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viernes, 8 de septiembre de 2017

MURMULLOS DE LA TIERRA (40 AÑOS DEL DISCO DEL VOYAGER)

El pasado 5 de septiembre de 2017 se conmemoró el lanzamiento de la misión Voyager 1. Curiosamente, su compañera, la Voyager 2, fue lanzada antes, en agosto de dicho año. Junto con ésta, la misión Voyager posee otras peculiaridades que la destacan del resto de las misiones espaciales. De todas ellas, hay dos especialmente importantes.
La primera es que se trata de la misión espacial más exitosa. Su duración estaba prevista para cuatro años y ya lleva cuarenta. El objetivo principal de ambas misiones consistía en explorar los planetas exteriores. Y el resultado fue espectacular. Realizó importantes descubrimientos, y una vez alcanzados los planes de exploración previstos, prosiguió. Y aún sigue haciéndolo, enviando todavía datos científicos a La Tierra.
La segunda es que es la primera sonda espacial que abandona el sistema solar. La Voyager1 Lo hizo en 2012, aunque estrictamente hablando, lo que ha abandonado es la heliosfera. El hecho es que es el objeto terrestre que ha alcanzado la distancia más lejana, habiendo recorrido más de 20.700 millones de kilómetros. El Voyager envió la fotografía de La Tierra más lejana, a 6.000 millones de kilómetros, como “un punto azul pálido” a que se refirió Carl Sagan.
Las sondas Voyager viajan actualmente a una velocidad de 48.000 kilómetros por hora. La situación actual de la misión Voyager la podéis revisar en este enlace.
Conmemorando la gesta del Voyager 1 y 2, me gustaría recordar mi experiencia personal al respecto, obviamente como espectador. Trata de otra peculiaridad importante que caracterizaba a esta misión.  Un libro que cayó en mis manos allá por el año 1.981.


El libro se titula "Murmullos de la Tierra”, y su autor era un entonces poco conocido Carl Sagan (La serie Cosmos, no se emitio hasta 1.984). El  libro describe el contenido de un mensaje que portaban las dos sondas Voyeger, con el fin de que una civilización extraterrestre conociera nuestro planeta. Este mensaje iba contenido en un disco dorado, con instrucciones para poder reproducirlo.
Disco fonográfico de las sondas Voyager (NASA)
La tecnología de entonces, los años 70, era tal que se eligió un disco fonográfico de cobre recubierto de oro. Supongo que si la misión Voyager hubiera partido en nuestra época, sería un mp3 grabado en un disco de estado sólido (SSD), mucho más ligero y con mayor capacidad.
La capacidad de este disco fue de 90 minutos de música, otros sonidos como el del despegue del Saturno V, 118 imágenes codificadas en forma de sonido, saludos en 55 idiomas, entre otros.
El responsable del contenido de dicho disco fue el  entonces poco conocido Carl Sagan, quienes él y el resto del equipo fueron autores de un libro sobre el este mensaje interestelar.
Aunque este libro ya está descatalogado, quien no pueda conseguirlo tiene la gran oportunidad de acceder a la página oficial de la NASA de la misión Voyager, en el que podrá consultar otros datos muy interesantes sobre el disco del Voyager.
Es extraordinaria la imagen nostálgica de ambas sondas planetarias, reproduciendo este disco dorado con voces, canciones y mensajes de los habitantes de la tierra, así imágenes, unos "murmullos", que con poca esperanza serán escuchados.
Mientras las Voyager emprenden su viaje, antes de que se desconecten definitivamente sus instrumentos, allá por 2030, éstas proseguirán surcando el espacio interestelar. Tal y como indican los especialistas, una vez abandonado el sistema solar, el Voyager 1 podrá alcanzar otra estrella dentro de 40.000 años, cuando lo que fuimos y somos ya solo forma parte de un recuerdo, grabado en dos discos dorados de 12 pulgadas.


