PRIMEROS EXPERIMENTOS ARGENTINOS EN MICROGRAVEDAD

Congreso Argentino de Tecnología Espacial/2000
PRIMEROS EXPERIMENTOS ARGENTINOS EN
MICROGRAVEDAD
Jorge Lässig, Gustavo Monte
Universidad Nacional del Comahue
Neuquén; Argentina
E-mail: [email protected]
and
Pablo de León
Asociación Argentina de Tecnología Espacial
Buenos Aires, Argentina
calor se aplicó a una de las paredes rígidas
y conductora de calor.
3.- Se realizó un tercer experimento
relacionado con el ángulo de contacto en
tubos no circulares.
Afortunadamente los resultados de los
experimentos fueron los siguiente:
a) El aparato generador de gotas funcionó
correctamente,
lográndose
obtener
repetitivamente 4 gotas con diámetros
entre 15 y 20 mm.
b) Se generó un flujo dentro del fluido,
debido al pulso de calor, dicho
movimiento fue inducido por la dilatación
del líquido en las cercanías de la pared
calentada.
c) El tercer experimento sobre ángulos de
contacto en tubos poligonales, mostró el
efecto de la geometría sobre dicha
propiedad física.
RESUMEN
En Agosto de 1997, se realizaron
los primeros experimentos argentinos en
microgravedad, ellos fueron ejecutados a
bordo de la aeronave Boeing KC-135 de la
NASA, perteneciente al Johnson Space
Center, en Ellington Field, Houston,
Estados Unidos. Los vuelos se
programaron
durante
dos
días
consecutivos, en los cuales se realizaron
40 parábolas cada día. En dicha
oportunidad se ensayaron equipos para
realizar experimentos en Ciencia de los
Fluidos:
1.- Fue ensayado un aparato para generar
gotas de agua gigantes, el cual debía
mantener adherida a cada gota en un disco
soporte, en donde se deberán realizar
mediciones de vibración en la superficie
de dichas gotas de agua, las cuales son
activadas por la tensión superficial.
2.- También se ensayó un módulo para
realizar experimentos sobre Convección
de Líquidos en contenedores cerrados en
ausencia de gravedad. Intentando simular
flujos en cuerpos esféricos. El estudio se
concentró en generar un movimiento
dentro del líquido, cuando un pulso de
1.- INTRODUCCION
La infraestructura terrestre que
disponemos en nuestro país son: una
Torre de Caída Libre de 1,5 segundos de
microgravedad, y dos pequeños Tanques
de Flotación Neutral [1].
Esta instrumentación ayudó a
diseñar nuestros experimentos que volarán
en la misión GAS Canister G-761 a bordo
.
Los derechos de publicación son de la Asociación
Argentina de Tecnología Espacial y de los
Autores.
1
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del Space Shuttle STS-102 durante el
2001, pero quedamos mas satisfechos
luego de que los aparatos fueron
ensayados en la campaña de vuelos
parabólicos del KC-135 de NASA el 5 y
6 de Agosto de 1997, verificándose parte
de las hipótesis de trabajo que nosotros
habíamos adoptado.
La aeronave que posee NASA en
Ellington Field, Houston afectada a los
vuelos parabólicos para entrenamiento de
su Cuerpo de Astronautas, y ensayos de
equipos que volarán en misiones
espaciales, es un Boeing KC-135
reforzado estructuralmente y potenciados
sus motores.
Las campañas consisten en realizar
durante 2 á 4 días a la semana, unas 40
parábolas cada días, estas se realizan en
dos conjuntos de 20 parábolas cada una,
permitiendo unos 10 minutos entre ellas
para que los operadores de carga útil se re
ubiquen, y tomen un pequeño respiro.
de otros dos tramos de unos 10 segundos
cada uno de una gravedad equivalente a la
de la Luna, tanto en el inicio de la
maniobra, como en su finalización, la
aeronave y toda su carga sufren
aceleraciones de 1,8 G, la figura 8 muestra
esquemáticamente dicha maniobra.
2.- GENERADOR DE GOTAS DE
AGUA
Uno de los aparatos ensayados fue
un generador de gotas de agua. El
objetivo de este aparato es realizar
mediciones de cómo vibran las
superficies de las gotas de agua debido a
la tensión superficial en su interfase. Este
fenómeno juega un rol importante en las
pequeñas gotas, como los spray, la
inyección de combustible, las gotitas de
nubes, etc., en procesos como los de
coalescencia, evaporación y cristalización.
El aparato tiene la función de
formar gotas de agua en el rango de 15 á
20 mm adheridas a un pequeño disco a la
salida del inyector, para que un sensor
óptico se le acerque y mida la frecuencia
de vibración de su superficie.
Es muy importante establecer el
rango de velocidades para la cual el
líquido inyectado deberá adherirse al
disco durante el desarrollo del
experimento.
