Presentation sobre los Cohetes en el ESA OpenDay en ESAC en Octubre 2019

1. ● Para salir de la Tierra hay que vencer el campo gravitatorio
● En los primeros kilómetros el aire también ofrece resistencia
● Necesitamos mucha energía
● Todos los cohetes que se han desarrollado hasta ahora
utilizan propulsión química
● La velocidad de escape de un cuerpo depende de su masa y
de su radio
● Nos da una idea de la energía que nos hace falta para
abandonarlo
● Si el radio es muy pequeño y la masa suficientemente grande
ni siquiera la luz puede escapar => agujero negro
● Los cohetes usan propelentes (combustible + comburente)
líquidos o sólidos o de los dos tipos a la vez
● Los motores de propelentes líquidos se pueden regular y
apagar y encender, los de propelentes sólidos no
● El cohete ha de llevar y subir los propelentes que también
pesan
● Nos interesan propelentes my energéticos y ligeros, p.ej. LH2
y LOX (Hidrógeno y Oxígeno líquidos)
● A medida que el cohete asciende, la gravedad y la fricción
del aire disminuyen y el cohete se vuelve también más ligero
● Nos interesa quemar los propelentes y obtener velocidad a
cambio al mayor ritmo posible, pero manteniendo la presión
aerodinámica y la aceleración bajo ciertos límites
● La mayor parte (~90%) del peso del cohete son propulsantes
● Cuanta más carga o velocidad final necesitemos enviar,
mayor ha de ser el cohete
● Motores más eficientes necesitan menos propelentes
● Los depósitos de los propelentes y los motores han de ser
ligeros y resistentes
● Los motores principales son orientables para mantener el
cohete en la trayectoria adecuada
● Para obtener mejor rendimiento el cohete está hecho de
fases, cuando los propelentes de una fase se agotan esta se
separa del resto para aligerar la carga
● Normalmente las fases no se reutilizan y caen a la tierra, las
superiores quedan en órbitas de baja altura`
Propulsión
Salir de la Tierra

2. Historia de los Cohetes
Historia de los Cohetes
Konstantin Tsiolkovski
1903
Robert Goddard
1926
Wernher Von BraunHerman Oberth Sergei Korolev
1957
Robert Esnault-Pelterie
En 1903 Tsiolkovski publica
la "ecuacion del cohete".
El 16 de marzo de
1926 Goddard
prueba el primer
cohete de
propergol liquido
en la granja de su
tia.
1942
6 de Octubre de 1942, Alemania
lanza el primer misil balístico
creado por el hombre, el cohete
V2, desarrollado el equipo de
Von Braun en Peenemunde.
Este primer lanzamiento alcanza
los 5 km de altura.
El V2 es el primer objeto creado
por el hombre que realiza un
vuelo suborbital.
4 de Octubre de 1957,
Rusia lanza el Sputnik 1
primer satélite artificial de
la tierra. Un mes más
tarde, el 3 de Noviembre,
se lanza el Sputnik 2 con
el primer ser vivo a bordo,
la perra Laika
Ambos fueron lanzados
con el cohete R7
Semyorka.
1961
El 12 de Abril de 1961 el cosmonauta
ruso Yuri Gagarin a bordo del Vostok
1 se convirtió en el primer humano
que estaba en el espacio y que dio
una órbita a la Tierra.
LA ECUACION DEL COHETE COHETE V2 ! EL SPUTNIK
EL PRIMER HOMBRE
EN EL ESPACIO
Sabias que:
El Español Emilio Herrera Linares,
ingeniero y militar granadino, crea
en 1935 la escafandra aeronautica,
un modelo de de uniforme y
escafandra autónoma para los
tripulantes de globos de gran altitud
que se convertiría en el precursor
del traje espacial.
El 29 de Julio de
1958, el presidente
Eisenhower firma el
"National
Aeronautics and
Space Act", nace la
NASA.