Referencias
Página oficial de la misión Voyager
Misión Voyager: 40 años del viaje que ha llevado al hombre al espaciointerestelar
Carl Sagan y varios autores. Murmullos de La Tierra. El mensaje interestalar del Voyager. Ed. Planeta. 1981







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martes, 25 de julio de 2017

LAS AERONAVES COMERCIALES DEL SIGLO XXI

En octubre de 2008, dentro del programa "NASA Fundamental Aeronautics", la NASA  solicitó a la industria y a las universidades que desarrollasen conceptos avanzados de aeronaves de pasajeros, capaces de satisfacer las necesidades del transporte aéreo comercial de acuerdo a los objetivos de 2030 en cuanto a eficiencia de consumo energético, cuidado del medio ambiente y operación. Dichos estudios perseguían identificar las necesidades claves de desarrollo en tecnología para capacitar a estas previstas aeronaves y sistemas de propulsión. Se formaron cuatro equipos de investigación por personal de General Electric, del Massachusetts Institute of Technology, de  Northrop Grumman y The Boeing Company. El resultado de esta investigación fueron cuatro informes relativos a cuatro conceptos de aeronaves  y motores. Se trata de diferentes conceptos de diseño, no muy exóticos, pero prometedores en cuanto a los beneficios que presentan.
Estos fueron los resultados:

1º Concepto de diseño de avión comercial de 20 pasajeros de GE Aviation


Imagen: NASA / GE Aviation
El equipo de GE Aviation definió el concepto de diseño de un avión de 20 pasajeros que podría reducir la congestión en los aeropuertos principales (los denominados hubs) empleando aeropuertos regionales para viajes de enlace. La aeronave tiene una sección oval que permite cuatro asientos por fila. Otras características de la aeronave son la forma que reduce el flujo de aire sobre todas las superficies así como células generadoras de electricidad para suministrar energía a sistemas eléctricos avanzados. La planta motriz seria empleando turbohélices con hélices de baja emisión de ruidos. Se mitigaría en lo posible el ruido permitiendo realizar despegues y aterrizajes cortos y ascensos rápidos.

2º El concepto fuselaje extremadamente ancho (doble burbuja) D8 del MIT

Cortesia: NASA / MIT
El equipo del MIT presentó un concepto de avion de 180 pasajeros en una configuración de “doble burbuja” (double bubble) uniendo dos fuselajes que permiten una sustentacion adicional e incorporando tres motores turbofan en la cola, lo que permite bloquear parte del ruido de los motores. Una parte importante de este concepto de aeronave la forma los materiales compuestos que reducen el peso así como los mencionados motores turbofan que tienen una “ultra alta” derivación (lo que supone que el flujo de aire hacia del motor es incluso menor que hacia el ventilador o “fan”) con el fin de obtener un empuje más eficiente. A la inversa de las actuales tendencias de diseño, este concepto del MIT aumenta la relación de derivación minimizando la expansión del diámetro del ventilador contrayendo en su lugar el diámetro en la tobera. El equipo del MIT afirmó que este concepto es capaz de realizar el mismo perfil de misión que un Boeing 737-800, solo que con una cabina más espaciosa. Este concepto de diseño además permite aplicar el principio de “ingestión de capa límite” estudiado con el fin de reducir el consumo de combustible.

3º El transporte comercial de eficiencia silenciosa y bajas emisiones  de Northrop Grumman.

Cortesia: NASA /Northrop Grumman
El equipo de Northrop Grumman prevé la gran necesidad de aviones de menos de 120 pasajeros adaptados para pistas cortas con el fin de reducir los retrasos de los grandes aeropuertos. Su objetivo consiste por tanto en operar en aeropuertos con pistas de 1.500 metros, lo que reduciría el tráfico alrededor de los grandes aeropuertos y lo distribuiría más eficientemente.El equipo describe el Transporte comercial eficientemente silencioso y de bajas emisiones (Silent Efficient Low Emissions Commercial Transport, or SELECT), un concepto “revolucionarion en sus prestaciones, aunque no en su aspecto”. Este concepto emplea en su estructura materiales cerámicos, nanotecnología y aleaciones especiales con “memoria de forma” asi como motores de ultra alta relación de derivación.

4º el SUGAR Volt de Boeing

Cortesia: Boeing
El equipo de Boeing denominado SUGAR (Subsonic Ultra Green Aircraft Research) examinó cinco conceptos, seleccionando el SUGAR Volt, una aeronave bimotor con una tecnología de propulsión hibrida, un fuselaje con forma de tubo y un ala alta arriostrada. Comparado con las alas convencionales, las alas de SUGAR Volt tiene mayor envergadura (distancia de punta a punta), es más estrecha y más recta (menor flecha). También incluye articulaciones para plegar las alas para facilitar el estacionamiento (igual que hacen algunas aeronaves de los portaaviones).  Volt empleará dos motores turbofan híbridos, empleando combustión de fuel durante el despegue y energía eléctrica en crucero.

