sistemas de propulsion

Grupo de Vigilancia Tecnolgica

Armonizacin de las Actividades

en Propulsin para Espacio en EspaaConclusiones del Panel de expertos

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Doc. N: PAE/Doc- VT/1008

Noviembre de

2010

2Armonizacin de las actividades en propulsin para Espacio en Espaa

ndice

1 Introduccin ................................................................................................. 3

2 reas Tecnolgicas....................................................................................... 3

3 Motivacin del anlisis del rea de Propulsin ........................................ 4

4 La Propulsin Espacial ................................................................................. 4

4.1 Propulsin qumica y de lanzadores ...............................................................6

4.1.1 Propulsin por gas fro ............................................................................6

4.1.2 Propulsin qumica ....................................................................................6

4.1.3 Sistemas alternativos para propulsin de lanzadores .................8

4.2 Propulsin elctrica de satlites .......................................................................8

4.3 Sistemas de vectorizacin de tobera ........................................................... 10

5 Situacin actual y capacidades en el seno de la industria aeroespacial espaola ................................................................................12

5.1 Actividades relacionadas con distintos subsistemas de lanzadores en Espaa...................................................................................12

5.2 Propulsin qumica de satlites .....................................................................15

5.3 Propulsin elctrica de satlites ....................................................................16

5.4 Capacidades en simulacin y validacin de componentes de propulsin .......................................................................................................18

6 Anlisis DAFO ...........................................................................................19

7 Estrategias y tendencias de la propulsin espacial en Espaa a corto y medio plazo ................................................................20

7.1 Actividades relacionadas con distintos subsistemas de lanzadores .......................................................................................................20

7.2 Propulsin qumica de satlites ..................................................................... 21

7.3 Propulsin elctrica de satlites .................................................................... 21

7.4 Tecnologas de validacin y simulacin de componentes de propulsin. ........................................................................................................23

8 Conclusiones y recomendaciones del panel de expertos ........................24

8.1 Conclusiones ..........................................................................................................24

8.2 Recomendaciones ................................................................................................25

Anexo I. Tabla de capacidades ................................................................26

Anexo II. Lista de acrnimos ...................................................................27

Anexo III. Lista de esquemas y figuras ................................................27

3w w w . p l a t a f o r m a - a e r o e s p a c i a l . o r g

La Plataforma Tecnolgica Aeroespacial Espaola (PAE), tiene como objetivo ge-neral el desarrollo y el mantenimiento de una Agenda Estratgica en materia de I+D aeronutica y espacial. Dentro de la PAE el Grupo de Vigilancia Tecnolgica (GVT) tiene como misin el establecer un mapa tecnolgico actual, realizando estudios comparativos con pases de nuestro entorno e identificando necesidades futuras tecnolgicas y de formacin.

Para la realizacin de ese mapa tecnolgico, se han iniciado una serie de mesas de expertos para abordar algunos de los temas prioritarios de la Agenda Estratgica. Por su importancia y por el nmero creciente de empresas a las que afecta, se ha considerado el rea de propulsin como un tema prioritario que, en una primera fase, se referir al rea espacial, siendo por tanto se el objeto de este documento en el que se pretende describir y armonizar todo este tipo de actividades

Los objetivos especficos que el GVT persigue con este informe sobre propulsin son:

>> Contabilizar los recursos y capacidades de que se dispone en Espaa en esta tecnologa.

>> Definir las tendencias futuras.

>> Identificar las sinergias.

>> Identificar las carencias con vistas a futuros desarrollos tecnolgicos.

En febrero y abril de 2010 se convoc a un panel de expertos seleccionados por la Plataforma Aerospacial Espaola en el mbito de las tecnolgicas relaciona-das con propulsin de aplicacin espacial. Los comentarios y recomendaciones recogidas en el panel de expertos servirn de base para la realizacin de este documento sobre la estrategia (mapa de ruta) de desarrollo de las capacidades y tecnologas de Espaa en propulsin.

El mapa de ruta ser presentado a las entidades asociadas a la PAE para que sea tenido en cuenta a la hora de generar nuevos programas de financiacin pblica y para ser utilizado como posicin del sector aeroespacial espaol en los foros in-ternacionales relacionados. Este mapa de ruta ser actualizado peridicamente.

El documento desarrolla las reas Tecnolgicas 6 de Aeronutica y 4 de Espacio inclui-das en la lista de reas Tecnolgicas Prioritarias del Anexo 1 de la Agenda Estratgica de Investigacin Aeroespacial de la Plataforma Aerospacial Espaola.

La Agenda Estratgica de Investigacin define unas reas tecnolgicas prioritarias, den-tro de las cuales se encuentra la propulsin de aplicacin espacial. A continuacin se describirn los motivos por los que se ha elegido tal tema.

Introduccin

reas Tecnolgicas


A continuacin se detallan los motivos por los que se ha llevado a cabo este estudio.

a. En Espaa hay pocos actores en el sector aeroespacial dedicados a propulsin y sera recomendable generar mayores capacidades.

b. El cielo limpio requiere, entre otras capacidades, disponer de componentes y equipos ligeros, eficientes, integrados, y fabricados con tecnologas de materiales y procesos medioambientalmente correctos.

c. Nuevos conceptos de propulsin espacial van a generar nuevas posibilidades de desa-rrollo de I+D.

d. Los centros de ensayo y laboratorios con equipos especializados deben potenciarse en lnea con los nuevos desarrollos. Se precisa una optimizacin de estos recursos y una especializacin de algunos de ellos.

e. Las actividades relacionadas con la armonizacin de la ESA dan la posibilidad de ali-nearse con las necesidades de este organismo internacional.

Bajo el trmino de propulsin espacial se integran todas las formas de obtener empuje para conseguir un movimiento en un sistema o subsistema espacial, sean estos los lan-zadores, satlites o instrumentos mecnicos. Atendiendo al tipo de fuente de energa empleada para generar el impulso necesario, la propulsin espacial puede ser qumica o inica-elctrica. Mtodos ms novedosos, an no probados, incluyen la propulsin nuclear o las velas solares. Para los propsitos de este documento se ha realizado una clasificacin del tipo de propulsin espacial atendiendo primero a la aplicacin del mo-tor, bien sea para su uso en lanzadores o bien sea para satlites.

El sistema de propulsin de los vehculos lanzadores (familia Ariane, Shuttle, Soyuz, etc.) se basa en propulsin qumica con combustibles lquidos y apoyada la mayora de las

veces por propulsin qumica slida para las primeras etapas del lanzamiento. En el caso de satlites, tradicionalmente se ha venido haciendo uso de propulsin qumica como propulsin principal y para control de rbita y actitud. No obstante, la propulsin elc-trica presenta una alternativa ms eficiente para desempear estas labores en algunas misiones y comienza a estar ms presente en las plataformas actuales.

Las tecnologas de propulsin a utilizar en cada caso dependen de la fase de lanzamiento y funcin requerida. La Tabla 1 muestra las tecnologas ms usadas para las distintas funciones as como algunos comentarios relativos a sus limitaciones, ventajas y/o in-convenientes.

Motivacin del anlisis del rea de Propulsin

La Propulsin Espacial


Funciones

Tecnologa

de propulsin Lanzamiento Insercin Mantenimiento Control en rbita de rbita de actitud y maniobra

Gas fro

N2, H2, He X X

Qumica

Lquida

Monopropulsante X X

Bipropulsante X X X X

Slida X X X

Hbrida

Nuclear X X X

Elctrica

Electrotrmica X X X

Electromagntica X X X

Electrosttica X X X

Comentarios

- El bajo nivel de empuje y la alta masa del sistema hacen el gas fro poco ade-cuado para el lanzamiento y la insercin en rbita.