En 1975, 10 países
europeos firman
"The Europan Space
Agency convention",
nace la ESA tal y
como la conocemos
ahora.
En Diciembre de
1979, la ESA lanza
el Ariane 1.
El 16 de Julio de
1969, se lanza la
misión que llevaría
por primera vez al
ser humano a la
Luna, la misión.
Apolo 11 en el
gigantesco Saturno
V.
Sabias que …
El Saturno V pesaba 2900 toneladas, el equivalente a 580 elefantes y durante el despegue perdía más de 1 elefante por segundo.
Solo en el tiempo que necesitaba el Saturno V para superar la torre de lanzamiento (12 segundos) consumía ya el 4% del combustible
que necesitaba para llegar a la luna.!!!
Yuri Gagarin media solo 1.57m
El cohete más exitoso de la historia es el Soyuz con más de 1700 vuelos si incluimos las distintas evoluciones.
Un móvil de hoy en día tiene 1 millones de veces más memoria y capacidad el ordenador del Apolo,
la carrera espacial también contribuyó al desarrollo de los ordenadores
El nombre del Sputnik en ruso era "Prosteyshiy Sputnik-1" que se traduce literalmente como satelite elemental 1.
Parece ser que von Braun estaba obsesionado con la cultura greco-romana, fijaos en los nombres de las misiones, Mercurio, Géminis, Apolo, Saturno ….
En Diciembre de
1972, se lanza el
último Saturno V en
la misión Apolo 17.
Vostok I
El lanzamiento del
Sputnik I en 1957 se
considera el
comienzo de la era
espacial.
Mercury
Redstone
Mercury
Atlas
1961 - El primer hombre en el
espacio
- El 12 de Abril de 1961 el cosmonauta ruso Yuri
Gagarin a bordo del Vostok 1 se convirtió en el
primer humano que estaba en el espacio y que dio
una órbita a la Tierra.
- El 5 de Mayo de 1961, el americano Alan
Sheppard a bordo del Mercury Redstone 3, misión
Freedom 7, se convierte en el segundo humano en
llegar al espacio, pero no llega a orbitar la tierra.
- El 20 de Febrero de 1962, John Glenn, a bordo del
Mercury Atlas VI, se convertiría en el primer
americano en orbitar la Tierra.
En 1962, John
Fitzgerald Kennedy
da su célebre
discurso en el que
asegura que EEUU
llegará a la Luna
durante la década
de los 60.
El 12 de Abril de 1981
se lanza por primera vez
el STS 1, con el
transbordador
Columbia de 3600 Kg.
1969
1975 1981
SpaceX: El cohete reusable.
En 2010, la empresa del
"visionario" Elon Musk lanza su
primer Falcon 9 y con él su plan
para desarrollar cohetes
reusables.
2010
1957
Los Cohetes de la ESA
Ariane 1, 24 de diciembre de 1979
Ariane 2, 20 de noviembre de 1987 (despegue fallido el 30 de
mayo de 1986)
Ariane 3, primer despegue con éxito 4 de agosto de 1984
Ariane 4, primer despegue con éxito 15 de junio de 1988
Ariane 5, primer despegue con éxito 30 de octubre de 1997
(despegue fallido el 4 de junio de 1996).
Ariane 6, (foto derecha) actualmente en desarrollo, previsto el
primer lanzamiento para 2021-2022.1
Y ahora qué?

3. Modelos
Lanzadores - ESA
"Un cohete espacial es una máquina que, utilizando un motor
de combustión, produce la energía cinética necesaria para la
expansión de los gases, que son lanzados a través de un
tubo propulsor (llamada propulsión a reacción). Por extensión,
el vehículo, generalmente espacial, que presenta motor de
propulsión de este tipo es denominado cohete o misil.
Normalmente, su objetivo es enviar artefactos (especialmente
satélites artificiales y sondas espaciales) o naves espaciales y
hombres al espacio."