Si la velocidad del chorro es muy
intensa, su inercia será mas grande que
las fuerzas por la tensión superficial
originada en el perímetro de la salida del
inyector, y no de adherirá. Una primer
aproximación teórica, es asumir que a la
salida del inyector, las fuerzas por
cantidad de movimiento son iguales o
menores a las fuerzas por tensión
superficial en dicho perímetro, así:
Foto 1: El Ing. Pablo de León trabajando
sobre los experimentos de la Universidad
Nacional del Comahue, en ausencia de
gravedad durante el vuelo parabólico
La maniobra básica consiste en: ascender
desde unos 8.000 m de altura hasta unos
11.000 m y dejarse caer desde allí hasta
los 8.000 m, esto logra unos 20 segundos
de microgravedad con un nivel de 0,01 G,
σ .φ .π ≥ V.ρ .V.π .φ 2 /4
2
(1 )
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La existencia de tres diferentes
zonas se puede observar en dichas
figuras:
i) para números de Reynolds más
pequeños que 100 y números de Weber
menores á 0,068, el líquido inyectado se
adhiere al disco;
ii) para números de Reynolds mayores
que 273 y números de Weber mayores
que 0,5, el fluido inyectado se separa del
inyector formando pequeñas gotas dentro
del fluido madre;
iii) la tercer región es transición.
Usando agua, y con el diámetro en
milímetros obtenemos:
V ≤ 0.5366.φ -0.5
(2)
La figura 1 muestra la ecuación 2.
La zona debajo de la curva es estable, es
decir es la región donde la gota se adhiere
al inyector. Resultados experimentales
indican que esto no se cumple.
Figura 1: curva teórica de líquidos
adheridos al inyector como resultado de un
equilibrio entre las fuerzas de inercia y de
tensión superficial.
Figura 3: Resultados Experimentales.
3.- ENSAYOS DEL GENERADOR DE
GOTAS
EN
LOS
VUELOS
PARABOLICOS
Luego de los resultados obtenidos
en el tanque de flotación neutral, los
parámetros de diseño para construir
nuestro generador de gota que volará en
el GAS Canister G-761, obviamente
cayeron en la zona de adhesión: número
de Reynolds menor á 100 y número de
Weber menor á 0,068.
Luego que el mencionado aparato
fue construido, obtuvimos desde la
Reduced Gravity Office del Johnson
Space Center un lugar en la aeronave
KC-135 para probar nuestros equipos en
un ambiente real de micro gravedad,
antes de que los aparatos volaran en el
Space Shuttle.
Figura 2: Resultados experimentales
Diseñamos y realizamos una serie
de ensayos en un tanque de Flotación
Neutral [2], cuyos resultados pueden ser
sintetizados en los gráficos de las figuras
2 y 3.
3
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similar á 8043 (izquierda) y 10542
(derecha), cuando el número de Ra crece,
el patrón de flujo se desplaza hacia arriba
de uno de los hemisferios, esto se puede
interpretar como que la gravedad
comienza ha tener su efecto y las fuerzas
de convección natural aparecen. A bajos
números de Ra (microgravedad) los
patrones de flujo son simétricos.
Nuestros experimentos consistieron básicamente de dos rodajas de
esferas hechas en material de Teflon, una
externa y hueca, que contenía a otra más
pequeña y sólida en su interior, ambas en
su parte superior tenían una tapa de
acrílico transparente, el espacio entre
ambas esferas fue llenado con agua. La
visualización del movimiento del líquido
fue realizado por medio de pequeñas
esferas de vidrio coloreado.
Foto 2: el aparato generando una gota
durante el vuelo parabólico.
El Ing. Pablo de León de
A.A.T.E., fue quien operó los equipos a
bordo del KC-135. Se puede observar en
la foto 2 que la gota adherida al inyector
fue producida satisfactoriamente, y
repetida en 4 oportunidades.
4.- FLUJOS DE FLUIDOS EN UN
RECIPIENTE CERRADO, DEBIDO
A UN PULSO DE CALOR EN SU
PARED
El objetivo de este experimento
fue verificar si es realmente posible
obtener un movimiento en un fluido
confinado en una esfera de paredes
rígidas, expuesto a un ambiente de
microgravedad, cuando estas son
calentadas, cuando la principal fuerza
impulsora está ausente: la gravedad, pues
no hay convección natural, los
movimientos se originarían por la
dilatación del fluido.
En la figura 4 se puede observar
dos patrones teóricos de movimientos
(para una esfera hueca, completamente
llena con fluido) de acuerdo a Myshkis
[3], para números de Rayleight (Ra)
Figura 4: extraído de la referencia 3, las
líneas de corriente son las curvas
continuas, las isotermas son las curvas a
rayas.
