30045

ENGINYERIA AERONÀUTICA
PROPULSIÓ
ESPACIAL
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30045 Propulsió Espacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 14/05/08
1
Crèdits: 4,5 ( 3 teoria + 1,5 pràctiques)
Tipus: Optativa
Crèdits ECTS: 3,6
Coordinador: Miquel Sureda
Altres Professors: Manuel Martinez Sanchez
Departament: Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial i Aeronàutica de Terrassa
Presentació
Coneixements previs
Elements de Propulsió per Coet, com els continguts en l'assignatura de Propulsió de quart any.
Elements de Mecànica de Fluids compressibles. Elements de dinàmica orbital. Electromagnetisme
bàsic. Conceptes de Teoria Cinètica de Gasos. El curs desenvolupa a partir d'aquests conceptes
bàsics la majoria de les formulacions científiques necessàries per a la comprensió del funcionament
dels propulsors, incloses algunes idees sobre teoria de Plasmes. Per tant no es requereix la dita
teoria com prerequisit.
Camps professionals
Disseny, integració i operació de Satèl·lits. Planificació de missions espacials.
Relació amb altres assignatures
Aquesta assignatura és complementària a la de Coets Químics, i fa el paper d'una de les bases
tecnològiques per a la de Sistemes Espacials. La seva part d'anàlisi de missió se solapa amb parts de
l'assignatura d'Astrodinàmica. Els coneixements sobre materials per a alta temperatura que
s'imparteixen en l'assignatura Materiales Espacials són útils per a alguns dels dissenys que es
discuteixen aquí.
Objectius generals
Familiaritzar l'alumne amb els diversos mètodes existents de propulsió per a satèl·lits en òrbita.
Estudis d'optimització de missions que usen propulsió limitada per la potència disponible, i per tant
restringida a baixes acceleracions. Dinàmica de vol amb baixa empenta i càlcul d'increments de
velocitat per a diverses missions típiques, Física, disseny i actuacions de motors electrotèrmics
resitius o d'arc elèctric). Elements de física de plasmes per a la comprensió de motors iònics, Hall o
MPD. Estudi individual del funcionament d'aquests motors de plasma. Nocions sobre l'expansió en
buit d'un raig de plasma, i aplicació a l'estudi de les interaccions motor-satèl·lit. Física de
l'electrodispersió de líquids conductius: aplicació als motors col·loïdals i als iònics amb ions d'origen
líquid. Nocions sobre instal·lacions i tècniques de prova per a aquests tipus de motors.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30045 Propulsió Espacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 14/05/08
2
Temari
Mòdul 1
Anàlisi de Missió
Mòdul 2
Motors químics de bord
(4 hores)
Mòdul 3
Motors Electrotèrmics
(5 hores)
Mòdul 4
Introducció als plasma magnetitzats
Mòdul 5
Motors Iònics (5 hores)
Mòdul 6
Motors Hall
Mòdul 7
Motors MPD (4 hores)
Mòdul 8
Rajos de plasma. Interaccions raig-nau (3 hores)
Mòdul 9
Electrostàtica de superfícies. Motors d'electrodispersió
Mòdul 10
Instal·lacions i tècniques de prova
(6 hores)
(5 hores)
(5 hores)
(6 hores)
(2 hores)
Objectius específics dels mòduls
Mòdul 1
Anàlisi de Missió Impuls específic òptim com a funció de la durada de l'empenta i la
massa específica del sistema de potència. Efectes de les no-idealitats del motor. Selecció del temps
d'empenta. Distribució de masses òptima. Càlcul de l'increment de velocitat per a missions en espiral.
Optimització del perfil temporal de l'impuls específic. Optimització de missions amb canvi de pla.
Altres missions.
Mòdul 2 Motors químics de bord Monopropulsors de Hidracina. Propietats i maneig de l'Hidracina.
Disseny general. Actuacions com a funció del grau de descomposició de l'amoníac. Sistemes
d'alimentació, vàlvules, tancs, calefactors, etc
Mòdul 3
Motors Electrotèrmics Motors de Hidracina reescalfada. Motors d'arc elèctric. Plasmes
tèrmics, equació de Saha, grau de ionització, conductivitat elèctrica. Inestabilitat i constricció de la
descàrrega. Model simplificat d'un arc, relació corrent-voltatge, dependència del radi. Arc en un fluix
paral·lel. Model simplificat del motor d'arc. Ús per a disseny i per a estimació d'actuacions. Exemples
de motors d'arc existents.
Mòdul 4 Introducció als plasma magnetitzats Nocions sobre plasmes magnetitzats i de baixa densitat.
Conceptes d'apantallament i beina electrostàtica. Fluix d'ions a una beina negativa. Difusió i mobilitat
dels electrons. Difusió anòmala; model de Bohm. Velocitat volumètrica de ionització i excitació.
Mòdul 5 Motors Iònics Disseny conceptual d'un motor iònic de tipus Kauffman. Limitació del corrent
extret: equació de Child-Langmuir. Accel-Decel design. Confinament magnètic dels electrons. Balanç
d'ions, estimació del grau de ionització i l'eficiència d'utilització. Resum del model d Brophy: predicció
de les corbes d'actuació. Exemples de motors en ús.
Mòdul 6
Motors Hall Disseny conceptual, consideracions generals. Generació de l'empenta.
Desglossament de l'eficiència de motor. Estructura del plasma: dades experimentals, modelatge
unidimensional. Pas sònic suau o brusc. Estimacions de paràmetres importants. Models
multidimensionals. El mètode PIC. Estimació de la vida útil. Exemples de motors existents.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30045 Propulsió Espacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 14/05/08
3
Mòdul 7
Motors MPD amb camp autoinduït Règim d'operació. Densitat de força de Lorentz.
Treball elèctric i dissipació. Difusió magnètica, nombre de Reynolds magnètic. Model simplificat
unidimensional. Existència de capes primes de corrent, dissipació neta i eficiència. Inestabilitat
(“onset”). Possibilitats amb àrea variable.
Mòdul 8
Rajos de plasma. Interaccions raig-nau Física bàsica del raig de plasma en buit. Límit
llunyà. Intercanvi de càrrega per col·lisions, efectes sobre la distribució d'ions. Estimacions. Altres
efectes.
Mòdul 9
Electrostàtica de superfícies. Motors d'electrodispersió Estat de càrrega a l'interior i a la
superfície d'un líquid conductiu. Temps de relaxació. Inestabilitat d'una superfície subjecta fins i tot
camp normal. El con de Taylor. Model de Fernández de la Mora per a l'emissió de gotes carregades.
Aplicació propulsiva: el motor col·loïdal. Exemples i actuacions. Emissió d'ions: règims mixt i iònic pur.
Dades experimentals. Aplicacions propulsives.
Mòdul 10 Instal·lacions i tècniques de prova Necessitat de buit, depenent del tipus de motor.
Instal·lacions de buit. Balances d'empenta, microbalances. Sondes de plasma (Langmuir, Faraday,
analitzadors d'energia), espectroscòpia de masses per Temps de Vol. Tècniques òptiques.