—Wikipedia
La ESA ha invertido más de 2000 millones de euros en mejorar y ampliar el Puerto Espacial Europeo de Kourou. Las instalaciones de
lanzamiento y las plantas industriales de este puerto, situado en la Guayana francesa, son propiedad de la ESA.
El Puerto Espacial Europeo se ha modernizado cada vez que se introducían nuevos cohetes. Desde 1997, se ha utilizado principalmente
para el Ariane 5, un cohete con alta capacidad de carga. Una de las mejoras realizadas en este caso fue ampliar la zona de lanzamiento
ELA-3 para poder poner el combustible de las etapas superiores del cohete cuando éste se encuentra en la plataforma de lanzamiento.
Asimismo, la ESA y Arianespace construyeron un nuevo complejo donde se pueden verificar los satélites. Es lo suficientemente grande
como para albergar los Vehículos Automatizados de Transferencia (ATV) que vuelan a la Estación Espacial Internacional (ISS).
En los últimos tiempos se han unido dos lanzaderas más al Ariane 5. Los primeros cohetes Vega europeos, de menor tamaño,
despegaron de Kourou el 13 de febrero de 2012. La ESA invirtió 45 millones de euros en adaptar la antigua zona de lanzamiento del
Ariane 1 (ELA-1) para su uso. Ahora se conoce como ZLV (iniciales del francés “Zone de Lancement Vega”, zona de lanzamiento de
Vega).
También se ha construido un nuevo complejo para lanzar la nave Soyuz, un cohete con capacidad de carga intermedia que empezó a
viajar al espacio desde Kourou en 2011. Las instalaciones del Soyuz, conocidas como ELS (siglas francesas de “Ensemble de Lancement
Soyouz”, complejo de lanzamiento de Soyuz) están situadas a 13 km al noroeste de la zona de lanzamiento del Ariane 5 e incluyen un
nuevo edificio de montaje del cohete, un centro de control y una plataforma de lanzamiento.
El cohete Diamant deriva del programa militar llamado "Piedras preciosas" (Pierres
précieuses) que incluyó cinco prototipos: Agathe, Topaze, Emeraude, Rubis y Saphir. El 26 de
Noviembre de 1965, el cohete Diamant puso en órbita el primer satélite francés, Astérix A1 de
39 kg, desde la base francesa en Argelia de Hammaguir, se trataba del modelo Diamant A.
Realizó 12 vuelos desde 1965 a 1975, los tres primeros lanzados desde suelo argelino y los
siguientes desde el centro espacial de Kourou, en la Guayana Francesa. Pese al éxito del
cohete Diamant, Francia pasó a concentrarse en el programa del cohete europeo Ariane.
Características
El cohete medía 18 m de alto y pesaba 18 toneladas.
Gran Bretaña desarrolló su propio misil de alcance intermedio, el Blue Streak,
con ayuda estadounidense. La necesidad de ensayar la que sería su ojiva, a
grandes velocidades, llevó a su vez a la aprobación en 1955 de un cohete de
pruebas llamado Black Knight, que volaría en 22 ocasiones entre 1958 y 1965.
Las misiones del Black Knight serían en general muy exitosas, demostrando
que la tecnología empleada en ellas podía aplicarse a programas más
ambiciosos, incluyendo el lanzamiento de satélites. La tecnología del Black
Knight fue utilizada para preparar un lanzador llamado Black Arrow, el cual
debería poder enviar unos 144 Kg a una órbita baja. El desarrollo del cohete,
así como de los satélites que transportaría, haría avanzar la capacidad
industrial doméstica en el ámbito espacial. En total se lanzaron 4 Black Arrow,
el primero el 27 de junio de 1969 y el último el 28 de octubre de 1971, siendo
este último lanzamiento el que puso en órbita el satélite Prospero. Un último
vector, no llegó a volar nunca, y fue expuesto en el museo de ciencias de
Londres.
Características
El cohete medía 13 metros, tenía un diámetro de 1,98 metros y podía colocar
una carga de 73 kg en una órbita a una altura de 200 km.