Fue necesario adaptar este
experimento
a
las
condiciones
características del vuelo del KC-135: al
comenzar la maniobra parabólica alcanza
los 1,8 G, durante la parte superior de la
misma se reduce á 0,01 G, y al salir de
ella vuelve a elevarse á 1,8 G.
Por ello, el material metálico,
conductor del calor, fue ubicado en el
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interior inferior cóncavo de la rodaja,
para que en el momento de los excesos de
aceleración (1,8 G) en el avión, las
esferas trazadoras fueran empujadas ha
volver a la parte cóncava del contenedor.
Cuando la aeronave entraba en
microgravedad, se daba una orden por
medio de una computadora (Toshiba
1000) y esta ejecutaba el programa
SPACE, que hacía circular una corriente
eléctrica a través de una resistencia, que
calentaba la cinta metálica pegada al
interior inferior cóncavo de la rodaja de
la semiesfera como fue mencionado
anteriormente; a los 20 segundos cesaba
el suministro de corriente eléctrica.
5.- RESULTADOS DESDE LOS
VUELOS
PARABOLICOS
DEL
FLUJO POR EL PULSO DE CALOR
En las fotos 3A y 3B, se puede
observar el desplazamiento de algunas
pequeñas esferas, debido a la dilatación
del líquido cuando era atravesado en su
cara interior inferior de la rodaja de
esfera, un pulso de calor. Por lo que
podemos decir que el experimento
demostró que es posible producir
movimientos dentro de un fluido
confinado en un recipiente, cuando al
mismo se lo somete a un transitorio de
calor, en un medio ambiente de
microgravedad.
Figura 5: esquema del experimento
ejecutado en el KC-135, que tenía como
objetivo determinar si se formaba un flujo
en el fluido dentro de un recipiente cerrado
cuando una de sus paredes era sometida a
un pulso de calor.
Los cálculos teóricos indican que
la velocidad del pulso de calor en la cinta
metálica fue de 1 mm/seg. con una
intensidad de corriente de 100 mili
Ampere. La temperatura ambiente de los
experimentos fue á 20°C. La potencia
eléctrica consumida por la resistencia fue
de 1 Watt.
Foto 3A: posición inferior de la
esfera oscura dentro del líquido, antes de
aplicar el pulso de calor, en micro gravedad.
Foto 3B: movimiento de esferas
oscuras 15 segundos después de aplicado el
pulso de calor en el hemisferio sur de la
rodaja de esfera, en un ambiente de micro
gravedad.
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donde θ es el ángulo de contacto y α es la
mitad del ángulo entre los dos planos
consecutivos del poliedro.
El comportamiento de líquidos en
diferentes contenedores fue estudiado por
Langbein, Grobbach y Heide en 1990 [6]
en
vuelos
parabólicos.
Aquellas
investigaciones se basaron en previos
modelos matemáticos.
En un ambiente de micro gravedad es
importante conocer el nivel de las G
actuando, durante la ejecución de los
experimentos.
En vista de esta acepción,
desarrollamos un experimento a realizar
durante los vuelos parabólicos, para
evaluar el efecto de la geometría en los
tubos no circulares.
Estas pruebas fueron conducidas en
un único recipiente en donde se
ensamblaron distintas geometría de tubos
(triangular, cuadrado, hexagonal, y uno
circular como testigo).
Los fluidos debían de ascender
por cada uno de ellos de acuerdo al
balance de fuerzas motivadas por la
tensión superficial y el residual de micro
gravedad existente.
La figura 7 muestra el esquema
conceptual del experimento.
Por esta vía es posible construir
un simple acelerómetro para medir las
aceleraciones G por medio de tubos.
La experiencia consistió de 3
tubos con diferentes geometría (cuadrada,
triangular y hexagonal) conectados a un
mismo contenedor, el fluido usado fue
agua, y el material de los tubos fue
Plexiglas (en el triángulo y en el
hexágono) y el cuadrado fue recubierto
con vidrio para variar el ángulo de
contacto con el agua.
Es posible observar que: el tubo
central
(geometría
triangular)
la
condición es:
Figura 6: movimiento realizado por la esfera al
ser aplicado un pulso de calor en su superficie
interior inferior.
En la figura 5 se ha dibujado el
esquema del aparato que se utilizó para el
experimento en la sesión de vuelos
parabólicos, y en la figura 6 se ha
dibujado la trayectoria realizada por la
esfera durante el transitorio del pulso de
calor.
6.EXPERIMENTO
SOBRE
ANGULOS DE CONTACTO EN
TUBOS NO CIRCULARES
Durante el pasado siglo Young
(1805) [4] estableció las leyes de
capilaridad y con ello el concepto de si un
fluido mojada o no a una superficie. En el
caso de tubos capilares de sección
cilíndrica, la altura que sube un fluido
depende del diámetro del mismo.
