Visita Wikilingue.com

Propulsió espacial

De Wikipedia, l'enciclopèdia lliure

Projecte Bussard, un dels projectes pensats per a la propulsió interestel·lar.

Per viatjar pel espai és necessari algun sistema de propulsió capaç d'imprimir acceleració als vehicles. A causa del buit de l'espai exterior, qualsevol acceleració haurà de basar-se en la tercera llei Newton o Llei d'acció i reacció, segons la qual, "per cada força que actua sobre un cos, aquest realitza una força d'igual intensitat però de sentit contrari". D'aquesta manera, si un objecte expulsa part de la seva massa en una adreça, la resta de l'objecte es desplaçarà en sentit contrari. Aquest és el fonament dels motors a reacció, també cridats de "propulsió a raig": en ells, part de la massa de la nau (el combustible) és expulsada a gran velocitat en una adreça, ocasionant que la resta de la nau es desplaci en el sentit oposat.

El motor més emprat per a la propulsió de naus espacials és el motor coet, doncs és capaç de generar una enorme potència i, a diferència d'altres tipus de motors, no necessita de atmosfera per funcionar. No obstant això, malgrat la gran potència dels motors coet, les enormes distàncies espacials demanden motors amb un impuls específic major, això és, capaços d'obtenir més velocitat amb el mateix pes de propelente. Amb aquest propòsit s'estan desenvolupant els motors iònics, que gràcies a la major velocitat de sortida del propelente poden ser deu vegades més eficients. Així i tot, cap motor conegut fins al moment és capaç d'obtenir velocitats suficients com per plantejar viatges interestel·lars. No obstant això, existeixen diverses alternatives als motors a reacció: la més immediata la constitueixen les vés-les solars, capaces d'obtenir impuls de la radiació solar, del vent solar o fins i tot de rajos làser o de microones enviats des de la Terra. No es pot descartar tampoc que en un futur llunyà siguin viables altres mètodes de propulsió més exòtics, com els "motors de curvatura" o motors Warp.

Contingut

La necessitat de sistemes de propulsió

Els satèl·lits artificials han de ser llançats per ser posats en òrbita, i una vegada han aconseguit la seva posició estacionària en l'òrbita nominal, necessiten d'alguna forma de control d'actitud perquè es puguin mantenir apuntant una certa posició entre la Terra, el Sol i possiblement alguns objectes astronòmics d'interès. Els satèl·lits no sofreixen en general una resistència aerodinàmica apreciable, si bé en les òrbites més baixes encara persisteix una enrarida atmosfera romanent. Per aquest motiu poden romandre en òrbita durant llargs períodes de temps amb només una petita quantitat de propelente, utilitzat tant per propulsarse com per realitzar petites correccions. Molts satèl·lits necessiten ocasionalment moure's d'unes òrbites a unes altres i precisen per tant d'una certa quantitat de propelente. Quan aquest tipus de satèl·lits han esgotat la seva capacitat per fer aquestes operacions, es diu que la seva vida útil s'ha esgotat.

Durant la fase de llançament totes les naus espacials empren coets de propelente químic, bé en estat líquid (propelente i oxidant separats), o ben sòlid (propelente i oxidant barrejats). Encara que per a òrbites baixes i càrregues mitjanes i petites existeixen alguns dissenys recents, tals com el coet Pegàs o la nau SpaceShipOne), que durant la primera fase del llançament, aprofiten la sustentació aerodinàmica i l'oxigen present en l'atmosfera per a la combustió, evitant així haver de carregar amb ell en el propi coet, reduint els costos.

Les naus espacials que realitzen viatges interplanetaris han de recórrer llargues distàncies. Per aquesta raó, a més del llançament requerit per abandonar l'atmosfera de la Terra (com en el cas dels satèl·lits) necessiten un segon sistema de propulsió per viatjar per l'espai o, almenys, per poder corregir la seva trajectòria. Les naus interplanetàries realitzen aquestes correccions mitjançant petites propulsions de curta durada, mentre que generalment, el seu desplaçament principal es basa únicament en el seu impuls inicial i simplement tenen un comportament de caiguda lliure a través de la seva òrbita.