- Los sistemas de monopropulsantes no se usan para lanzamiento e insercin en rbita dado sus escaso rendimiento en empuje.

- Los motores de propulsante slido no pueden apagarse y encenderse, por lo que la regulacin del empuje no es fina y su uso es complicado en maniobras de mantenimiento de rbita y nunca se usan para control de actitud.

- La precisin en la modulacin del empuje en los motores hbridos es una de las razones por la que an no han pasado las etapas de cualificacin y no se usan en vuelo.

- Su uso ha sido investigado y existen prototipos, pero nunca ha sido embarca-da en ninguna plataforma espacial.

- Los reactores de ncleo slido tienen posibilidades de uso a medio plazo.

-Consideraciones polticas y medioambientales hacen que sus aplicaciones sean poco probables, especialmente en lanzadores.

-Debido al bajsimo nivel de empuje proporcionado, su uso en lanzadores es inviable.

- Las misiones se caracterizan por largos periodos de empuje continuado.

- El control de actitud es posible, pero no ha sido usado tpicamente, aunque actualmente cada vez se plantea ms su uso para este tipo de funcin.

Tabla 1. Tecnologas existentes de propulsin y usos caractersticos de las mismas


Siendo estrictos en una revisin de tecnologas y tendencias se deberan considerar tam-bin los desarrollos de propulsin para misiles, los sistemas de motores hbridos para vehculos lanzadores futuros reutilizables tipo Shuttle o para vehculos sub-orbitales. Algunas de estas aplicaciones se mencionan en los desarrollos futuros de propulsin para lanzadores como programas FLPP (Future Launchers Preparatory Programme) que sealan las empresas del panel de expertos.

A continuacin se har un anlisis de dichas tecnologas diferenciando la propulsin qumica y de lanzadores y la propulsin elctrica. Los sistemas de vectorizacin de tobera sern igualmente presentados ya que constituyen lneas de producto que varias empre-sas espaolas han venido desarrollando en los ltimos aos en el campo de la propulsin espacial.

4.1 Propulsin qumica y de lanzadores

4.1.1. Propulsin por gas fro

Aunque pudiera ubicarse como un tipo de propulsin independiente, se incluye en este apartado una breve descripcin de los motores de gas fro de uso para control de actitud de vehculos espaciales. Se trata del mtodo de propulsin ms bsico, simple y fiable, si bien los niveles de empuje proporcionados y los impulsos especficos que se manejan son insuficientes para realizar otro tipo de maniobras que no sean las propias del control de actitud de satlites y sondas de tamao pequeo y medio.

El principio fsico en el que se basa su funcionamiento es la aceleracin debida a la ex-pansin de un propulsante gaseoso, previamente almacenado a alta presin, a travs de una tobera. Tpicamente se usan gases como el nitrgeno o el butano como propulsantes en este tipo de sistemas.

Los sistemas de propulsin por gas fro no han evolucionado demasiado conceptualmen-te (s lo han hecho las vlvulas y reguladores de presin que los constituyen), aunque en la actualidad se trabaja en su miniaturizacin y han comenzado a usarse como sistemas de micropropulsin para plataformas pequeas y como actuadores que permiten control fino de empuje.

Existen varios proveedores de componentes integrantes de este tipo de sistemas a nivel europeo, siendo los elementos clave en su constitucin.

Los depsitos de combustible. EADS-Astrium es el principal proveedor de este tipo de unidades en Europa. No obstante, dado que el proceso de calificacin de un tanque es un proceso costoso, la variedad de modelos disponibles es escasa y se suele recurrir a fabricantes estadounidenses para su aprovisionamiento.

Las vlvulas y los reguladores de presin. Empresas como Marotta, AMPAC y Bradford Engineering son los proveedores habituales de este tipo de elementos. Se ha evolucio-nado desde los reguladores de tipo mecnico a los de tipo bang-bang, capaces de con-trolar flujo y presin simultneamente y de forma muy precisa. Actualmente, se estn centrando los esfuerzos en desarrollar reguladores tipo vlvula de flujo proporcional, que permitirn un control de presin y gasto msico adaptable segn los requisitos que se demanden al sistema de propulsin a lo largo de la vida de la misin.

4.1.2. Propulsin qumica

Los motores cohete de propulsin qumica son los ms empleados actualmente en es-pacio, siendo adems los nicos capaces de proveer el empuje necesario para un lanza-miento. El proceso qumico que los alimenta es la combustin de determinados propul-santes (un compuesto combustible y otro oxidante) que genera las partculas gaseosas a alta temperatura y velocidades responsables del empuje.

El propulsante que alimenta el motor de un avin a reaccin est compuesto de un solo componente qumico, el llamado combustible (en este caso especfico se trata de queroseno) que se quema por el oxgeno que el motor extrae del aire. Sin embargo, el propulsante que alimenta a un motor cohete debe tener, adems del combustible, tam-bin un oxidante (o comburente), es decir, un compuesto qumico necesario para hacer quemar el combustible, ya que el cohete debe volar sobre todo en el vaco del espacio, donde no hay oxgeno.

Los cohetes de propulsin qumica, a su vez, pueden ser de dos tipos: de propulsante slido y de propulsante lquido.

4.1.2.1 Motores cohete de propulsante slido

En los cohetes de propulsante slido, el combustible y el oxidante se mezclan conjunta-mente bajo la forma de un polvo compacto y solidificado, llamado grano o veta. ste se acumula en las paredes del depsito que har a su vez las veces de cmara de combus-

7tin adhirindose perfectamente a las paredes y dejando un agujero cilndrico central. El inicio de la combustin del grano se lleva a cabo por medio de un impulso elctrico. Una de las combinaciones ms utilizadas para propulsores slidos es la mezcla de poliureta-no, un combustible plstico, con perclorato de amonio como oxidante; aunque tambin se emplean otras mezclas.

Figura 1. Esquema de motor cohete de propulsante slido

El principal fabricante a nivel europeo, con la produccin de los motores de propulsante slido de Ariane 5 como ejemplo, es la empresa francesa SNPE Materiaux Energetiques. Esta empresa tiene amplia experiencia en este tipo de motores que se basan en motores cohete creados con fines militares para su uso en misiles balsticos.

La italiana Avio ha adquirido gran experiencia en el desarrollo de este tipo de motores en los ltimos aos debido a su responsabilidad en el diseo de los motores Zefiro que constituyen el sistema de propulsin principal del lanzador Vega.

4.1.2.2 Motores cohete de propulsante lquido

Los cohetes de propulsante lquido, por lo general, llevan el combustible y el oxidante en dos depsitos separados. Simplificando su funcionamiento, se puede decir que los dos lquidos son enviados por medio de una bomba a la cmara de combustin donde, al entrar en contacto, desarrollan el proceso qumico que da lugar a un potente flujo de partculas gaseosas. Una de las combinaciones ms empleadas para los cohetes de pro-pulsante lquido es la de hidrgeno lquido (combustible) con oxgeno lquido (oxidante). sta ha sido la adoptada, por ejemplo, para alimentar algunos de los numerosos motores del Saturno V, que llev a los americanos a la Luna o, actualmente como propulsin prin-cipal del lanzador europeo Ariane 5. Naturalmente, gases como el hidrgeno y el oxgeno

existen en estado lquido a temperaturas criognicas (algunas decenas de grados por encima del cero absoluto): por lo que las operaciones para cargar, adecuar y controlar trmicamente los depsitos son sumamente complejas. Otra combinacin de propulsores lquidos es la de hidracina (combustible) y perxido de nitrgeno (oxidante).