Ariane es una familia de vehículos lanzadores de elaboración europea, fabricados inicialmente por un consorcio
de la Agencia Espacial Europea -ESA, así como para el lanzamiento de satélites. El primer lanzamiento de un
vehículo Ariane se realizó el 24 de diciembre de 1979, tratándose de un lanzador de 47 metros de longitud y con
una fuerza capaz de poner en órbita geoestacionaria una carga máxima de 2580 kg.
La base de lanzamiento de este tipo de cohetes está en Kourou (Guayana Francesa). En el año 1980, la
construcción de estos cohetes se transfirió a la empresa Arianespace, que mejoró estos vehículos con la serie
Ariane 4, la primera de 4 motores y las dos siguientes con uno, con capacidad para acoplarle cuatro propulsores
auxiliares más, y lanzar una carga de hasta 4200 kg. La familia de lanzadores ha tomado rápidamente una
importante parte del mercado de lanzamiento de satélites en órbita geoestacionaria. En 2009, la lanzadera
Ariane, ostentaba el 50 % del mercado.
La versión actual es el modelo Ariane 5, con una mayor carga útil y desarrollado con vistas al lanzamiento de
vehículos tripulados comandados por el transbordador europeo Hermes (programa finalmente cancelado) y a la
realización del programa de instalación de una base lunar mediante el programa de alunizaje suave LEDA.
Versiones:
● Ariane 1, primer despegue con éxito 24 de diciembre de 1979
● Ariane 2, primer despegue con éxito 20 de noviembre de 1987 (despegue fallido el 30 de mayo de 1986)
● Ariane 3, primer despegue con éxito 4 de agosto de 1984
● Ariane 4, primer despegue con éxito 15 de junio de 1988
El cohete Soyuz o lanzador Soyuz (en ruso, Союз, "Unión") es un vehículo de
lanzamiento desechable fabricado por TsSKB-Progress. Se ha usado como
lanzador para las naves tripuladas Soyuz como parte del programa Soyuz.
Actualmente también se usan para lanzar naves de suministro Progress no
tripuladas hasta la Estación Espacial Internacional y para lanzamientos
comerciales.El lanzador fue usado por primera vez en 1966, derivado del lanzador
Vostok, que a su vez se basa en el misil balístico intercontinental 8K74 o R-7a.
Era inicialmente un cohete de tres etapas con una etapa superior Block I. Más
tarde se produjo una variante Molniya mediante la adición de una cuarta etapa,
que le permitía alcanzar la muy elíptica Órbita de Mólniya. La producción de
lanzadores Soyuz alcanzó un máximo de 60 por año a principios de la década de
1980. Se ha convertido en el lanzador espacial más usado del mundo, volando en
1700 ocasiones, mucho más que cualquier otro cohete. Tiene un diseño básico
muy viejo, pero es notable por su bajo costo y alta fiabilidad, ambas cosas
atractivas para los clientes comerciales.
Características
El cohete medía 20 metros, con un diámetro de 2,68 metros y puede llevar hasta
8.2 toneladas de carga útil..
Vega es un cohete de lanzamiento desarrollado conjuntamente por la Agencia Espacial Italiana (ASI)
y la Agencia Espacial Europea (ESA) desde 1998, cuyo primer lanzamiento tuvo lugar el 13 de
febrero de 2012 desde el puerto espacial de Kourou. Ha sido diseñado para lanzar pequeñas
cargas: satélites de 300 a 2000 kg para misiones científicas y de observación de la Tierra en órbitas
bajas y polares.
Tiene su origen en el programa italiano Vega (Vettore Europeo di Generazione Avanzata) de inicios
de los 90 que buscaba sustituir los cohetes Scout usados por la Agencia Espacial Italiana. El
programa Vega fue aprobado por la Junta del Programa Ariane de la ESA del 27-28 de Noviembre
de 2000. El cohete tiene las mismas capacidades que un misil intercontinental (ICBM) de largo
recorrido.