La forma més simple i eficient per canviar d'una òrbita a una altra des del punt de vista de consum de propelente es denomina Transferència d'Hohmann: la nau espacial comença en una òrbita circular al voltant del Sol, i durant un curt període de temps efectua un impuls en l'adreça de moviment de la nau, tangent a la seva trajectòria. D'aquesta forma la nau accelera o decelera, passant a adoptar una òrbita el·líptica al voltant del Sol, que és tangent a l'òrbita prèvia. La nau espacial així propulsada cau lliurement en aquesta òrbita fins que aconsegueix la seva destinació. Quan les naus s'apropen a un planeta amb atmosfera, es pot recórrer al aerofrenado que de vegades s'empra per a l'ajust final de l'òrbita.[cita requerida]

Concepció artística del funcionament i disposició d'una vela solar.

Altres mètodes de propulsió, tals com les veles solars, proporcionen un va imposar reduït però constant:.[1] una nau amb un sistema de propulsió d'aquestes caracteríticas podria ser capaç de viatjar llargues distàncies interplanetàries utilitzant un propelante inesgotable com la rradiación solar. Aquestes naus seguirien una trajectòria diferent a la definida per la transferència orbital d'Hohmann, ja que poden ser permanentment empeses radialment des del Sol cap a l'exterior del sistema solar.

Les naus espacials que pretenguin realitzar viatges interestel·lars necessitaran mètodes de propulsió més eficients, doncs donada la magnitud de les distàncies interestel·lars, es necessitarà d'una gran velocitat per recórrer-les en un interval de temps raonable fins a arribar a la destinació. Adquirir aquestes velocitats és un repte tecnològic avui dia.

Efectivitat dels sistemes de propulsió

La massa de la Terra genera un pou gravitatori: perquè un cos pugui escapar d'aquesta força gravitatòria ha d'aconseguir una velocitat superior als 11,2 km/s. Aquesta velocitat es denomina velocitat de fuita. Si la nau és tripulada, la seva acceleració no hauria de diferir molt del valor d'1 g (9,8 m/s²), doncs és l'acceleració a la qual el cos humà està acostumat. Si bé s'han descrit casos de persones capaces de suportar acceleracions fins als 15 g, quan se sotmet al cos a períodes perllongats de caiguda lliure es produeixen nàusees, debilitat muscular, reducció del sentit del sabor, falta d'assimilació del calci, i altres símptomes.[cita requerida]

Cinemàtica de la propulsió

Una nau espacial modifica la seva velocitat v mitjançant el seu sistema propulsor. A causa de la inèrcia, quanta més massa posseeixi la nau, més difícil serà accelerar-la. Per això se sol parlar del moment d'una nau, i per quantificar el canvi de moment es parla de impuls. D'aquesta forma, l'objectiu de la propulsió en l'espai és crear impuls. Quan la nau espacial és llançada des de la Terra, el mètode de propulsió emprat haurà de superar la força gravitacional per obtenir una acceleració neta positiva. Posar-se en òrbita consisteix a aconseguir una velocitat tangencial tal que generi una força centrípeta suficient per compensar l'efecte del camp gravitatori de la Terra.

La raó de canvi de la velocitat es denomina acceleració, i la raó de canvi de moment es denomina força. D'aquesta forma, per aconseguir una certa velocitat, es pot imprimir una petita acceleració durant un període llarg de temps, o pot imprimir-se una gran acceleració durant un període curt de temps. De forma similar, es pot aconseguir un mateix impuls amb una gran força aplicada durant un curt període de temps, o amb una força menor però aplicada més temps. Segons les lleis de conservació del moment, per accelerar un cos en el buit part de la seva massa haurà de desplaçar-se en sentit oposat a la resta. Aquesta massa que es desplaça en sentit oposat és el propelente, i la seva massa es denomina "massa de reacció".

Requeriments de la propulsió a raig

Per aconseguir que un coet funcioni són necessàries dues coses:

L'impuls proporcionat en expulsar una partícula de massa reactiva, si aquesta posseeix una massa de m a una velocitat v, és igual a m·v. Però aquesta partícula s'expulsa amb una energia cinètica igual a m·v2/2, que ha de procedir d'alguna part. En un coet de combustible sòlid, líquid, o híbrid, el propuslsante ha de cremar-se, proporcionant energia, i els productes de la reacció es permet que flueixin cap a l'exterior per la part posterior de la nau espacial, proporcionant massa reactiva. En un propulsor iònic, s'empra l'electricitat per accelerar els ions i expulsar-los. Existeixen altres dispositius que proporcionen energia electrica com els panells solars o un reactor nuclear), mentre que els ionés són els encarregats de proporcionar la massa reactiva.