Figura 2. Motor cohete bipropulsante de ciclo expansor

En Europa, la empresa del grupo Safran SNECMA es la principal fabricante de motores cohete bipropulsantes para lanzadores, produciendo, entre otros, el motor Vulcain-2 y el Vinci para Ariane 5. Otras empresas como EADS-Astrium tambin poseen motores de bipropulsantes, pero escalados para su uso en satlites como sistemas de control de rbita y, en algunos casos (satlites grandes) tambin para control de actitud.

Tambin existen cohetes de propulsin lquida que recurren al llamado monopropulsan-te, es decir, a un nico compuesto qumico en estado lquido que se hace pasar a travs de un catalizador, presente en el interior de la cmara de combustin. Este catalizador tiene la capacidad de descomponer el propulsante en una reaccin altamente exotrmi-ca, lo que genera un gas de alta presin y temperatura que, acelerado por la expansin en la tobera de salida, produce el empuje. Tal es, por ejemplo, el caso de la hidracina (el ms utilizado) y del perxido de hidrgeno que, en contacto con un catalizador de pla-tino, se descompone en oxgeno y vapor de agua sobrecalentado.

Los principales fabricantes a nivel continental de este tipo de motores son EADS-Astrium y AMPAC, siendo el tipo de propulsin empleado ms a menudo para control de actitud tanto de satlites comerciales como cientficos y de observacin de la Tierra.

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Una caracterstica que diferencia a los cohetes de propulsin slida de los de propulsin lquida es que, en los primeros, la combustin y, por lo tanto, el empuje, dura hasta la extenuacin del propulsante; en cambio en los segundos es posible bloquearla, interrum-piendo el flujo de alimentacin del propulsante lquido contenido en los depsitos, por medio de una vlvula. De esta forma, un cohete de propulsante lquido puede apagarse y encenderse a voluntad.

Finalmente, cabe mencionar los motores cohete hbridos, actualmente en fase de desa-rrollo y prueba, en los que el combustible es un compuesto slido que recubre la cmara de combustin, la cual se alimenta con un oxidante lquido cuyo flujo puede ser contro-lado por medio de una vlvula.

4.1.3. Sistemas alternativos para propulsin de lanzadores

En los ltimos 40 aos, los vuelos al espacio tripulados han utilizado tecnologa de pro-pulsin de cohetes bien probada como son los motores basados en combustibles lquidos y slidos. Estos sistemas de propulsin son una ventaja para el transporte de astronautas y de cargas frgiles puesto que poseen un arranque inicial lento desde la Tierra con su tanque de combustible lleno, y a medida que el combustible se consume, ste asciende e incrementa de velocidad. Aparte de optimizar la aerodinmica y los aspectos trmicos, las aceleraciones producidas son mucho ms pequeas con valores mximos del orden de unos pocas unidades g.

A pesar de que slo una pequea parte de la masa inicial alcanza la rbita, son necesarios cohetes de decenas de toneladas para llevar poca masa a una rbita cercana a la Tierra. Por otro lado, no hay que olvidar el elevado coste que conlleva el consumo de combusti-ble qumico. Se estima que el transporte de 1 kg a la rbita LEO cuesta ms de 20.000 , lo que significa que de no encontrarse alternativas, slo unos pocos con presupuestos altos podrn acceder al Espacio ahora y en un futuro.

Algunas de las alternativas que se proponen en la actualidad son el uso de mejores combustibles, lanzadores tipo lser, o incluso gun launchers (propulsin tipo can). Todas ellas tienen en comn la ventaja de tener su mecanismo de lanzamiento en la Tierra. Los lanzadores tipo lser presentan serios problemas de viabilidad debido a que requieren de elevadsimas potencias en torno a giga-vatios para funcionar as como su baja eficiencia.

Sin embargo, con respecto a los gun launchers, si el lanzador y su plataforma de lanza-miento son suficientemente largos, la aceleracin puede verse reducida considerablemen-

te, y haciendo un esfuerzo por construir componentes tecnolgicos capaces de soportar dichas aceleraciones, se podra utilizar dicha tcnica de lanzamiento para transportar cargas a rbitas bajas (LEO, MEO) o incluso GEO, sin utilizar combustible lquido en sus primeras fases, permitiendo as aumentar considerablemente las posibilidades de alcance de los actuales lanzadores espaciales.

Existen investigaciones de viabilidad llevadas a cabo en el pasado por agencias europeas como la alemana DLR en conjuncin con EADS Space Transportation, cuya conclusin permite identificar que el proyecto es viable y factible. Por otro lado, la Marina estadouni-dense se encuentra en pleno desarrollo de una plataforma de lanzamiento similar para el sector de defensa martima. No obstante, este tipo de sistemas solo sera viable a medio plazo para lanzamiento de cargas de pago muy pequeas (satlites de unos pocos kilos).

En general, las tendencias y las inversiones actuales en el campo de los sistemas de lanzamiento van encaminadas a optimizar las tecnologas crticas existentes (motores, estructuras, controles, etc.) para poder hacer los lanzadores actuales ms eficientes y a menor coste. Las actuaciones e inversiones en este sentido estn detalladas en el progra-ma FLPP de la ESA que, entre otras, contemplan a medio plazo el desarrollo de lanzadores de media carga basados en tecnologas ya maduras y existentes y, a largo plazo, el posible desarrollo de un nuevo vehculo lanzador de gran capacidad (futuro sucesor de Ariane 5, en el que Espaa ya ha mostrado su inters de participar de forma ms activa que en su predecesor).

4.2 Propulsin elctrica de satlitesEl incremento de la potencia elctrica disponible a bordo de los satlites y las misiones ya culminadas con xito estn acelerando la implantacin de la propulsin elctrica en misiones espaciales tanto cientficas como comerciales. El alto impulso especfico de los motores elctricos, tpicamente un orden de magnitud superior a los motores qumicos, permite un ahorro similar en la masa de combustible transportado, y hace a los motores elctricos idneos para misiones con requerimientos de empuje total elevado. Ello per-mite reducir significativamente el coste de la misin, incrementar la carga til, o alargar la vida til del satlite.

La propulsin elctrica es hoy utilizada por una centena de satlites comerciales para las operaciones de mantenimiento orbital y es un paquete opcional estndar de los contra-tistas principales del mercado de satlites (Lockheed-Martin, Loral, Boeing, Aerojet, Sne-cma, Astrium). El principal cliente actual de la PE son los satlites de telecomunicaciones.


Una vez los motores inicos y los motores de efecto Hall (MEH) han demostrado su fia-bilidad y buenas actuaciones, el principal reto es su competitividad. El coste del sistema completo del motor elctrico ha de compensar los sobrecostes de lanzamiento asociados al combustible del motor qumico. El ritmo de implantacin de la PE y los programas de desarrollo de los fabricantes estn limitados adems por el pequeo nmero anual de satlites lanzados, la limitada historia de vuelo, y el elevado nmero de fabricantes.