Es el sucesor del Ariane 4, pero no es un derivado directo. Su
desarrollo llevó 10 años y costó 6 mil millones de euros. Desde
su primera, y fallida, misión V89 el 4 de junio de 1996, el Ariane 5
se ha convertido en el cohete espacial europeo más importante.
Más de dos décadas de lanzamientos con una fiabilidad
envidiable han hecho del Ariane 5 un éxito comercial y todo un
referente de la industria espacial europea con más de 100
lanzamientos.
● Ariane 5, primer despegue con éxito 30 de octubre de 1997
El principal objetivo de Ariane-6 es proporcionar a
Europa el acceso al Espacio a precios
competitivos sin la necesidad de apoyo del sector
público para la explotación del servicio. Ariane-6
deberá ser capaz de llevar adelante una amplia
gama de misiones. Deberá colocar cargas útiles en
la órbita geoestacionaria, ya sea directamente o a
través de órbitas intermedias. También tendrá la
capacidad de colocar satélites en órbitas medias y
bajas. actualmente en desarrollo, previsto el primer
lanzamiento para 2021-2022

5. Modelos
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6. ÷÷
÷÷
* En inglés se utiliza la expresión “rocket science”, la ciencia de los cohetes, para referirse a actividades especialmente
complicadas
El inicio de la carrera espacial
Sí, es “rocket science*”
Grandes accidentes
El difícil reto tecnológico
Algunos datos del lanzamiento de un Ariane 5:
● El cohete pesa más de 800 toneladas
● Después de 3 minutos desde el lanzamiento está a 150 km del punto de lanzamiento y se desplaza a más de 2
km/s (7200 Km/h )
● En 10 minutos ya está a 2000 km y se mueve a 7 km/s (25.000 km/h)
En los lanzamientos se empuja la tecnología a sus límites y eso ha provocado, y provoca, accidentes. Ha
habido muchos accidentes en pruebas de cohetes, la mayoría sin víctimas, aquí contamos algunos de los
más conocidos
La catastrofe de Nedelin
24/10/1960, cosmódromo de Baikonur, Kazajistan (URSS)
● Primeras pruebas del misil soviético R16.
● Misiles y cohetes se mezclaban:el Sputnik
se lanzó en una versión anterior de este misil.
● La competición con Estados Unidos en la
Guerra Fría suponía una gran presión: había que
lanzar cuanto antes.
● Tras posponer un primer lanzamiento por
problemas técnicos, las prisas hicieron que se
saltaran todos los protocolos de seguridad para
lanzar al día siguiente
● La segunda fase del cohete arrancó en tierra, estando aún sobre la
primera, provocando una gran explosión
● El mariscal Nedelin, que da nombre al suceso, fue una de las 78
personas que murieron ese día
Apolo 1, preparando el viaje a la Luna
27/01/1967, Cabo Cañaveral, Estados Unidos
● Era solo una simulación previa al primer vuelo
tripulado del programa Apolo (destinado a
llegar a la Luna)
● No estaba previsto despegar, ni el cohete tenía
combustible. Era una prueba para comprobar
que los sistemas de a bordo funcionaban
desconectados de la torre de lanzamiento
● Un incendio, provocado probablemente por un cortocircuito en la
cabina de mando, se propagó rápidamente en la atmósfera de
oxígeno puro a alta presión
● Los tres astronautas murieron asfixiados al no poder abrir la
compuerta a tiempo
La explosión del Ariane 5
04/06/1996 Centro de lanzamientos de la ESA
Kurou, Guayana Francesa
● Primer lanzamiento del Ariane 5.
● Tras 37 segundos de vuelo el sistema de guiado, el
programa informático responsable de dirigir el
cohete, trató de corregir una supuesta trayectoria
errónea.
● ¡ Pero la trayectoria inicial era correcta ! El sistema
se equivocó por un error en el programa y la
corrección de la trayectoria llevó al cohete a una
ruta imposible.