Paràmetres de l'eficiència de la propulsió

Quan s'esmenta l'eficiència d'un sistema de propulsió a raig, els dissenyadors sovint se centren en l'ocupació adequada de la massa reactiva. La massa reactiva ha de portar-se necessàriament en el coet i ha de ser consumida irreversiblement en ser usada. Una forma de mesurar la quantitat d'impuls que és possible obtenir d'una quantitat donada de massa reactiva és el que es denomina el impuls específic, cridant així a la quantitat d'impuls per unitat de pes a la Terra (es designa típicament com Isp). La unitat per a aquest valor és segons. Com l'impuls específic es mesura amb relació de pes a la terra, sovint no és important quan es parla de vehicles en l'espai, per aquesta raó es parla de vegades d'impuls específic en termes d'unitats de massa. Aquesta forma alternativa de mesurar l'impuls específic emprant unitats de massa (kg) fa que tingui unitats de velocitat (m/s), i en realitat és igual a la velocitat de les particulas (velocitat d'evacuació) del motor coet (Denominat de forma típica com vi). Resulta confús que ambdós conceptes d'impuls específic es denominin de forma similar. Encara que els dos valors difereixen en un factor igual a la g, l'acceleració de la gravetat sobre la superfície terrestre (Ispg = vi).

Un coet amb una velocitat d'evacuació alta pot aconseguir el mateix impuls emprant una massa de reacció menor. Per tant l'energia requerida per impulsar és proporcional al quadrat de la velocitat d'evacuació de la massa reactiva, d'aquesta forma es necessita imprimir molta energia a la massa reactiva. Això és un problema si és un requeriment que el motor proporcioni una gran quantitat d'embranzida. Per generar una gran quantitat d'impuls per segon, s'ha d'emprar una gran quantitat d'energia per segon. D'aquesta forma un motor altament eficient requereix grans quantitats d'energia per proporcionar grans quantitats d'embranzida. Com a resultat, la majoria dels motors es dissenyen per proporcionar baixos nivells d'embranzida.

Càlculs de la propulsió a raig

Cremant el propelente d'un coet d'una nau espacial és la millor forma de produir un canvi net de velocitat en l'espai; a aquesta variació la denominem 'delta-v'. La variació total de velocitat la representem com Δv d'un vehicle i representa una de les incògnites a resoldre quan s'empra l'equació cinemàtica d'un coet, on M és la massa de combustible (o de propelente), P és la massa de la [[càrrega útil] (incloent la massa estrucural del coet), i vi és la velocitat d'evacuació de propelente per la tovera. Tot aquests paràmetres formen part de la Equació de Tsiolkovsky:

\Delta V = -v_i \ln \left(\frac{M+P}{P}\right)

Per raons històriques, la velocitat vi s'escriu sovint com

v_i = I_{sp} g_{o}\,

on Isp és el impuls específic del coet, mesurat en segons, i go és l'acceleració gravitatòria en la superfície terrestre. Per a un viatge de llargues distàncies la majoria de la massa de la nau espacial és massa reactiva. A causa que és necessari que la massa reactiva proporcioni un augment de velocitat a la massa de la càrrega útil. Si s'hagués de proporcionar a una càrrega útil de massa P un canvi de velocitat de Δv, i el motor del coet tingués una velocitat d'evacuació vi, llavors la massa M reactiva seria calculada mitjançant l'equació de Tsiolkovsky mitjançant Isp

M = P \left(i^{\Delta v/v_i}-1\right)