La propulsin elctrica resulta casi imbatible en misiones interplanetarias dados los fuer-tes requerimientos de empuje total, limitado presupuesto de las mismas, y posibilidades de optimizacin de la misin. En este sentido, la propulsin elctrica permite un empuje modesto y continuo, que hace a la misin menos dependiente de asistencia gravitacional y de las ventanas de lanzamiento. La misin americana Deep Space 1 (1998) supuso un gran xito para los motores inicos, y la misin europea SMART-1 lo supuso para los motores de efecto Hall. SMART-1 fue la primera misin de la historia donde se us un motor Hall para la propulsin primaria de un satlite de 350 kg con 82 kg de xenn, realizando la transferencia orbital desde GTO hasta rbita polar lunar.

El uso de la propulsin elctrica est limitado por las fuentes de energa elctrica. En la mayora de satlites sta proviene de paneles solares. Esta restriccin es el principal freno al desarrollo de motores inicos y de efecto Hall de potencias superiores a 2-4 kW. El problema es mucho ms evidente en motores como el impulsor magneto-plasma-dinmico (magnetoplasmadynamic thruster o MPDT), inventado hace varias dcadas, y que necesitara de un reactor nuclear a bordo, pues su rango ptimo de potencias es del orden del MW.

El desarrollo industrial de la propulsin elctrica requiere un buen funcionamiento del tringulo con vrtices: la industria, las instituciones y los centros de investigacin. Este tringulo opera ms eficientemente en EE.UU. donde la actividad espacial es ms inten-sa, la experiencia e innovacin industrial mayor, la NASA y la Fuerza Area patrocinan ambiciosos programas estratgicos y las Universidades tecnolgicas tienen una tradi-cin fuerte en I+D.

En Europa, Snecma, Astrium y Qinetiq son los principales fabricantes europeos de MEH y motores inicos respectivamente. Habra que aadir adems los fabricantes rusos, muy expertos en MEH. A nivel institucional ESA cuenta hoy da con un asentado programa en PE. Su reciente documento European Space Technology Harmonisation Technical Dos-sier: Electric Propulsion Technologies detalla las tecnologas en desarrollo en Europa, los actores principales, los intereses estratgicos europeos y el mapa de ruta de la Agencia. Entre los programas nacionales en PE destaca el programa francs que hace de los mo-

tores de efecto Hall una tecnologa estratgica nacional, y que se desarrolla a travs de un Groupe de Recherche que agrupa a los vrtices industrial, institucional e investi-gador. Hay importantes programas de investigacin y desarrollos propios en Propulsin Elctrica en Alemania, Reino Unido e Italia, no as en Espaa.

Entre las tendencias a medio plazo para el uso y desarrollo de la propulsin elctrica cabe sealar las siguientes:

>> Misiones cientficas. Es esperable un incremento sustancial de la propulsin elctrica en misiones interplanetarias y otras de alto empuje total por los beneficios apun-tados anteriormente. Dentro de los programas de la ESA, la PE est asignada o en consideracin para las misiones Goce, Bepi-Colombo, Microscope, Lisa-Pathfinder, Microscope, Darwin, Proba-3 y Alphabus.

>> Transferencia orbital parcial. Los nuevos diseos de motores elctricos para satlites GEO buscan operar eficientemente en dos modos, uno de alto impulso especfico para mantenimiento orbital y otro de alto empuje para la parte final de la transfe-rencia a GEO.

>> Desorbitacin al final de la vida til. Esta misin, que no tiene unas restricciones importantes de tiempo y operacin, es idnea para motores de bajo consumo.

>> Compensacin de resistencia en rbitas LEO. La propulsin casi continua y el bajo consumo son muy ventajosos.

>> Desarrollo de subsistemas y materiales. Buena parte de la innovacin y el desarrollo se dedicar a los varios subsistemas y elementos crticos de estos motores como la uni-dad de proceso de potencia, el sistema de alimentacin de gas, el neutralizador, y los distintos sistemas electromagnticos que interactan directamente con el plasma.

>> Micropropulsin. El uso de nanosatlites va a incrementarse enormemente. Varios diseos de motores elctricos son miniaturizables a potencias del orden de 1 W.

>> Alta potencia. El incremento de la potencia elctrica instalada en paneles solares justifica el desarrollo a medio plazo de motores de 10-30 kW. Los motores por enci-ma de 100 kW slo saldrn adelante de la mano de fuentes de energa nuclear.

>> Nuevos diseos. La variedad de posibles diseos de motores elctricos es grande, dependiendo de los principios fsicos y las soluciones tecnolgicas que se usen para la generacin, energizacin y aceleracin del plasma. Al ser una tecnologa innova-dora, surgen con frecuencia desde diseos muy novedosos hasta otros que buscan optimizar motores ya desarrollados.


Una relacin no exhaustiva de motores elctricos con potencial de futuro en Europa o de inters para ella es la siguiente:

>> Motor inico. En fase de comercializacin. Nuevos diseos buscan mejorar actua-ciones, aumentar vida til y rango de potencias. En Alemania (tambin en EE.UU. y Japn) se est desarrollando el motor inico de radiofrecuencia.

>> Motor de efecto Hall. En fase de comercializacin y con objetivos similares al motor inico con el que compite en muchos segmentos. Tiene ventajas en rbitas terrestres y desventajas en misiones interplanetarias.

>> Motor de efecto Hall con cspide magntica. Es una variante del anterior con una configuracin muy diferente del campo magntico aplicado. Tiene buenas perspec-tivas. Est en fase de rpido desarrollo en Thales-Alemania, donde se conoce como HEMPT y, de fuerte investigacin en EE.UU. (MIT, Princeton PPL, Stanford University) donde se llama Diverging Cusped Field Thruster (DCFT).

>> Motores de arco elctrico. En vuelo comercial desde los aos 90. Investigaciones para alto impulso especfico y potencias se realizan en Alemania.

>> MPDT. Es el motor electromagntico clsico desde hace dcadas pero su existencia depende de la energa nuclear.

>> MPDT con campo aplicado. Es una variante del anterior que puede ser eficiente por debajo de los 100 kW. Es una de las opciones interesantes a medio plazo. Hay pro-gramas activos en Alemania e Italia.

>> Motor helicn. Es un diseo nuevo que ha de demostrar su potencial. Consta de una fuente helicn y de una tobera magntica. Se estn probando prototipos de motor de 1 y 50 kW para uso espacial en EE.UU. y se est diseando un mini-motor dentro del 7PM europeo.

>> VASIMR. Es un motor ligado a la NASA con alguna colaboracin menor en Europa. Tiene elementos comunes al anterior pues consta de una fuente helicn, una fuente de energizacin del plasma y una tobera magntica, pero est pensado para poten-cias desde 100 kW hasta 10 Mw. Ha adquirido gran importancia cuando se firme su prueba en la ISS en 2013.

>> Field Emission Electric Propulsion (FEEP). Es un micromotor en desarrollo en Italia y Austria y comprometido ya para alguna misin de la ESA.

>> Motor coloidal. Es competidor natural del anterior, desarrollado principalmente en EE.UU.

>> Pulsed Plasma Thruster (PPT). Competidor de los anteriores pero con tecnologa di-ferente y ms sencilla. Ya probado en vuelo.

Otro tipo de motores que se ha venido considerando elctricos, pero cuyo perfil de em-pujes e impulsos especficos se acerca ms a los considerados como qumicos, son los resistojets. El hecho de que se suelan clasificar como elctricos viene de que se aumenta la energa interna de un fluido antes de expansionarlo en una tobera mediante un calenta-dor elctrico. De esta forma, a costa de un gasto de potencia, se consiguen mejores pres-taciones que las obtenidas en un sistema de expansin de gas sin calentar. Los resistojets se vienen usando desde hace dcadas, aunque no de forma generalizada. En Europa, SSTL y Alta tienen desarrollos y unidades en esta lnea. Mencin aparte de esta relacin de mo-tores elctricos merecen las amarras electrodinmicas, con funciones tanto propulsoras como de generacin elctrica, y con una historia accidentada de pruebas en vuelo.

