Aeronaves y Vehículos Espaciales

Aeronaves y Vehículos Espaciales
Tema 7 – Descripción General de los Vehículos Espaciales
Sergio Esteban Roncero
Francisco Gavilán Jiménez
Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Curso 2009-2010
Aeronaves y Vehículos Espaciales
1
Outline
„
„
„
Introducción
El entorno espacial
Subsistemas de un vehículo espacial
Aeronaves y Vehículos Espaciales
2
Introducción
„
„
Los vehículos espaciales se diseñan para cumplir misiones especificas
muy concretas, de ahí que la variedad de vehículos existentes sea tan
amplia.
Las misiones espaciales:
„
„
„
simples como poner en órbita un microsatélite
complejas como enviar seres humanos a la Luna o sondas al Sol.
El Programa Espacial es muy amplio y se divide en “Segmentos”
„
Segmento Espacial:
„
„
„
Segmento de Tierra:
„
„
„
Carga útil.
Plataforma.
Red de estaciones terrenas.
Centro de control de operaciones.
Segmento Lanzador:
„
„
Centro de lanzamiento.
Vehículo lanzador.
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3
Segmento Espacial
„
Carga útil
„
„
„
„
„
Satélites: telecomunicaciones, observación espacial,
observación terrestre, localización, …
Estaciones orbitales: Salyut, MIR, Skylab, ISS
Sondas interplanetarias
Módulos de descenso
Plataforma:
„
Contiene los elementos de ingeniería que garantizan el
correcto funcionamiento de la carga útil
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Satélites Artificiales
„
Un satélite artificial es un satélite creado y puesto en órbita por el ser humano.
„
„
„
„
Satélites de telecomunicaciones: estos satélites se utilizan para transmitir información de
un punto a otro de la Tierra, en particular, comunicaciones telefónicas, datos o programas
televisados.
Satélites de observación terrestre: estos satélites observan la Tierra, con un objetivo
científico o militar. El espectro de observación es extenso: óptico, radar, infrarrojo, ultravioleta,
escucha de señales radioeléctricas.
Satélites de observación espacial: estos satélites observan el espacio con un objetivo
científico. Se trata en realidad de telescopios en órbita. En estos satélites el espectro de
observación también es amplio. El telescopio espacial Hubble es un satélite de observación
espacial.
Satélites de localización: estos satélites permiten conocer la posición de objetos a la
superficie de la Tierra. Por ejemplo, el sistema americano GPS, el sistema ruso GLONASS o el
futuro sistema europeo Galileo.
Hubble
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5
Seg. Espacial - Estación Espacial
„
Una estación espacial es una estructura artificial diseñada para ser
habitada en el espacio exterior, con muy diversos fines. Se distingue de
otra nave espacial tripulada por su carencia de propulsión principal, en
lugar de eso, otros vehículos son utilizados como transporte desde y
hacia la estación; y por su carencia de medios de aterrizaje.
Salyut
„
„
„
„
Salyut 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7…(1971-1982)
Skylab (1973-1979)
MIR (1986-2001)
Estación Espacial Internacional ISS (1998-)
Skylab
MIR
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ISS
6
Sonda Espacial
„
„
Sonda espacial: dispositivo que se envía al espacio con el
fin de estudiar cuerpos de nuestro Sistema Solar como
plantetas, satélites, asteroides o cometas.
Exploracion Lunar
„
„
„
„
Programa Ranger (EEUU)
Lunokhod (URSS 1973): robot lunar teledirigido
Apolo (EEUU)
Exploración Marte
„
„
„
„
„
„
„
„
Mariner (EEUU 1960-1969)
Marsnik (URSS 1970/1973)
Vikings (EEUU 1970-1079)
Mars Polar Lander (EEUU 1999) - unidades
Mars Climate Orbiter (EEUU 1999) – aterrizaje
Mars Observer (EEUU 1992) – perdida contacto
Mars Global Surveyor (EEUU 1997)
Mars Express (ESA)
„
„
„
„
Giotto
Mars Pathfinder
Huygens
Mars Express Orbiter
Beagle 2 (Desaparecida)
Mars Pathfinder
Exploració Exterior
„
„
„
„
„
„
„
„
„
Pioneer (EEUU 1958-1978): Jupiter, Saturno, Venus
Zond (URSS 1964-1970) Luna, Venus Marte
Venera (URSS 1961-1983): Venus
Voyager: (EEUU): Jupiter, Saturno, Urano, Neptuno
Rosetta: 2004: cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko
Giotto: estudió el cometa Halley.