Referencias

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viernes, 31 de marzo de 2017

¿Pudo funcionar realmente el motor de Virgilio Leret?





Recientemente en los medios [4] se ha recordado la figura de Virgilio Leret, militar e ingeniero español conocido por ser probablemente la primera víctima de la guerra civil española, pues fue fusilado en Melilla nada más estallar la insurrección. También es conocido por haber patentado  en julio de 1935 un motor a reacción en la misma época en que Sir Frank Whitlle y Hans Von Ohain estaban desarrollando sus modelos de reactores. Realmente en 1913  René Lorin   propuso una primera solución a la propulsión a chorro, con el "estatorreactor". Se trata de un motor muy sencillo, prácticamente sin piezas, pero que necesita que el aire entre en el motor a gran velocidad, como minimo a 300 Km/,  para que el aire se comprima lo suficiente y así generar la combustion y el empuje. SI queremos que nuestro motor comprima el aire a menores velocidades o con el avión parado hay que emplear medios mecánicos. Henri Coanda ya ideó en 1910 un sistema de compresión del aire, empleando un motor de pistón, sistema que empleó el avión italiano "campini".  La solución de los motores de Whittle como el de Von Ohain fue mediante compresión de aire "centrifuga", consistente en un disco que lograba empujar el aire a la periferia del disco y derivarlo al interior del motor, así se lograba comprimir el aire hasta cuatro veces su presión de entrada.

La idea de Leret consiste en un ingenioso sistema en el que la etapa de compresión es mixta, es decir compresión centrífuga  y después  volumétrica. Esto se consigue mediante unos pistones que Leret llama "embolillos" accionado por fuerza centrífuga generada por unas masas circunscritas a un rotor coaxial con el eje del compresor centrífugo[2].  Este novedoso sistema daba al invento del ingeniero español unas prestaciones que mejoraban a los otros, pues lograba una relación de compresión de 200 a 1.
Desgraciadamente este invento genial no pudo desarrollarse y cayó en el olvido hasta hace no mucho, gracias al empeño de la viuda de Leret, Carlota O´Neil, quien custodio los planos del diseño de su marido, y actualmente al de la hija de Leret [6], se ha podido rescatar el legado del gran ingeniero y militar.  Como colofón de esta iniciativa, y gracias a la participación del Ejército del Aire, en abril de 2.014  se termino una maqueta del mototurbocompresor que actualmente se puede ver en el Museo del Aire, en Cuatro Vientos (Madrid) [6][3].
Maqueta del mototurbocompresor de Virgilio Leret (fuente:Ejercito del Aire)


Hay medios que afirman que incluso el diseño del motor de Leret pudo servir para el desarrollo del reactor en Reino Unido [1][4]. Esto se justifica porque Carota O´Neill, tras salir de la cárcel donde estaba recluida y encontrar los planos del mototurbocompresor entre los efectos personales de su marido, decidió entregar una copia al agregado de la embajada Británica, quien los envío a Inglaterra.

Tratando de responder a esta pregunta de que si realmente estos planos llegaron ser consultados por ingenieros británicos, y éstos sirvieron para mejorar los problemas con los que se enfrentaba en esos momentos Whittle, solo podemos conjeturar que es bastante improbable, pues el modelo de Leret es diferente a la solución aplicada en el motor británico, por lo cual solo se nos ocurre pensar que fue archivado o simplemente olvidado en algún cajón. Solo sabemos que el agregado que se llevó los planos murió en la II Guerra Mundial y no se conoce qué es lo que hizo con éstos.
Ante la cuestión de que si, más que una simple idea que Leret concibió mientras estaba recluido,[5]  se trataba de un diseño factible, el ingeniero aeronáutico Martin Cuesta Álvarez estudió en el año 2.002 la documentación de dicha patente[2], concluyendo que no sólo era un planteamiento correcto y un diseño viable, sino que se trataba de un invento “verdaderamente ingenioso”[6]

Resultado de imagen de planos del motor de virgilio leret
Vista en sección del motor de Virgilio Leret, realizada por Martin Cuesta Álvarez[2]