Para Δv més petita que la vi, aquesta equació és lineal, i pot veure's que n'hi ha prou amb emprar una petita massa reactiva. Si Δv és comparable amb vi, llavors existeix la necessitat que es necessiti aproximadament el doble de massa de propelante que de càrrega útil (el que inclou motors, tancs de combustible, estructura, i altra). Després d'aquestes característiques el creixement és exponencial; les velocitats més altes que la velocitat d'evacuació requereixen molt alts ràtios de massa de propelante pel que fa a la càrrega de pagament (càrrega útil). Per poder aconseguir això, alguna quantitat d'energia ha d'anar per poder accelerar la massa reactiva. A més convé suposar que mai els motors (Per regles termodinàmicas) són 100% eficients, alliberen energia sense utilitzar, però si s'assumeix un 100% d'eficiència es necessitaria una energia de

\begin{matrix} \frac{1}{2} \end{matrix} Mv_i^2

Comparant amb l'equació de coets (que mostra quanta energia necessita un vehicle) i l'equació energètica (que mostra l'energia total requerida) es pot comprovar que sota la suposició d'un 100% d'eficiència en el motor, no tota l'energia proporcionada acaba en el vehicle - si alguna d'ella, de fet la major part d'ella, acaba sent energia cinètica de la massa evacuada. Per a una missió, per exemple, de llançament i planetizaje (Aterrar a un altre planeta) és necessari tenir en compte que cal superar les forces de gravetat (són resistents a l'enlairament, i provoquen un augment del propelnte necessari). És típic considerar aquestes caractersísticas i moltes altres per poder aconseguir un correcte delta-v efectiu en la missió. Per exemple, quan es llança una nau a una missió d'òrbita baixa es requereix una delta-v de 9.3-10 km/s, aquest valor forma part dels nombre integrats dels computadors d'abordo.

Per exemple, si que vol manar 10.000 kg a Mart. La Δv requerida per aconseguir una òrbita baixa (igl. Low Iarth Orbit o LEO) és d'aproximadament 3000 m/s, emprant una òrbita de transferència d'Hohmann. Si hi hagués necessitat de guiar la nau es necessitaria molt més propelante. Per ajustar l'argument, els coets impulsors empleats avui dia poden ser:

Motor Velocitat efectiva d'evacación
(m/s) 		Impuls específic
(s) 		Massa de Propelente
(kg) 		Energia requerida
(GJ) 		Energia per kg
de propelente 		Mínima potència
per N d'embranzida
Coet de combustible sòlid
1,000 100 190,000 95 500 kJ 0.5 kW
Coet bipropelente
5,000 500 8,200 103 12.6 MJ 2.5 kW
Propulsor iònic 50,000 5,000 620 775 1.25 GJ 25 kW

S'ha d'observar que quan s'és més eficient en el consum de combustible els motors poden necessitar menys pes de propelante per a les mateixes funcions; aquesta massa és gairebé menyspreable (en relació amb la massa de càrrega útil) para alguns dels motors. No obstant això, és de notar que és requerida una gran quantitat d'energia.

Mètodes de propulsió a raig

Els mètodes de propulsió poden classificar-se mitjançant la forma d'accelerar la massa reactiva. Existint alguns mètodes especials per als llançaments, arribades a planetes i planetizajes ("aterratge" en altres planetes).

Motors coet

Article principal: Motor coet
Test d'un motor coet "frio" (apagat)de la NASA

La majoria dels motors coet són motors de combustió interna motors de calor (hagut d'en part al protagonisme que pren la combustió). El motor d'un coet generalment produeix altes temperatures en la massa reactiva, produint un gas calent. Aquest es produeix mitjançant el cremat d'un combustible sòlid, líquid o gasós amb un oxidant en una cambra de combustió. Al gas extremadament calent se li permet escapar a través d'una obertura capaç de fer expandir el gas a un alt ràtio, l'obertura es denomina: tovera. Aquesta tovera amb forma de campana li proporció al coet una forma característica. L'efecte de la tovera provoca una acceleració dramàtica de les partícules fent que l'energia tèrmica es converteixi en energia cinètica. Les velocitats d'evacuació de gasos a nivell de pressió normal poden arribar a superar fàcilment gairebé 10 vegades la velocitat del so.

Els coets que emeten plasma poden potencialment transportar reaccions dins d'una ampolla magnètica i llançar el plasma via una tovera magnètica, de tal forma que no hi hagi contacte material amb el plasma. Per descomptat la màquina que faci això és complexa, però les investigacions en fusió nuclear han desenvolupat mètodes, alguns dels quals han estat usats en sistemes especulatius de propulsió a raig.

Vegeu motor coet per a una llista dels diferents tipus de motors coets emprats en la indústria aeroespacial així com els diferents formes de la cambra de combustió, incloent els químics, elèctrics, solar, i nuclear.