Huygens: Estudio atmosfera Titan
Stardust (EEUU 2006): polvo cósmico
Hayabusa (Japon 2005): estudio asteroide Itokawa
Voyager 1
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Módulos de descenso
Apolo Command Module
Lunar Earth Module
Soyuz
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Segmento de Tierra
„
Red de estaciones terrenas:
„
Tiene la misión de:
„
„
Transmitir instrucciones (telecomandos) al vehículo
Recibir datos (telemedidas)
„
„
„
tanto de la carga útil como de la plataforma
Realizar las medidas de seguimiento o rastreo que conduzcan
al conocimiento de la trayectoria real del vehículo
(determinación de la órbita).
Centro de control de operaciones
„
Tiene la misión de:
„
„
„
„
Supervisar y controlar al vehículo en tiempo real
Determinar y predecir su órbita y su actitud.
Planificar las operaciones futuras.
Analizan los datos recibidos.
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Mission Control Center
JSC Flight Control Room
Russian ISS Flight Control Room
-
Beijing Aerospace Command and Control Center (Beijing)
ATV Control Centre (Toulouse)
European Space Operations Centre (Darmstadt)
Columbus Control Center (Columbus Module)
Space Shuttle Mission
Control Center
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Estaciones de seguimiento
„
Madrid Deep Space Communications Complex:
„
„
Goldstone Deep Space Communications Complex
„
„
Robledo de Chavela en Robledo de Chavela (cerca de Madrid), España
Barstow, California
Canberra Deep Space Communications Complex
„
Canberra, Australia
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Segmento Lanzador
„
Centro de lanzamiento.
„
„
„
El objetivo de este segmento es, obviamente, inyectar el
vehículo espacial en la órbita correspondiente.
Los gastos del segmento lanzador representan una parte
muy importante del coste total del programa espacial, por lo
que las agencias de lanzadores favorecen los lanzamientos
múltiples, ofreciendo así un mejor precio en un mercado
altamente competitivo.
Vehículo lanzador:
„
„
„
Americanos: Scout, Atlas, Delta y Shuttle,
Europeos la familia europea Ariane,
Larga Marcha chino, japonés NII y el ruso Proton
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Centros de Control y Bases de Lanzamiento - I
Guiana Space Centre
Johnson Space Center
Tanegashima Space Center
Kennedy Space Center
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Lanzadores - I
Saturn V
CZ-2F
Pegasus
Delta
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Lanzadores - II
Saturn V, Space Shuttle, Ares I, Ares V
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Lanzadores - III
Space Shuttle External Tank
Space Shuttle y Solid Rocket Booster
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Lanzadores - IV
Buran y lanzador Energia
Transbordador Espacial y SRB y ET
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Sapace Shuttle - I
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Sapace Shuttle - II
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¿Futuros Lanzadores?
Lunar Surface Access Module
X-33
Kliper
X-38
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20
Entorno Espacial
„
„
El entorno espacial hace que el diseño y la
construcción de los vehículos espaciales sea muy
diferente de aquellos vehículos que tienen que operar
en la tierra.
El entorno espacial tiene unas características muy
distintivas:
„
„
„
„
„
„
Vacío espacial
Entorno térmico
Radiación Espacial
Microgravedad
Micrometeoritos
Restos espaciales
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21
Vacío espacial - I
„
Vacío Total:
„
„
„
„
Determinante en el diseño de vehículos espaciales.
Muchos materiales modifican su masa y/o sus propiedades
debido a que los gases (típicamente vapor de agua) adsorbidos
en capas exteriores son liberados (desgasificación,
“outgassing”).
El vapor liberado puede condensar en instrumentos ópticos
muy delicados afectando las medidas.
La liberación de oxígeno en ciertos materiales (p.ej. acero
inoxidable)
„
„
puede provocar abrasión, descamación o incluso soldadura entre
partes móviles.