Vista en seccion del motor de Sir Frank Whittle

Motor HeS3B de Hans Von Ohain

De acuerdo al estudio de Martin Cuesta Álvarez en la revista El Aeroplano, la comparación de los motores daba un empuje de 734 Kg para el motor de Leret frente a los 386 Kg de la patente de Whittle y 500 Kg del motor de Von Ohain. Se trataba por tanto de un motor con unas prestaciones competitivas y a la altura de los otros desarrollos. También sabemos que esta propuesta si captó el interés de las autoridades, pues tal y como cuentan las memorias de Carlota O´Neill, Leret pudo explicar su proyecto de motor al presidente de la Republica, Manuel Azaña, quien se interesó por el proyecto.  Azaña nombró a Leret Jefe de la Escuela de Mecánicos de Cuatro Vientos y en junio de 1.936 se comenzó a construir un prototipo, con el objetivo de probarlo y evaluarlo en los talleres de la Hispano Suiza, y ponerlo en vuelo en septiembre de 1.936. [5][7] Se trataba de un proyecto con toda seguridad secreto, del que no se tiene más testimonio que las memorias de Carlota O´Neill. Solo sabemos que poco después Leret fue destinado a la base de hidros de Melilla.[5] y allí murió tras comenzar la rebelión militar en julio de 1936. La desaparición de Leret provocó el fin del posible desarrollo de este avanzado motor. A pesar de todo, si este si se hubiera seguido adelante, se tendría que enfrentar a no pocas complicaciones, fundamentalmente la económica, dada la importante inversión que supone un desarrollo semejante. Había que tener en cuenta que llevar a cabo este proyecto hubiese implicado construir junto con el prototipo, instalaciones de pruebas donde realizar los ensayos, y nuevos diseños en el caso de necesitar implementar mejoras. Además, un motor así significaba un nuevo tipo de aeronave, un nuevo reto que de haber prosperado el motor hubiese significado también una partida presupuestaria importante. Nos hubieramos encontrado con un caso similar al del HA-300, un reactor avanzado desarrollado en La sevilla de los años 60 pero que tuvo que cancelarse por falta de fondos.
Tres años después de la injusta muerte de Leret, y cinco antes del estallido de la II Guerra mundial, despegó el primer avión propulsado por un motor a reacción, el Heinkel He 178. El modelo británico, el Gloster E.28/39, lo hizo en 1.941. Del genial invento de Leret, solo sabemos que no era una idea descabellada y que de haber culminado el prototipo, pudo haber funcionado. Junto con el autogiro, el motorturbocompresor hubiera significado una importante contribución de España  al desarrollo de la tecnología aeronáutica.


Referencias


[2] Martín Cuesta Álvarez en el número 20 de la revista Aeroplano, año 2002, editada por el Ministerio de Defensa.
[7] Carlota O´Neill Una mujer en la guerra de España. Oberon, 2003
[8] El joven cientifico. El libro de los Jets. SM. 1979
[9] The Jet Engine. RollsRoyce. 1996

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miércoles, 14 de diciembre de 2016

Space Tethers: echando un cable al espacio

La industria aeroespacial contempla diferentes sistemas de propulsión, alternativos a los tradicionales cohetes químicos. Estas propuestas no persiguen desplazar grandes masas, como un gran cohete o una lanzadera espacial. En ocasiones solo es necesario corregir órbitas, o incluso salir de éstas para reentrar sistemas espaciales al final de su vida operativa.  Para ello el empuje necesario no es muy alto, por lo cual se han estudiado tecnologías como es el caso de la propulsión ionica. Entre las varias soluciones estudiadas, existe una muy ingeniosa y “elegante” que aprovecha los campos gravitatorios y electromagnéticos de la tierra para producir una propulsión. El método es tan simple como emplear cables, los denominados en inglés “space tehters “
Historia de los TehtersImagen: Dan Holland, NASA/Marshall Space Flight Center.
Entendemos por space tehter (literalmente “cuerda”) como un cable de gran longitud empleado para conectar artefactos espaciales que orbitan alrededor de un cuerpo central (como la Tierra).  El tehter, al proporcionar una conexión mecánica entre estos dos objetos espaciales, permite la transferencia de energía e impulso de un objeto al otro mediante gradiente gravitatoria. Esto permite maniobras como el control de actitud de una astronave, modificar órbitas o mantener la posición relativa de los componentes de grandes sistemas de astronaves dispersos. Un caso de aplicacion es el de cambio de impulso entre objetos en el espacio, permitiendo al sistema tether transferir naves espaciales de una órbita a otra. Este concepto  fue propuesto por la NASA en una serie de artículos destinados a animar a investigadores, contratistas y empresas a desarrollar esta tecnología, consistente en emplear un cable rotativo “anclado” en el espacio empleada para capturar etapas superiores de cohetes o carga útil e imprimirles impulso orbital para elevarlos en órbita. Asimismo, los tethers también pueden interactuar con el campo magnético y con el plasma ionosférico de la Tierra para generar empuje o fuerzas de resistencia sin consumir combustible. Estos tehters electrodinámicos  emplean por tanto una combinación de fuerzas gravitatorias y electromagnéticas, electrones, la ionosfera y sus diferencias de potencial alrededor del planeta Tierra para obtener  energía o propulsión sin consumo de combustible.  Los tethers electrodinámicos pueden emplear igualmante  la energía solar: en este sentido, se estudian  configuraciones de tether que interaccionan con el viento solar como medio de propulsión espacial de espacio profundo. Otra interesante aplicacion de esta tecnología es investigación espacial, proporcionando un mecanismo para vuelos de formación de precisión, observaciones científicas fijas multipunto, así como para alcanzar regiones de la atmosfera superior  inaccesibles.