Reactors per al llançament

Article principal: Reactors

Els estudis mostren que els motors a reacció, tals com els ramjets o els turbojets són generalment massa pesats (la raó empenyi/pes és baixa) per a qualsevol desenvolupament d'operciones de llançament, per aquesta raó se solen llançar des d'altres naus ja en vol. Els sistemes de llançament poden ser llançament aeri des d'un avió (com per exemple des d'una B-29, Pegasus i White Knight) on fan ús dels seus sistemes de propulsió.

D'altra banda, existeixen els Aeroreactores que són motors lleugers que tenen l'avantatge de prendre aire durant la fase d'ascens:

Els coets normalment es llancen des d'una posició gairebé vertical i volen durant una desena de quilòmetres abans d'arribar a la seva òrbita; aquest inicial llançament vertical consumeix molt propelante però és òptim des del punt de vista de resistència aerodinàmica. Els aeroreactores cremen propelante més eficientment i permeten emprar una trajectòria més tangencial, els vehicles típicament volen tangencialmente a la superfície terra fins que abandonen l'atmosfera terrestre, en aquest instant desenvolupen un segon coet delta-v que enllaça aquest estat amb l'òrbita.

Acceleració de la massa reactiva per electromagetismo

Motor de prova que accelera ions emprant forces electromagnètics.

En lloc de sotmetre a un líquid a altes temperatures i a la dinàmica de fluids per accelerar la massa reactiva a altes velocitats, existeixen una varietat de mètodes que empren les forces del camp electrostàtic o electromagnètic per accelerar la massa reactiva. Generalment en aquest tipus de motors la massa reactiva és un corrent de ionés. Tals motors necessiten d'una font d'energia potent per poder funcionar, i unes altes velocitats d'evacuació requereixen altes quantitats d'energia.

Per a algunes missions la energia solar pot ser suficient, i és emprada molt sovint, però per a unes altres es requereix una font d'energia nuclear; els motors que empren l'energia d'una font nuclear es denominen coets d'electricitat nuclear. Amb la capacitat actual de generació d'electricitat, bé sigui químicament, nuclear o solar es té una limitació d'embranzida amb aquest tipus de propulsió.

Alguns mètodes electromagnètics:

Sistemes sense massa reactiva transportada en el coet

Estudio de la NASA sobre una vela solar. La vés-la pordría tenir una magnitud de mig quilòmetre.

La llei de la conservació de moment estableix que qualsevol motor que no empri massa reactiva, no pot moure el seu centre de gravetat (canviar l'orientació és no obstant això possible). No obstant això l'espai no està buit, especialment a l'àrea del Sistema Solar, on pugues haver-hi camps magnètics, el vent i la radiacción solar. Molts sistemes de propulsió intenten dissenyar-se de tal forma que s'aprofitin d'aquestes característiques. A causa de la característica difusa d'aquests fenòmens en el sistema solar, els motors que aprofiten aquestes fonts d'energia necessiten d'unes estructures de grandària considerable. Els motors d'aquestes característiques no necessiten (o en qualsevol cas empren una quantitat molt petita) de massa reactiva:

Per canviar l'orientació de la nau espacial en l'espai no existeix no obstant això tal restricció, la llei de conservació de moment angular no imposa restriccions, molts satèl·lits empelan un volant d'inèrcia per controlar l'orientació del satèl·lit. Aquest mètode no és l'únic per controlar l'actitud del mateix, es poden emprar sistemes que aprofitin el vent solar o les forces magnètiques per fer la mateixa funció, alguns d'aquests sistemes poden dissenyar-se de tal forma que poden servir com a sistema secundari.

Referències

  1. ↑ Solar Sailing Facts- What We Do | The Planetary Society
  2. ↑ "The Sabre Engine." Reaction Engines Limited. 5 Nov 2006..
  3. ↑ Harada, Kenya et al. DEVELOPMENT STUDY ON PRECOOLER FOR ATREX ENGINE. Institute of Space and Astronautical Science: Propulsion System Laboratory. 5 Nov 2006.
  4. ↑ National Aeronautics and Space Administration. "NASA calls on industry, acadèmia for in-space propulsion innovations." Realitzat el 24 d'Octubre 2002.

Enllaços externs

Obtingut de «http://ca.wikilingue.com/es/Propulsi%C3%B3_espacial»