● El primer Ariane 5 se auto-destruyó tras 39
segundos de vuelo a 3.5 km de altura.
Si sabes programación…
El bug más caro de la historia
En el Ariane 5 se reutilizó el sistema de guiado del
Ariane 4, un cohete más pequeño que no alcanzaba
velocidades tan altas. El error ocurrió al tratar de
convertir (cast) un float de 64 bits en un entero de 16
bits. La conversión no estaba protegida porque
“alcanzar un valor tan alto era físicamente imposible”,
y lo era… en el Ariane 4.
Challenger, un accidente evitable?
28/01/1986 Cabo Cañaveral, Florida, Estados Unidos
● El transbordador espacial explotó dos minutos después del
lanzamiento con 7 astronautas a bordo
● Una de las juntas de unión entre dos secciones de los
“boosters”, los motores externos laterales usados en el
despegue, se rompió y dejo salir gases que se inflamaron.
● Las llamas rompieron el gran depósito central de
combustible provocando una gran explosión
● Las junta que falló ya se había deteriorado en otros vuelo y
los ingenieros de la empresa fabricante expusieron su
preocupación porque las juntas no respondiesen bien a las
temperaturas bajo cero del día del lanzamiento
● A pesar de todo se realizó el despegue. La investigación
posterior mostró que la presión para evitar más retrasos
hizo que se ignorasen protocolos de calidad bien
establecidos
● El análisis detallado de las imágenes del despegue después
del accidente mostró que ya salía humo negro de la junta
antes del lanzamiento como se ve en la foto superior y el
chorro de gas ardiendo al despegar (foto central)
Accidentes más recientes
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7. ● El agua y el aire a presión son los propelentes, la cantidad óptima
de agua es ~ ⅓ del volumen de la botella
● A mayor volumen de la botella mayor cantidad de agua y aire
podemos usar, y mayor altura. A mayor presión mayor altura
● El vuelo tiene 4 fases:
○ Aceleración, se expulsa todo el agua y exceso aire
○ Deceleración, el cohete asciende perdiendo velocidad
○ Caída libre hasta que se abre el paracaídas
○ Descenso controlado con el paracaídas
● La estabilidad del cohete se consigue con 3 ó 4 aletas
● Varios sistemas de apertura de paracaídas:
○ Por pérdida de velocidad
○ Con temporizador
○ Péndulo
○ Arduino, controlado por altímetro
● Páginas interesantes, manuales y videos:
○ http://www.aircommandrockets.com
○ http://www.uswaterrockets.com
○ https://www.youtube.com/watch?v=7bpFsoaOLTM
○ https://www.youtube.com/watch?v=ieyiWYC9-yE
○ https://www.youtube.com/watch?v=YWGpYea7FLI
○ https://www.youtube.com/watch?v=nFJou_uADP4
○ https://www.youtube.com/watch?v=w2-udbLMc9c
○ https://polipapers.upv.es/index.php/MSEL/article/download/6580/7240
○ https://studylib.es/doc/2374295/cohetes-de-agua---manual-del-educador---jaxa
○ https://www.jollylogic.com
○ https://www.apogeerockets.com
○ https://www.youtube.com/watch?v=mTUGKhrt7fM
○ https://www.youtube.com/watch?v=ADgfCEWJcRg
Cohetes de Agua
Cohetes de Modelismo
● Dos sistemas de propulsión:
○ Combustion con motores preparados
○ Por aire y agua a presión
● Interesantes para aplicar principios de física y algunos
problemas idénticos a los cohetes reales:
○ Acción y Reacción
○ Aerodinamica, fricción con el aire
○ Masa inicial/Masa final, Fases
○ Sistemas automáticos de control
● Interesantes para que jóvenes se interesen en Ciencia y
Tecnología
Ascenso acelerado
Ascenso Decelerado
Descenso
controlado
+
-
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