Los tethers se emplearon por primera vez en 1.966, en las misiones Gemini 11 y Gemini 12. El objetivo de cada uno de esás era cel acoplamiento  con una etapa  Agena, que previamente había sido lanzada y puesta en órbita. Como parte de la misión, se conectaron mediante un cable de 30 m la Gemini y la Agena, generando un mili-g de gravedad artificial. La misión demostró por tanto que los tehters podían emplearse para generar gravedad artificial o estabilizar las astronaves. Treinta años más tarde se llevó a cabo un experimento en la lanzadera espacial desplegando desde ésta  un cable conductor de 30 metros. El cable, al arrastrarse a través del campo magnético de la Tierra durante la órbita del Shuttle, para generar corriente eléctrica, formando un circuito eléctrico con la ionosfera. se generó una La corriente de 100 watios pero a 3500 voltios, lo que que originó la fusión del tehter, fabricado con una trenza de cobre devanada alrededor de una cuerda de nylon, desprendiendose finalmente.


Desde entonces los tethers se han empleado tanto en misiones operativas como en otras destinadas para ensayar conceptos y aplicaciones de esta tecnología. podemos destacar las misiones la YES-2 en 2007, que desplegó el tehter más largo (!37 km!).  Un proyecto muy interesante  consiste en reducir la “basura espacial”, ayudando a que los satélites al final de su vida operativa desciendan de su órbita para desintegrarse en la atmósfera. Los tehters, pueden realizar esta maniobra sin necesidad de emplear los sitemas tradicionales, es decir, cohetes de control orbital.  Esta es la propuesta del proyecto BETs, liderado por el profesor Juan R. Sanmartin, de la Universidad Politécnica de Madrid y financiado por la Comisión Europea, aúna especialistas de diversas instituciones como el DLR alemán o en ONERA francés en ciencia de materiales, física de plasma, dinámica orbital, mecánica, etc. La idea propuesta por BETs consiste en desplegar el cable conectado al satélite, que, al interactuar con el campo magnético de la Tierra, se genera una fuerza capaz de modificar la órbita del satélite.  Un sistema similar al BETS , en este caso para pequeños satélites (Cubesats, MicroSats o NanoSats), lo ha desarrollado la empresa Tethers unlimited. En este caso, se despliega una cinta conductora que genera una fuerza electrodinámica que permite la deorbitacion del microsatelite.

Podria decirse que los tehters son un medio de propulsión espacial,  ya que  permiten la transferencia de energía e impulsar impulsar satélites, estaciones espaciales y quizás naves espaciales con la ventaja de no consumir combustible. A pesar de que no pueden competir con otro medio propulsivo, tienen su clara cabida en la industria espacial, siendo  como vemos una tecnología importante  con múltiples aplicaciones. Son un sistema de muy bajo coste y con interesantes posibilidades.

Referencias

[1] Chen, Yi; Huang, Rui; Ren, Xianlin; He, Liping; He, Ye (2013). "History of the Tether Concept and Tether Missions: A Review". ISRN Astronomy and Astrophysics. 2013: 1–7. doi:10.1155/2013/502973. Retrieved 7 March 2014.


[4] Sanmartín, J. R., Charro, M., Chen, X., Lorenzini, E., Colombatti, G., Zanutto, D., Roussel, J. F., Sarrailh P., Williams, J. D., Xie, K., Garret, E. M., Garcia de Quiros, F., Roemer, O., Rosta, Zoest, T., R., Lasa, J., Marcos, J., A universal system to de-orbit satellites at end of life, The Journal of Space Technology and Science, 1, 26, 2012.


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