Solución: cuidadosa selección de materiales y lubricantes;
„
si es necesario emplear materiales problemáticos, prepararlos
previamente con calentamientos al vacío (“baking out”).
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22
Vacío espacial - II
„
Vacío Parcial
„
„
En órbita cercana a la tierra (LEO=Low Earth Orbit=OBT,
<1000km de altura) existe una atmósfera residual que
interactuará de forma significativa con el vehículo.
Dicha atmósfera residual puede modificar la órbita del vehículo
(“orbit decay”) por efectos de rozamiento.
„
„
¡Oxidación! (en LEO los flujos de O2 son del orden de 1014
partículas/cm2/s).
„
„
Necesidad del uso de sistemas propulsivos para mantener la altura
Los materiales vulnerables pueden ser fácilmente destruidos con
relativa rapidez.
Ionización de gases en vacío parcial:
„
„
Puede provocar arcos y afectar el equipo electrónico.
Efectos similares en la atmósfera de Marte.
Aeronaves y Vehículos Espaciales
23
Entorno Térmico
„
El vacío espacial sólo permite un único tipo de transporte de
energía desde o hacia el vehículo: la radiación térmica.
„
„
Los vehículos espaciales están sometidos a cargas térmicas
extremas y muy variadas.
Las temperaturas de la fuente (el Sol) y el sumidero (el espacio
profundo) para la transferencia de calor por radiación son extremas:
5780 K y 3 K respectivamente.
„
„
„
„
„
El único mecanismo posible de transporte en el espacio es la
radiación (solar, planetaria, y del vehículo).
Al balance de energía hay que añadir la generación interna de
calor por parte del vehículo.
El vehículo tiene que ser diseñado teniendo en cuenta los
gradientes térmicos entre sus diferentes partes.
„
„
P. ej. una porción térmicamente aislada de un vehículo puede
experimentar variaciones entre 200K y 350K.
Una forma de evitar los extremos puede ser rotar lentamente respecto al
sol.
Cuidadosa selección de materiales para evitar fallos por la fatiga
debida a ciclos térmicos, sistemas de control.
Máximas cargas durante reentrada.
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24
Radiación Espacial - I
„
En el entorno espacial un vehículo está expuesto a radiación:
„
La radiación electromagnética:
„
„
El Sol
Cinturones de Van Allen
„
„
„
„
El viento solar
„
„
Flujo de electrones y protones que nos llegan desde el sol bajo la forma de viento
solar
Cinturón interior: 1000-5000 km
Cinturón exterior: 15000-20000km
Plasma formado por electrones e iones, que escapan de la atmósfera solar
debido a las altas temperaturas de su corona.
La radiación cósmica
„
núcleos pesados de alta velocidad y partículas α procedente del espacio
interestelar.
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25
Radiación Espacial - II
•
•
Peligrosos para equipos electrónicos, recubrimientos y para la
tripulación.
Es imposible garantizar al 100% que no habrá fallos del tipo “singleevent upset” o incluso destrucción de dispositivos semiconductores
expuestos a altas radiaciones (especialmente rayos cósmicos o en los
cinturones de Van Allen).
•
„
Se puede reducir la tasa de errores (con apantallamiento; estándar: 10-10
errores/día).
En órbitas bajas (altitud inferior a 1000 km) la radiación no es un
requisito de diseño importante:
„
gracias al campo magnético de la Tierra, se evitan la mayoría de las partículas
cargadas que llegan del Sol o de la galaxia.
Aeronaves y Vehículos Espaciales
26
Microgravedad - I
„
Un vehículo espacial puede experimentar entre 10-3 y 10-11 g, debido a:
„
„
la gravedad de la tierra
variedad de efectos perturbadores:
„
„
„
„
presión solar
rozamiento aerodinámico
Estos efectos pueden ser eliminados mediante control, si son de baja frecuencia.
Gradientes gravitatorios:
„
la atracción gravitatoria es más fuerte en la parte del vehículo más cercana
a la Tierra.
„
De importancia en grandes vehículos y en estructuras flexibles.
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27
Microgravedad - II
„
„
Beneficios: uso de estructuras ligeras.