4.3 Sistemas de vectorizacin de toberaLos sistemas de vectorizacin de tobera se utilizan para modificar el vector empuje. El siguiente diagrama muestra un resumen de diversas tecnologas disponibles que bsica-mente se agrupan en tobera fija y tobera mvil.

Esquema 2. Clasificacin de los sistemas de vectorizacin de tobera


Entre todas las disponibles y probadas, las ms utilizadas son:

>> Gimbal de tipo Hidroneumtico: la tobera est unida de forma elstica al motor y los sistemas de servo actuadores hidrulicos modifican su posicin. ste es posi-blemente el ms utilizado (Space Shuttle, Ariane V, Pegasus, etc.) sobre todo con combustible slido y el que CESA emple en el Capricornio. Destacan por su probada tecnologa, grandes deflexiones, mnima perdida de empuje y elevadas cargas de operacin. Tienen como inconveniente su complejidad y elevada inercia.

>> Gimbal de tipo Electromecnico: variante del sistema anterior en el que se utiliza servo actuacin electromecnica en lugar de hidroneumtica, tiene la ventaja de una menor complejidad a costa de una tecnologa menos probada y para cargas operativas menores. ste es uno de los sistemas donde se concentran los nuevos desarrollos.

>> Jet Vanes, son deflectores mviles que se introducen en el chorro del motor cohe-te y modifican la direccin del empuje. Necesitan de materiales muy resistentes al calor y a la erosin. Es un sistema probado, que produce elevadas deflexiones y bajo tiempo de respuesta. Se ha utilizado tanto en lanzadores como en misiles (V2, Scud, Redstone, Sergeant (Castor engine), Talos, Pershing [TX-174 engine], etc.). Tienen el inconveniente de una perdida de empuje (3-5%), duracin limitada y erosin. Actualmente no hay desarrollos de nuevos lanzadores conocidos basados en este sistema.

>> Inyeccin Lquida: sistema patentado por A.E. Wetherbee, Jr en 1949. Consiste en inyectar un liquido inerte (agua) o reactivo (hidrazina, tetrxido de nitrgeno) en la zona divergente de la tobera. El cambio en la direccin de empuje es debido al mo-mento del lquido inyectado y al desbalanceo de presiones por la reaccin del lquido en la superficie de la tobera normal a la lnea de empuje. Es un sistema probado y en servicio en varios lanzadores (Polaris A3, Minutemam III, Titan III, Sprint, Hibex y Lance). El sistema tiene la ventaja de aumentar el empuje del motor, rpida respues-ta y poco mantenimiento. Sin embargo es un sistema pesado y con poco ngulo de deflexin.

>> Inyeccin de Gas: sistema similar al anterior, pero en el que se realiza una inyeccin secundaria de gas en la zona divergente de la tobera. Este gas puede ser caliente, fro y de la propia cmara de combustin (By-pass). El gas caliente proviene de un generador de gas (un motor de combustible slido) y se controla mediante unas vlvulas que trabajan a muy alta temperatura. En el caso del gas fro, este proviene de un tanque de almacenamiento. En el By-pass, se utilizan los propios gases de la cmara de combustin que estn a elevada temperatura y presin. En ambos casos donde el gas es caliente, las vlvulas de control deben trabajar a temperaturas muy elevadas y son de un desarrollo complejo basado en tecnologa de materiales tipo carbn-carbn, HfC, TaC, ZrC, W and W-25Re.

>> El sistema es ms ligero que la inyeccin de lquido, de respuesta rpida y poco mantenimiento pre-vuelo. En contra, est limitado a deflexiones inferiores a 7 y no permite un control preciso de velocidades.

>> Flujo Lateral: consiste en la apertura de orificios en la tobera de salida de los que se extrae gas que se expele en toberas perpendiculares a la direccin del chorro princi-pal mediante una vlvula de control de flujo. Estas vlvulas deben tambin soportar temperaturas entre 1.600 C y 2.000 C. Es un sistema sencillo de pocos componen-tes, produce ngulos de deflexin bajos, es difcil de adaptar a motores lquidos por compatibilidad con el sistema de refrigeracin de la tobera y es un sistema an no probado.

>> Aletas Aerodinmicas: es un sistema muy efectivo para control dentro de la atmos-fera, eficiente en trminos de peso, momento proporcionado y potencia de actua-cin. Su nica desventaja es que introduce una mayor resistencia.

En los sistemas de control de tobera la tendencia es a utilizar cada vez ms sistemas de actuacin elctrica por su menor complejidad, peso y mayo integracin en el control del vehculo. La limitacin actual es debido a las fuerzas de empuje de los dispositivos electromecnicos, que limitan su aplicacin en las primeras etapas de los lanzadores de gran tamao. Otros sistemas menos convencionales, como el flujo lateral o el By-pass de gas caliente, requieren an de un desarrollo importante en tecnologas de materiales de alta temperatura para las vlvulas de control.


En el panel de expertos para la elaboracin de este documento se han reunido las prin-cipales empresas, universidades y centros tecnolgicos con actividades de propulsin espacial en Espaa, que de forma resumida son:

>> Astrium-Crisa en la electrnica de gestin de actuadores de Ariane y VEGA, adems de su desarrollo de sistemas de gestin de potencia en motores inicos de rejilla tipo T5 para el satlite GOCE y tipo T6 para Bepi Colombo y Alphabus.

>> IberEspacio, diseo de componentes del motor y anlisis de vuelo de motores y eta-pas del Ariane. Ha desarrollado el estndar de la ESA de modelos de simulacin con ECOSIM tanto para la pequea como para la ms potente propulsin espacial. Desarrolla tambin sistemas de diagnstico automtico para el futuro lanzador eu-ropeo. Ensambla la etapa de regulacin de presin electrnico para la plataforma de propulsin elctrica Small Geo.

>> SENER ha realizado anlisis de diversos tipos para diseo y optimizacin de actua-ciones de lanzadores (Ariane, Vega), ha sido responsable del diseo de sistemas de propulsin para plataformas como OLEV (Orbit Life Extension Vehicle) y ha partici-pado en diferentes estudios y proyectos relacionados con temas de propulsin espa-cial (plume impingement, sloshing de propulsantes en tanques, diseos preliminares para diversas misiones, trade-offs).

>> CESA ha desarrollado el Sistema de Vectorizacin de Tobera (Thrust Vectoring Con-trol TVC) y el Sistema de Control de Actitud (Attitude Control System ACS) para el lanzador de mini satlites CAPRICORNIO (INTA). Adems participa dentro del pro-grama ALDEBARN en los estudios comparativos para seleccin de tecnologas para control de tobera y control de actitud en distintas aplicaciones.

>> NAJERA Aerospace ha comenzado con desarrollos de nuevos sistemas de propulsin para lanzadores (can electromagntico por rail) y para nanosatlites tipo PPT.

>> La unidad aerospacial de Tecnalia trabaja sobre piezas crticas del motor efecto Hall europeo tipo PPS-1350, habiendo desarrollado materiales cermicos especficos para motores de propulsin elctrica para motores ROS2000, SPT100, DSHET, e investiga-ciones de nuevos materiales en las toberas de compresin de motores de propulsin qumica, y micropropulsores de gas fro.

