existe el aislante perfecto ni estamos cerca todabía.

Confinando en campos magneticos, calculo que se puede lograr aislaciones muy superiores a las de materiales convencionales. Ya se que estamos a muchos años d deficit tecnologico de poder cancelar la concesion de CLIBA y construir un Gran Ojo de Mordor en Lugano "atomizando" la basura de Buenos Aires.

Tercero no se especificó el método utilizado para convertir la energía calórica en electríca en el que siempre hay una gran perdida.

Perdidas por rozamiento, calentamiento, disipación, ineficienica mecanica, etc...algunas se resuelven con el tema de la aislacion magnetica, otros no.
En todo caso, por lo que yo entendi, el plasma seria algo asi como la llama piloto del calefon....y la reacción iniciada seria una especie de reacción en cadena de fision....

Cuarto porque se requieren grandes cantidades de energía para confinar el plasma mediante campos magnéticos (ya que cualqueir material físico se fundiría por al temperatura) y ni hablar del campo que contendría la "basura quemada con plasma".

En la practica estamos lejos de arribar a una solucion tecnologica (ni experimental ni a gran escala), pero "en teoria" no hay nada que lo impida. Lo que quiero resaltar es que no es "la maquina perpetua", porque se parte de la base que hay un consumo de combustible (conversion de energia quimica en energia electrica, mecanica o calorica).

Sobre esto de los campos de contencion hablare (algun dia :biggrinjester:) cuando escriva sobre el motor de Plasma VASMIR

Esperaremos, pues.

TotoJuan

 

[ARGENTVS]

¡TotoJuan, lo entendiste a la perfección!.

Hay que aclarar que yo no soy físico ni el teórico de ese proceso, lo dijo el encargado del proyecto yankee en un programa.

Es correcto que el plasma destruye las uniones moleculares, el material pasado por él no es peligroso porque se desintegra mediante fisión a presión normal por las decenas de miles de grados. Todo eso debe ser contenido por un campo magnético, el cual es el obstáculo actual por su costo energético y piensan utilizar superconductores para generarlo pasivamente o reforzado con un mínimo costo eléctrico.
El calor generado imagino se usará para generar vapor, no lo explicaron, y los gases resultantes podrían ser embotellados, puesto que lo que más saldrán será Hidrógeno y otros gases de aplicación industrial.

Saludos.

---------- Post added at 06:30 ---------- Previous post was at 06:26 ----------

Pero eso vamos en otro tema.

En lo que respecta a propulsión también debemos diferenciar entre puesta en órbita y propulsión estrictamente fuera de la atmósfera.

 

[ARGENTVS]

La Vela Solar

El concepto de vela solar se remonta al siglo XXVII cuando el astrónomo alemán Johannes Kepler teorizo el uso de barcos con velas que fueran impulsadas por el viento solar que presumió era la causa de las colas de los cometas.

En 1873 James Clerk Maxwell demostró que la luz ejerce un presión al rebotar sobre los objetos y dió un fundamento al impulso por fotones, no por los vientos solares.

En 1960, el satélite Echo-1 sufrió dichos efectos siendo sacado una y otro vez de órbita hasta ser destruido por el efecto de presión de los fotones solares.

En 1974, la misión a Mercurio (fe de erratas post anterior donde dije marte) Mariner 10 utilizó sus paneles solares como velas permitiéndole alcanzar el planeta más cercano al sol cuando su combustible se había acabado. Si bien la presión ejercida fue mínima también fue imprescindible para el éxito de la misión y dió mayor relevancia al impulso fotónico.
Messenger también debió recurrir a ésta técnica.

En lo '70, también, la NASA proyectó una sonda impulsada pro luz solar para alcanzar al cometa Haley en el '86. El proyecto nunca fue aprobado pero sus estudios demostraron la factibilidad de la navegación espacial por vela.

Rusia probó el concepto en el año '93, de la mano de la Space Regatta Consortium, con la Znamya 2 que consistía en una lamina de 20 metros de diametro y reflectiva a modo de espejo concéntrico en forma de disco que se desplegaba y focalizaba la luz en un punto maximizando el empuje. Puedo verse por toda Europa y Rusia la luz concentrada de 5 Km de diametro del objeto y fue filmado y pasado por televisión.
Carente de sistemas de estabilización y dirección reingreso a la atmósfera descontroladamente. El programa Ruso continuó hasta el '99 pero no pudo poner en órbita la Znamya 2.5 al fallar su despegue, la Znamya 3 nunca vio la luz.
Znamya 2

Zanmya 2.5

Los satélites Indios INSAT 2A y 3A con grandes paneles solares en su parte inferior poseen pequeñas velas solares en su parte superior para compensar la torsión generada por el empuje de los fotos en los paneles.

En 2004 Japón realizo experimentos con velas solares también. Y el 28 de Abril de 2010 lanzó al que se denominó IKAROS, Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun, Nave-cometa Interplanetaria Acelerada por la Radiación Del Sol. El proyecto Ikarós con sus lamina desplegable de Imida de 7-5 micrones de espesor, 20 metros de diagonal y recubiertas de nanoceldas fotovoltaícas tiene como destino Venus en 6 meses y un viaje de 3 años hacia al lado solar más alejado de la tierra.
Japón proyecta una nueva nave a vela solar, con destino a Júpiter, en una teórica misión mucho más corta que con motores convencionales.