Complica muchos procesos en los que intervienen gases o líquidos:
fluidos
„
se requiere convección forzada, sistemas de vaciado.
„
„
Asimismo afecta de forma muy negativa a los seres humanos:
„
„
„
„
„
Servicios o duchas para vuelos tripulados
síndrome de adaptación espacial,
alteraciones cardiovasculares,
descalcificación ósea,
atrofia muscular, etc.
La experimentación en condiciones de gravedad reducida es una de
las actividades más comunes en las plataformas orbitales.
„
Esta actividad (fundamentalmente científica) se desarrolla mediante la
realización de experimentos tanto en el campo de las ciencias físicas
como en el de las ciencias de la vida.
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28
Micrometeoritos y Basura Espacial
„
Micrometeoritos:
„
„
Pequeños objetos flotando en el espacio (milesimas de milimetro de
diámetro).
Representan un peligro menor excepto en circunstancias especiales.
„
„
„
Normalmente, bastan 0.5mm de espesor de aluminio para detenerlos.
En algunos casos se han diseñado escudos “parachoques” (p. ej. la sonda
Giotto).
Basura espacial:
„
un peligro creciente, especialmente en LEO. Se estiman más de 100.000
objetos de más de 1cm. de radio
Aeronaves y Vehículos Espaciales
29
Basura Espacial - I
Basura Espacial
Objetos mayores de 4 pulgadas
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Basura Espacial - II
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Basura Espacial - III
Aeronaves y Vehículos Espaciales
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Basura Espacial - III
Aeronaves y Vehículos Espaciales
33
Basura Espacial - III
Aeronaves y Vehículos Espaciales
34
Basura Espacial - III
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35
Subsistemas de un Vehículo Espacial
„
La plataforma espacial se divide en una serie
de elementos funcionales o subsistemas:
„
„
„
„
„
„
„
Estructura y mecanismos
Control de actitud y de órbita
Propulsión
Energía
Control térmico
Control ambiental
Telemedida, telemando y gestión de datos
Aeronaves y Vehículos Espaciales
36
Estructura y Mecanismos
„
Debe soportar todos los equipos y aguanta todas las
cargas mecánicas producidas por:
„
„
Las aceleraciones y vibraciones del vehículo lanzador
Cargas generadas en el propio satélite:
„
„
„
„
„
maniobras, despliegues de antenas y paneles, actuación de
dispositivos pirotécnicos
Cargas producidas en las operaciones de transporte por
superficie hasta el lugar de lanzamiento.
Solicitaciones térmicas: afectan a la precisión de apuntado
de antenas y sensores
Ligera (aluminio, berilio o materiales compuestos)
Masa entre el 5 y el 20% de la masa de lanzamiento.
Aeronaves y Vehículos Espaciales
37
Control de actitud y de órbita
„
Proceso de orientación del satélite en una dirección determinada.
„
„
„
estabilización en actitud (mantenimiento de la orientación existente)
maniobras de control (que cambian la orientación del satélite de una
actitud a otra).
Este subsistema incluye
„
Sensores, para la estimación de la orientación del satélite
„
Referencias ópticas a los cuerpos celestes
„
„
„
Sol, el horizonte terrestre, la Luna y las estrellas.
Referencias giroscópicas Inerciales.
Actuadores para la realización de las maniobras.
„
Los satelites están orbitando y no se apoyan en ningún soporte mecánico:
„
„
intercambio de momento cinético entre distintas partes del vehículo
„
las ruedas de reacción o los volantes de inercia
Impulsores: aplicación de momentos respecto al centro de masas mediante la
acción de impulsores (thrusters).
Aeronaves y Vehículos Espaciales
38
Propulsión
„
Necesidades de la ejecución de maniobras:
„
Cambios de órbita
„
Requieren grandes impulsos (empujes del orden de 70 kN)
„
„
Motores de combustible sólido
Cambios de actitud
„
Requieren impulsos muy pequeños (del orden de 1 N)
„
Motores de combustible líquido monopropulsante (generalmente hidracina).
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39
Energía
„
„
Subsistema encargado de generar, almacenar, distribuir
y controlar la energía eléctrica necesaria para la
operación de los equipos del vehículo espacial.