>> El Equipo de Propulsin Espacial y Plasmas de la UPM est dedicado a estudios tericos y desarrollos de cdigos de simulacin de propulsores de plasma, como los motores de efecto Hall en distintas configuraciones, los motores helicn y las tobe-ras magnticas.

Dado que entre las empresas y organizaciones que trabajan en el sector de propulsin espacial en Espaa no existe ningn constructor o integrador de motores, y teniendo en cuenta que el documento pretende la identificacin exhaustiva de los productos y actividades de las empresas espaolas en este mbito, se ha incluido en esta revisin un apartado para los sistemas auxiliares (actuadores electromecnicos principalmente) y las capacidades y productos en simulacin y validacin.

A continuacin se exponen con detalle estas capacidades y referencias de la industria y organizaciones espaolas en propulsin. Previamente se realiza una introduccin al estado del arte de las tecnologas de los sistemas de propulsin para cada aplicacin. Las tablas de capacidades tecnolgicas se han trasladado al Anexo I (incluida la parte de aeronutica que se tratar en una segunda fase).

5.1 Actividades relacionadas con distintos subsistemas de lanzadores en Espaa

a) ASTRIUM - CRISA

Crisa es desde sus orgenes una referencia europea en la electrnica (avinica) de lanza-dores de la familia Ariane (Ariane 5, VEGA) as como en el ATV y el IXV.

La electrnica de lanzadores requiere una tecnologa especial debido a los requisitos especficos de un lanzador, bsicamente en estos aspectos:

>> Niveles de vibracin y choque inducido por actuadores pirotcnicos.

>> Entorno de Radiacin.

>> Requisitos muy crticos de EMC.

>> Seguridad y proteccin contra riesgos catastrficos.

>> Capacidad de monitorizacin y anticipacin al fallo.

>> Calidad de los componentes.

Todas estas tecnologas estn ya desde hace aos implantadas en Crisa y en permanente evolucin habiendo demostrado ser un centro de excelencia en electrnica de lanzadores desde hace 25 aos.

Para Ariane 5 Crisa ha desarrollado las Electrnicas Secuenciales de las que se embarcan cuatro unidades en cada lanzador, dos en la etapa superior (en la Caja de Equipos) y otras

Situacin actual y capacidades en el seno de la industria aeroespacial espaola


dos en la inferior o EPC. Estos equipos se ocupan del control y la activacin de todos los actuadores del lanzador incluyendo los del motor principal Vulcain.

Crisa ha entregado ms de 300 unidades de la Electrnica Secuencial sin haberse infor-mado de ninguna incidencia en vuelo.

La Electrnica Secuencial en el lanzador Ariane 5

Para VEGA Crisa ha desarrollado la MFU (MultiFunctional Unit), equipo que proporciona el control de actuadores, la distribucin de potencia y la cadena pirotcnica completa. Siendo el equipo, adems, que implementa el sistema de comunicaciones de datos inter-no y externo (umbilical) del lanzador. Este equipo est ya calificado y la primera unidad de vuelo acabada.

Por otra parte Crisa es responsable de la integracin de la bandeja de avinica del lanza-dor as como del diseo y fabricacin del cableado.

Figura 3. La Electrnica Secuencial en el Lanzador Ariane 5

Figura 4. La unidad MFU y la bandeja de equipos del mdulo de avinica del lanzador VEGA

b) IBERESPACIO

IberEspacio lleva a cabo de forma ininterrumpida desde hace 20 aos el anlisis de datos de vuelo del lanzador europeo Ariane. Actualmente, trata los sistemas de presurizacin de combustible (LH2) y comburente (LOX) y el sistema de comando de las dos etapas criognicas: EPC y ESC-A. As mismo, analiza el consumo de Helio del ESC-A y los fen-menos vibratorios del Vulcain.

IberEspacio lleva a cabo el desarrollo y aplicacin de sistemas de diagnstico automtico para aplicacin off-line del futuro lanzador europeo dentro del FLPP (Future Launcher Preparatory Program) de la ESA. En esta actividad se encuentra adems soportado por la Red de Supervisin y Diagnosis formada por numerosos departamentos de universi-dades espaolas.

14Materiales Compuestos para Aeronutica y Espacio en Espaa

c) SENER

Desde 1967, la implicacin de la empresa en proyectos de espacio, entre ellos programas y desarrollos de diferentes sistemas de lanzamiento ha sido prcticamente continua. En este campo y en los ltimos aos, SENER ha participado en programas como:

>> Programa FESTIP

>> Estudios a nivel sistema

>> Aerotermodinmica

Ariane 4: anlisis de datos de vuelo y anlisis prescar.

Aldebarn: diseo de las operaciones en Tierra para el montaje en integracin del lanzador.

Vega: simulaciones de la separacin de etapas y sus efectos en la aerodinmica del vehculo.

Figura 5. Efectos sobre el vuelo del lanzador de la separacin de etapas en VEGA

>> Ariane 5: desde el ao 2000, SENER ha colaborado en estudios especializados en relacin con diferentes problemticas presentes las etapas superiores de Ariane 5:

Anlisis y simulacin del movimiento de combustibles en los tanques durante fases balsticas.

Acciones de los chorros expulsados por los motores cohete de aceleracin sobre la estructura de la etapa inferior durante la separacin de etapas.

Estudios termodinmicos y de flujos de aire en la cavidad interetapas del vehcu-lo lanzador.

Anlisis de reentrada de las diferentes etapas.

Estas experiencias, junto con capacidades desarrolladas en otras reas de la ingeniera en relacin con el Espacio, posicionan a SENER para poder acometer con xito simulaciones fluidodinmicas, trmodinmicas, estructurales, dinmicas, etc. de sistemas de lanza-miento. Del mismo modo, la empresa tiene capacidades contrastadas en diseo de siste-mas de guiado, navegacin y control, tanto de vehculos espaciales como de mecanismos diversos, vectorizacin de empuje, desarrollo de software y hardware crtico de vuelo y en lneas de produccin, integracin y ensayos de dispositivos electromecnicos.

d) TECNALIA

La Unidad Aeroespacial de Tecnalia ha desarrollado nuevas aleaciones intermetlicas TiAl de aplicacin a partes calientes de lanzadores futuros de nueva generacin (NGL) y de uso en los discos y labes del compresor del motor Vulcain de A5. Adems dispone de sistemas sensores de temperatura y deformacin, y pinturas foto-trmicas utilizables hasta 1.600 C en los ensayos de validacin de los motores.

e) NJERA AEROSPACE

El equipo de NAJERA AEROSPACE S.L. se encuentra inmerso en el desarrollo de la Fase 0 del proyecto EMRAILSYS en el que se estn llevando a cabo investigaciones acerca de una solucin viable de can electromagntico que permita el lanzamiento de cargas pequeas a rbitas bajas.

f) CESA

Desde su fundacin CESA desarrolla y produce sistemas de actuacin de todo tipo (hi-drulicos, neumticos, electromecnicos, piezoelctricos, mixtos...). Las experiencias de CESA en el campo espacial se soporta fundamentalmente en su participacin en los


sistemas auxiliares del lanzador CAPRICORNIO desarrollado por el INTA, as como en la colaboracin en algunos programas de desarrollo como el ALDEBARN, en los cuales CESA ha desarrollado estudios comparativos entre diversas tecnologas as como mo-delos de simulacin.

Su participacin en sistemas auxiliares y mecanismos para lanzadores est centrada en dos reas:

>> Sistemas de Vectorizacin de Tobera (TVC).