Objectius de l'alumne
Una capacitació a nivell competitiu internacional en un tema tecnològic de futur. Ampliació de
coneixements en la física de plasmes i de líquids conductius.
Metodologia de treball
Classes teòriques només. Tutoria setmanal per resoldre problemes pertinents.
Sessions teoria, problemes
4-5 problemes assignats al llarg del curs, a resoldre en grups de treball. Puntuables amb 20% de la
nota final.
Pràctiques, laboratoris No hi haurà components experimentals.

Pràctica 1: NA

Pràctica 2: NA
Organització en mòduls i temps de dedicació de l'estudiant
Mòdul
Mòdul 1. Anàlisi de missió
Mòdul 2. Motors químics de bord
Mòdul 3. Motors Electrotèrmics
Mòdul 4. Introducció als plasmes magnetitzats
Mòdul 5. Motors Iònics
Mòdul 6. Motors Hall
Mòdul 7. Motors MPD
Mòdul 8. Rajos de Plasma.
Mòdul 9. Electrostàtica de superfiícies
Mòdul 10. Instal·lacions i tècniques de prova
TOTAL
Temps de
classe
6 hores
4 hores
5 hores
5 hores
5 hores
5 hores
4 hores
3 hores
6 hores
2 hores
45 hores
Temps
d'estudi
6 hores
4 hores
5 hores
5 hores
5 hores
5 hores
4 hores
3 hores
6 hores
2 hores
45 hores
Temps
total
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30045 Propulsió Espacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 14/05/08
4
Importància i dificultat dels mòduls
El tema és ric i variat, i exigeix cert esforç per assimilar temes científics poc familiars. Es procura
eliminar la necessitat lectures addicionals mitjançant la introducció d'aquests temes quan es
necessiten i al nivell mínim necessari
Materials
Bibliografia bàsica

Notas en Open Courseware (MIT, http://ocw.mit.edu/OcwWeb/web/home/home/index.htm), curso
16.522 Space Propulsion, por Manuel Martínez-Sánchez. En Inglés.
Bibliografia complementaria

Para ampliación en motores iónicos y de Hall, Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall
Thrusters por Dan Goebel y Ira Katz, JPL Space Science and Tecnology Series. A publicar en
Sep. 2008.
Avaluació
N f = 0,4N1p + 0,4Nef + 0,2Nep
Nf : Nota final
N1p : Nota 1r parcial
Nef : Nota examen final
Nep : Nota exercicis pràctics