Métodos empleados:
„
Células solares fotovoltaicas - Eléctricos
„
„
„
Sistemas termoeléctricos - Nucleares:
„
„
„
Energía generada por fisión nuclear.
Misiones de exploración del espacio lejano en las que la
energía solar es débil.
Baterías electroquímicas: Ni-Cd, Ni-H, etc.
„
„
Cristales de silicio, ensambladas en paneles solares de gran
superficie (potencias menores a 25 kW)
Ciclos termodinámicos para potencias mayores a 25 kW
Se cargan cuando el Sol ilumina los paneles y se descargan en
los periodos de eclipse.
Consumo de energía por parte de los vehículos
espaciales:
„
„
„
„
microsatélites del orden de 100 W (como una bombilla),
grandes satélites en torno a 1000 W (como un
electrodoméstico)
estación espacial del orden de 75 kW (como un
automóvil)
Grandes aviones 100 MW.
Aeronaves y Vehículos Espaciales
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Control térmico
Mantener la temperatura del vehículo y la de los equipos
de a bordo dentro de sus límites de operación, en todas
las fases de la misión.
Las actuaciones y la fiabilidad de los equipos dependen
críticamente de la temperatura de operación:
„
„
Necesario mantenerla dentro de los límites especificados.
„
„
„
„
Vehículos pequeños se consigue mediante el recubrimiento o
el acabado superficial de los elementos.
Vehículos grandes y plataformas espaciales se requiere
además cambiadores de calor, refrigeradores, etc..
„
„
„
„
„
baterías los límites son -5oC y 20oC,
propulsantes 5oC y 40oC,
electrónica en general -20oC y 70oC, etc.
Control térmico para descensos:
Planeta con atmósfera que debe proteger del excesivo
calentamiento aerodinámico.
Descenso balístico se usan materiales absorbentes de
energía
„
„
Gran calor específico y alta temperatura de fusión.
Materiales ablativos.
Descenso en planeo
„
„
recubrimientos muy emisivos de muy alta temperatura
de trabajo y muy baja conductividad térmica (losetas
refractarias del Space Shuttle).
Aeronaves y Vehículos Espaciales
41
Subsistemas
„
Control ambiental
„
„
Necesario en vuelos tripulados y estaciones espaciales.
Generar un entorno habitable para los astronautas:
„
Control de la atmósfera interior
„
„
Creación de agua potable
„
„
„
„
„
temperatura, presión, concentración de oxígeno, humedad, olores.
humedad del ambiente y de la orina de los tripulantes.
Control de las instalaciones higiénico-sanitarias
Control de alimentos y desperdicios.
Detección y extinción de incendios.
Telemedida, telemando y gestión de datos
„
Mantener el contacto con el segmento de tierra de la misión espacial:
„
„
„
„
enlace ascendente (uplink)
Enlace descendente (downlink)
Se encarga de las comunicaciones entre el vehículo espacial y las estaciones de
tierra.
Gestión de datos:
„
„
Descodificar y distribuir la información enviada desde tierra y,
Recoger y codificar la información generada en el vehículo que deba enviarse a tierra.
Aeronaves y Vehículos Espaciales
42
Sistema Solar
Aeronaves y Vehículos Espaciales
43
Sistema Solar - I
„
„
Todos los planetas, sus satélites y los asteroides, orbitan el sol
aproximadamente en el mismo plano, llamado plano de la
eclíptica (porque es donde se producen eclipses).
Sus órbitas son aproximadamente circulares.
„
„
Los planetas rotan con un eje casi perpendicular al de la
eclíptica en el sentido contrario de las agujas del reloj.
„
„
La única excepción es el planeta enano Plutón que tiene una órbita
más elíptica y de una inclinación apreciable (17 grados).
La única excepción es Urano que rota “de lado” (se presupone que
a causa de una gran colisión).
Distancias:
1 AU
= 1 Unidad Astronómica
= Distancia media Tierra-Sol
= aprox. 149.600.000 km
Aeronaves y Vehículos Espaciales
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Sistema Solar - II
Aeronaves y Vehículos Espaciales
45
Sistema Solar - III
„
Otras unidades: basadas en la velocidad de la luz.