>> Sistemas de Control de Actitud (ACS).

El lanzador CAPRICORNIO dispone de un motor de combustible slido con una tobera mvil gracias a una unin flexible del tipo gimbal. La vectorizacin de dicha tobera se lleva a cabo gracias a un sistema de tipo hidroneumtico y consiste en dos servo-ac-tuadores hidrulicos comandados por una unidad de control electrnico (ECU) y un sis-tema auxiliar de generacin de potencia hidrulica. Este ltimo se compone a su vez de acumulador hidrulico, depsito de gas comprimido y vlvulas de ignicin. El desarrollo finaliz con la construccin de un prototipo funcional que fue desarrollado con xito.

Esquema 3. Sistema de vectorizacin de tobera hidroneumtico (Capricornio)

El sistema de control de actitud desarrollado para el CAPRICORNIO fue del tipo Gas Fro consistente en un sistema de toberas controladas por electrovlvulas individuales, alma-cenamiento de Nitrgeno a alta presin y sistema pirotcnico de activacin.

Figura 6. Modelo CAD del sistema Figura 7. Prototipo funcional

La participacin de CESA en programas de desarrollo como el ALDEBARN dentro de los sistemas auxiliares de control de tobera y de actitud le ha permitido explorar el estado del arte y tendencias tecnolgicas en ambos campos. La tendencia es a utilizar cada vez ms sistemas de actuacin elctrica por su menor complejidad, peso y mayo integracin en el control del vehculo, aunque la tecnologa ms ptima depender de la misin y las caractersticas del lanzador.

5.2 Propulsin qumica de satlitesSENER acta como responsable del subsistema de propulsin de la plataforma OLEV (Orbit Life Extension Vehicle), del que forman parte el sistema de propulsin elctrica basado en el uso de motores de efecto Hall y un sistema de gas fro basado en el uso de Xenn. Este sistema es novedoso en su diseo y en la implementacin de ciertos com-ponentes, y representa una opcin para implementar en futuros sistemas de propulsin que combinen, al igual que OLEV, propulsin elctrica y gas fro.

El uso de Xenn como propulsante para un sistema de gas fro no es una eleccin tra-dicional para propulsin espacial. El manejo de Xenn para este propsito, sobre todo en sistemas que requieren empujes por encima de los 100 mN es complicado debido a las propiedades particulares de este elemento. SENER ha desarrollado capacidades para


el diseo de sistemas de este tipo que, dado el incremento del uso de sistemas de pro-pulsin elctrica en satlites, hace la propulsin de gas fro de Xenn un sistema viable y que presenta ventajas frente a otros sistemas para su uso en sistemas RCS (Reaction Control System).

Figura 8. Sistema RCS de OLEV

Las capacidades de SENER en el mbito de la propulsin qumica para satlites se en-focan en la especificacin de requisitos, el diseo, anlisis apoyado en diferentes tipos de simulaciones, etc. de sistemas de monopropulsante y de gas fro, habiendo realizado estas labores para misiones como OLEV, IXV y Marco Polo.

Esquema 4. Sistema de monopropulsante de la sonda Marco Polo

Por otro lado, Tecnalia ha realizado dos tipos diferentes de micropropulsores: uno slo en material metlico (superaleaciones a base de nquel) y otro con combinacin de su-peraleaciones a base de nquel y carburo de silicio (no se fabric nada en nitruro de silicio).

La aplicacin del micropropulsor estaba pensada para microsatlites (es decir, pesos en el rango de 10 a 100 kg). Para esta aplicacin el empuje que se identific como idneo fue de 1000 mN y una potencia de 6 W.

Al final se han conseguido empujes medidos de hasta 500-600 mN (dependiendo de las condiciones de ensayo); un 10% inferiores a los calculados.

5.3 Propulsin elctrica de satlitesa) EP2-UPM

El Equipo de Propulsin Espacial y Plasmas (http://web.fmetsia.upm.es/psp/) de la Escue-la Tcnica Superior de Ingenieros Aeronuticos de la Universidad Politcnica de Madrid cuenta con una larga experiencia en el estudio de la fluidodinmica de los motores de plasma y el desarrollo de modelos y cdigos de simulacin para los mismos. Ha traba-jado para el Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) en el desarrollo de modelos para los Motores de Efecto Hall(MEH) y, en colaboracin con el Space Propulsion Labo-ratory del Instituto Tecnolgico de Massachusetts (MIT) y el Princeton Plasma Physica Laboratory(PPPL), en el desarrollo de las versiones actuales del cdigo HPHall, la prin-cipal referencia en la simulacin de MEH. En programas de la ESA sobre MEH, ha tra-bajado con Tecnalia en problemas de interaccin plasma-material y con Alta (Italia) en el diseo de motores de doble etapa. Participa en el proyecto HPH.com del 7PM para el desarrollo de un mini-motor helicn como principal responsable de los modelos tericos que sustentan el diseo y los cdigos de simulacin. Ha desarrollado recientemente el cdigo DIMAGNO para la expansin supersnica de un plasma en toberas magnticas, con aplicaciones en propulsin y en tratamientos industriales de materiales. Elabora actualmente, en colaboracin con un grupo de Tarrasa de la Universidad Politcnica de Catalua, un cdigo de simulacin anlogo al HPHall para el prototipo de Diverging Cusped Field Thruster(DCFT) de MIT.

b) ASTRIUM CRISA

Crisa, junto con Astrium ASE GmbH, han desarrollado las tecnologas necesarias para la electrnica de propulsin elctrica para espacio y especialmente en sus aspectos de


conversin y gestin de la alta tensin. Estos desarrollos se han realizado para operar con la familia de motores elctricos gridded ion T5 y T6 de QinetiQ (UK) y para los que se firmaron un acuerdo a largo plazo con el fabricante del motor para su explotacin en aplicaciones futuras. Los sistemas de propulsin elctrica basados en los motores de QinetiQ T6 (gridded ion) y en la electrnica de control y alimentacin de Astrium Crisa han sido seleccionados para impulsar la sonda Bepi Colombo en su misin a Mercurio, y tambin han sido seleccionados como la mejor solucin tcnica para la futura plata-forma de telecomunicacin de alta capacidad Alphabus capaz de impulsar el satlite a rbita GEO y mantenerlo en esta rbita toda el tiempo de vida de la misin.

El sistema Solar Electric Propulsion System (SEPS) de Bepi Colombo y el High Power Electric Propulsion System (HPEPS) para satlites GEO como Alphabus estn en estos momentos en su programa de calificacin en Crisa y QinetiQ.

Figura 9. Electrnica de Crisa para motores elctricos T6 de Quinetiq de Bepi Colombo

Antes de iniciar el desarrollo de la electrnica para el motor T6, Crisa complet con xito el desarrollo de la electrnica de control de la misin de la ESA GOCE que se ha completado recientemente con xito y que estaba propulsado por el motor T5 tambin de QinetiQ.

La siguiente figura muestra la arquitectura del sistema con los dos motores T6 y los distintos bloques que constituyen la electrnica de alimentacin y control con sus ele-mentos de Alta Tensin, acondicionamiento de potencia y el sistema de control (LV elec-tronics). Toda la electrnica est contenida en una nica caja con varios compartimentos para segregar adecuadamente los distintos bloques funcionales.