En 2005 la American Planetary Society lanzó el Cosmos 1 para probar el vuelo libre por vela solar, pero el prototipo se perdió al fallar el vehículo de lanzamiento. Dicha nave estaba hecha de 8 pétalos de mylar aluminizado de 5 micras de grosor y tenía un peso total de unos 40 kilos y una superficie de 600 m2.

Actualmente ese instituto es´ta trabajando en Rusia en el desarrollo del Cosmos II.

En 2008 la NASA lanzó el NanoSail-D con una vela desplegable, sin embargo la misión fracaso por problemas en la separación de la carga útil de la última etapa del cohete lanzador y no se logró la órbita perdiéndose el nanosatélite solar y otro proyecto de microbiología espacial conjunto con otras instituciones Estadounidendes y Centroamericanas.

Nanosail-D

Hasta ahora las limitantes de ésta incipiente tecnología es la baja aceleración. No obstante hay un gran interés en la misma por reducir sustancialmente los costos de los aparatos de exploración, su peso y por consiguiente su costo de puesta en órbita. También, a diferencia del impulso por cohete acelerado por el impulso gravitacional donde las naves pierden tiempo orbitando planetas y el sol obteniendo aceleración para saltar al siguiente planeta, las velas solares podrían solo ir hacía el sol adquirir solo su impulso y luego dirigirse directamente a su objetivo, inicialmente su velocidad sería menor al método tradicional, pero en las etapas finales su velocidad sería muy superior y la misión terminaría siendo d más corto plazo.

Fuentes: ciencia.nasa.gov. Jaxa.jp (agencia de exploración espacial japonesa), planetary.org, src.space.ru

Saludos.

 

[ZyD]

¡TotoJuan, lo entendiste a la perfección!.

Hay que aclarar que yo no soy físico ni el teórico de ese proceso, lo dijo el encargado del proyecto yankee en un programa.

Es correcto que el plasma destruye las uniones moleculares, el material pasado por él no es peligroso porque se desintegra mediante fisión a presión normal por las decenas de miles de grados. Todo eso debe ser contenido por un campo magnético, el cual es el obstáculo actual por su costo energético y piensan utilizar superconductores para generarlo pasivamente o reforzado con un mínimo costo eléctrico.
El calor generado imagino se usará para generar vapor, no lo explicaron, y los gases resultantes podrían ser embotellados, puesto que lo que más saldrán será Hidrógeno y otros gases de aplicación industrial.

Saludos.

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Pero eso vamos en otro tema.

En lo que respecta a propulsión también debemos diferenciar entre puesta en órbita y propulsión estrictamente fuera de la atmósfera.

Mis disculpas, no había entendido del todo el concepto, osea que lo que haría sería una fisión de cualquier tipo de átomo gracias al calor del plasma. Igualmente esta el problema del consumo de los campos magnéticos y de la generación del plasma (a eso me refería con el consumo de energía, aquella que emplea la máquina para continuar el proceso que incluye la generación de los susodichos campos magnéticos).

En cuanto a la diferencia entre puesta en órbita y propulsión fuera de la atmosfera tienes razon, tanto VASMIR, propulsión nuclear, propulsión Iónica, Velas solares y demas no pueden (algunas por razones políticas o ambientales) operar dentro de la atmosfera terrestre.

 

[Radar]

Macri venderia sus acciones de CLIBA, invirtiendo en la construccion de un prototipo como el de la imagen, que se ubicaria en Villa Lugano, cerca de la cancha de San Lorenzo. La particular ventaja de este nuevo sistema de incineración a temperatura plasmatica confinada entre dos poderosos imanes, es que tambien "todo lo ve", haciendo innecesario la contratación de policias misioneros para las pinchaduras telefonicas.

La energia y materia generada por el proceso de atomizacion de la basura producida por los porteños permitiria además clonar ejercitos de orcos, criaturas subhumanas descartables para tareas de limpieza del Riachuelo, descontaminacion de Tschernobyl y desminado de campos en Cambodscha.

TotoJuan

Perdón, no me pude resistir. Moderadores metan "delete" a discreción, por favor.

Segun informacion extraoficial , lo mas interesante es que tambien usaria KaKa para la generacion de Energia, solo existe la duda del tipo de Energia generado por este compuesto :smilielol5::smilielol5::smilielol5:

 

[pulqui]

Listo, hasta acá llegamos con los offtopic totalmente innecesarios. Próximos mensajes en ese sentido serán editados.

 

[Trinitron]

¿Seria posible borrar los offtopics de este thread, traer los offtopics del thread del SSN referidos a este tema y asi crear tratar el tema dedicadamente aca?

O sino, mejor aun, cerrar este y crear uno nuevo, algo asi como "Tecnologia espacial" y ahi meter todo sobre el tema, por que sino, si hablara de Radiation Hardening en este thread...seria medio offtopic!