1 seg. luz =
=
1 año luz =
=
„
„
„
distancia recorrida por la luz en 1s
aprox. 299.800 km
aprox. 9.461.000.000.000 km
aprox. 63.000 AU
La estrella más cercana (Proxima Centauri) se encuentra a 4.2
años-luz (se tardaría 76.000 años en llegar con nuestros
cohetes más potentes).
Otra unidad: pársec = 3.261630751 años-luz.
Temperaturas en el Sistema Solar:
Aeronaves y Vehículos Espaciales
46
Aeronaves y Vehículos Espaciales
47
Sistema Solar - IV
Aeronaves y Vehículos Espaciales
48
Sistema Solar - V
Aeronaves y Vehículos Espaciales
49
Sistema Solar - VI
„
El Sol:
„
„
„
Es una estrella de tipo G2 V.
Es la “fuente de energía” principal en el Sistema Solar (un inmenso reactor de fusión).
Su peso es aproximadamente 2x1030 kg.,
„
„
„
„
Rotación con un periodo de 25.4 días sobre un eje girado 7.25 grados respecto a la eclíptica
terrestre.
Intenso campo magnético.
„
„
„
„
333.000 veces la masa de la Tierra
99% de la masa del Sistema Solar.
Manchas solares (en la fotosfera) ocurren en lineas del campo magnético de muy alta intensidad (ciclos
de 11 años).
El sol expulsa material ocasionalmente, causando fluctuaciones en el campo magnético de los
planetas.
El viento solar fluye continuamente en todas direcciones.
El límite de influencia del viento solar define la heliosfera, una burbuja en el seno del medio
interestelar.
Aeronaves y Vehículos Espaciales
50
Sistema Solar - VII
Aeronaves y Vehículos Espaciales
51
Sistema Solar - VIII
„
Planetas “terrestres”:
„
„
„
Mercurio:
„
„
„
„
„
„
Sin atmósfera.
El planeta más pequeño.
Grandes diferencias de temperatura entre el día y la noche.
Posibilidad de hielo.
Visitado por el Mariner 10 en 1974-1975.
Venus:
„
„
„
„
Mercurio, Venus, la Tierra y Marte.
Sólo la Tierra posee campo magnético y cinturones de radiación.
Densa atmósfera de CO2 que impide ver la superficie.
Ampliamente visitado.
La sonda Magallanes permitió crear un mapa de su superficie
mediante técnicas de radar y altimetría.
Marte:
„
„
„
„
„
Atmósfera tenue de CO2.
Contiene hielo en los polos.
Evidencia de canales de agua en su pasado remoto.
El más explorado tras la Tierra y la Luna.
¿Posibilidad de vida?
Aeronaves y Vehículos Espaciales
52
Sistema Solar - IX
„
Planetas “jovianos”:
„
„
„
„
Júpiter:
„
„
„
„
„
„
Tan masivo como el resto de planetas combinados.
Fuerte campo magnético.
Cinturones de intensa radiación.
La Galileo orbitó Júpiter.
Lunas: Io (volcánico), Europa (cubierto de hielo), Ganímedes, Calisto.
Saturno:
„
„
„
„
„
Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.
Joviano = tipo Júpiter, es decir, gigantes gaseosos (hidrógeno, helio) con
(posiblemente) un núcleo sólido.
Todos poseen campos magnéticos significativos, anillos y multitud de
satélites.
Planeta más lejano visible al ojo desnudo.
Sistema complejo de anillos (interesante para la investigación en dinámica
orbital).
Lunas muy interesantes (Titán-más grande que la Luna, Japeto-helado…).
La Cassini orbita Saturno.
Urano y Neptuno:
„
„
„
Descubiertos en 1781 y 1846 respectivamente.
Sólo visitados por la Voyager 2.
Compuestos de roca e hielo bajo la capa de gases.
Aeronaves y Vehículos Espaciales
53
Sistema Solar - X
Aeronaves y Vehículos Espaciales
54
Sistema Solar - XI
Aeronaves y Vehículos Espaciales
55
Bibliografía
„
„
„
„
[Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de
2007.
Wikipedia, http://es.wikipedia.org
NASA, http://www.nasa.gov
The Boeing Company, http://www.boeing.com
Aeronaves y Vehículos Espaciales
56