En la pasada década este concepto
fue profundizado. En trabajos realizados
por Concus (1987) [5], este determinó
que no solamente el ángulo de contacto
define la condición de avance de un
fluido, sino que también depende de la
forma geométrica del tubo. La condición
para auto desplazamiento de un fluido
dentro de un tubo es:
θ + α = 83º ≤ π/2
θ + α ≤ π/2 (3)
6
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Para el tubo de la derecha (geometría
hexagonal),
7.- CONCLUSIONES
Tres aspectos merecen ser
mencionados: el trabajo especifico de
aquellos experimentos, la colaboración
internacional, y las pruebas realizadas en
tierra antes de ir al espacio. En el primer
caso la complejidad en alcanzar los
propósitos de este proyecto, como en el
caso de tratar de medir las vibraciones
debido a la tensión superficial en las
gotas, que requiere de un tratamiento y
procesamiento especial. Esta es la razón
por la cual el sistema presentado fue
estructurado de manera que sea versátil,
flexible y principalmente eficiente, en
base a las limitaciones de volumen, peso
y agresividad del medio ambiente de
trabajo. Diseñamos estrategias tratando
de seguir por completo los requerimientos y normas de NASA.
En adición a esto, se ha adquirido
una invalorable y necesaria experiencia
para ejecutar futuros experimentos
automáticos en el medio ambiente
espacial.
La fórmula de Concus (3) es
valida, y podría aplicarse para lograr
desplazar líquidos a través de tubos de
geometría variable, en microgravedad, sin
necesidad de bombas o presiones.
En el segundo aspecto, la
colaboración internacional se manifestó a
través tanto de los trabajos publicados por
otros investigadores, como el utilizar la
infraestructura instrumental de otros
países.
Finalmente, la importancia de
realizar ensayos en etapas previas, antes
de ir al espacio como son: las
simulaciones en tanques de flotación
neutral, los experimentos en torres de
caída libre, y las pruebas en aeronaves
que realizan maniobras parabólicas.
θ + α = 113º
siendo mayor que π/2, y el tubo de la
izquierda (geometría cuadrada) tiene:
θ + α = 64º ≤ π/2
Angulo de Contacto θ vidrio/agua = 20º
Angulo Contacto θ Plexiglas/agua = 53º
Medio áng. del diedro α cuadrado = 45º
Medio áng. del diedro α triangular = 30º
Medio áng. del diedro α hexagonal = 60º
El equilibrio en la línea A-B de la
figura 7 es:
F1 - W1 - F2 + W2 = 0 (4)
Figura 7: esquema de las fuerzas en juego,
donde F son las fuerzas por tensión
superficial, y W el peso de los volúmenes de
los líquidos.
En función de los fluidos utilizados,
los materiales de los tubos, y las
mediciones de los desplazamientos, como
en el caso de la foto 4, el nivel de
microgravedad medido por este método
fue de 0.01G
7
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[3] Myshkis,A. el all; “low-Gravity Fluid
Mechanics”; Part III: Convection, pp.502;
Ed. Spring-Verlag, Berlin, 1987.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado por
medio de un subsidio de la Secretaría de
investigación de la Universidad Nacional
del Comahue, la ayuda de empresas
privadas como Epson Argentina S.A., y
el trabajo adhonorem de los estudiantes
de ingeniería Sres.: Juan Pablo González
Ríos, Sebastián Celescinco, y Gustavo
López.
[4] Young, T.;
“Equilibrium Fluid
Interfaces”; Trans. Royal Soc. London
95, 65; 1805.
[5] Concus, P.;
“Equilibrium Fluid
Interfaces in the Absence of Gravity”;
Dto. of Mathematics, University of
California, Berkelet, California, USA,
1987.
[6] Langbein,D., Grobbach,R. and
Heide,R.; Parabolic Flight Experiments on
Fluid Surfaces and Wetting; Journ Appl
Micro Gravity Technology, Vol.II, Feb
1990, Hanser Publishers.
Foto 4: se puede observar el desequilibrio
que ocurre cuando a uno de los tubos se lo
construye de otro material que tiene un
ángulo de contacto distinto, como también
(para iguales materiales) el efecto de la
geometría.
Figura 8: maniobra parabólica del KC-135
para obtener microgravedad. La letra "g"
indica el nivel de gravedad dentro de la
aeronave
REFERENCES
[1] Lassig, J. Et all; “Argentine Fluids
Experiment in Microgravity”; 50th
International Astronautical Congress,
Oct/99, Amsterdam, The Netherlands.
[2] Lassig, J. Et all; “A System for
Generating and Analyzing Giant Water
Drops”; 37th AIAA Aerospace Sciences
Meeting and Exhibit; Jan/99, Reno, USA.
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