Figura 10. Sistema de propulsin elctrica con dos motores T6 y el equipo PSCU de Crisa

c) IBERESPACIO

IberEspacio, con la participacin de CRISA, lleva a cabo el diseo, fabricacin, califica-cin y suministro de la PSA (Propellant Supply Assembly) para el satlite de propulsin elctrica Small Geo.

d) SENER

Dentro del programa OLEV, SENER es responsable del sistema de propulsin elctrica, que implementa motores de efecto Hall para insercin en rbita y control de posicin y actitud. En este proyecto, se han desarrollado herramientas para la especificacin de requisitos, el diseo de este tipo de sistemas completos, para su simulacin y modelado, aprovisionamiento de unidades, etc.


e) TECNALIA

Tecnalia a travs su departamento aerospacial en San Sebastin, tiene un papel activo en el desarrollo del motor efecto Hall de SNECMA el PPS-1350. Este propulsor es el nico pro-pulsor inico a efecto Hall comercial de Europa, y ha llevado la sonda SMART-1 a la Luna. Posicionado como expertos materiales, Tecnalia estudia una solucin al mayor problema de estos motores: la erosin de la cmara cermica de descargue en el que se confina el plasma. Efectivamente, esta pieza, considerada como crtica, afecta a la duracin de vida del motor. La lnea de investigacin seguida, trata de desarrollar materiales cermicos teniendo una mayor resistencia a la erosin de los iones, y tambin una mejor interaccin con el plasma estudiando el parmetro de Emisin de Electrones Segundarios SEE.

Tecnalia desarroll tambin un equipo de erosin inica de laboratorio que disminuye los costes de tiempo y dinero de ensayos de erosin de vida de estos motores. Este dispositivo es capaz de erosionar varios materiales utilizados en propulsin elctrica tanto metales como cermicos. Tecnalia como experto, quiere participar en programas de la ESA y de la Unin Europea para el estudio del desgaste con iones de Xenon de los materiales para los paneles solares.

Por otra parte Tecnalia tiene una base importante en propulsin inica y ha acumulado un conocimiento importante en el funcionamiento de propulsores y de sus medios de ensayos terrestres. Por eso, Tecnalia esta involucrado en el grupo EP2-UPM (E.Ahedo), la Universidad de Tarrasa, el experto internacional Manuel Martnez Snchez, y la empresa industrial Telstar, para construir una cmara de vaco para ensayos de micro/mini mo-tores elctricos. Este rango de propulsores dispone de pocos sitios de ensayo adaptado a sus tamaos en Europa. Por eso, sera adecuado la construccin en Espaa de este equipo. Los mini/micro motores son particularmente interesantes para aplicacin de posicionamiento de los satlites estndares y como propulsin principal de mini/micro satlites. Todava, muchos de ellos estn en desarrollo y la gran variedad de tecnologa puede suponer un gran inters de la cmara de vaco, de parte de los equipos de inves-tigacin, para poder ensayar los motores.

El tipo de motor Mini-HET que puede ser desarrollado en Espaa, cabe dentro de un rango de Impulso Especfico que de momento no est totalmente estudiado. Este motor permitira a Tecnalia ser ms independiente con el desarrollo de su cmara cermica. Cada cmara cermica de diferente formulacin desarrollada por Tecnalia tiene que es-tar ensayada y la cmara de vaco PIVOINE en Francia, para ser calificada por Snecma. Una cmara de vaco con un mini-HET espaol permitira no ser tan dependiente de estos resultados de ensayos, los cuales se podran realizar sobre un demostrador de tamao ms pequeo, y entonces en menos tiempo.

5.4 Capacidades en simulacin y validacin de componentes de propulsin

En este mbito los principales activos se encuentran en IberEspacio, SENER, y EP2-UPM. La actividad de EP2-UPM est descrita en la seccin anterior. IberEspacio dispone de un sistema de simulacin de componentes de sistemas de propulsin para satlite orienta-da a objetos sobre la plataforma EcosimPro (ESPSS: European Space Propulsion System Simulator). Este conjunto de libreras se ha convertido en el estndar de simulacin de la ESA. Esta actividad est ntimamente relacionada con el desarrollo de PROOSIS para la modelizacin de Turbinas de Gas aeronuticas (proyecto VIVACE del FP6).

Por otro lado, en apoyo de las actividades de diseo, anlisis, desarrollos, etc. de dife-rentes sistemas de propulsin que se han venido desarrollando en SENER, se han creado diferentes simuladores de sistemas y modelos de componentes de sistemas de propul-sin de diferentes tipos, tanto para lanzadores como para propulsin qumica y elctrica de satlites. Principalmente, las simulaciones en las que se ha adquirido ms experiencia en estos campos son:

>> Simulaciones termo y fluidodinmicas:

Anlisis y simulacin del movimiento de combustibles en los tanques durante fases balsticas.

Estudios termodinmicos y de flujos de aire en la cavidad interetapas del vehcu-lo lanzador.

Anlisis de reentrada de diferentes etapas de lanzadores y vehculos.

Simulaciones de golpe de ariete y otro fenmeno en sistemas de alimentacin de combustible para sistemas de propulsin.

>> Simulaciones de interaccin de los sistemas de propulsin en la dinmica de actitud de vehculos espaciales:

Acciones de los chorros expulsados por los motores cohete (plume impingement)e interaccin con lanzadores, plataformas y/o superficies de asteroides.

Accin del sloshing (chapoteo) de los combustibles lquidos en tanques sobre la dinmica del vehculo.


>> Modelos de componentes integrantes de sistemas de propulsin:

Modelos de vlvulas, reguladores de presin, sensores y otros componentes pre-sentes en diseos de diferentes sistemas de propulsin.

Modelos de thrusters tanto de propulsin qumica como elctrica.

Capacidad para modelado y simulacin de sistemas de propulsin completos.

Figura 11. Resultados simulaciones de efectos de impacto de chorros de salida de motores cohete sobre la superficie de un asteroide (trabajo realizado para la misin Marco Polo)

Una vez analizadas las capacidades en el rea de sistemas espaciales, se procede a rea-lizar un anlisis estratgico por medio de un DAFO (Debilidades, Amenazas, Fortalezas y

Oportunidades), de tal forma que se puedan evaluar las ventajas competitivas y plantear la estrategia a emplear, tanto a medio como a largo plazo.

Anlisis DAFO

Comunicaciones

Fortalezas- Crecimiento de capacidades y participacin en equipos auxiliares de la propulsin.- Sinergias con motores aeronuticos.- Presencia en los lanzadores Ariane y Vega.- Existencia de acuerdos internacionales que facilitan el acceso a la propulsin.

Debilidades- Poca experiencia acumulada.- Poca masa crtica.- Ausencia de fabricante de motores en Espaa.- Falta de alianzas con fabricantes de motores europeos.- Falta de crecimiento segn un plan estratgico comn.

Oportunidades - Nuevos conceptos de motores o micromotores.- Aumento de contribucin en el programa de lanzadores de nueva generacin.- Nuevos conceptos de lanzador permiten nuevos desarrollos de sistemas de propulsin y por tanto de nuevos productos.- Ampliacin de las actividades de propulsin elctrica en la ESA.- Uso de nuevos motores elctricos en satlites de telecomunicaciones.- Uso de nuevos motores elctricos en sondas para exploracin interplanetaria.- Uso de motores elctricos como compensacin de la resistencia aerodinmica y desorbitacin al final de vida.- Necesidad de nuevos motores de micropropulsin para micro y nano satlites.- Necesidad de componentes avanzados y calificados (ITAR free) en sistemas de propulsin no existentes en Europa.- Inicio de programas para motores elctricos de mayor potencia (decenas de Kw).

Amenazas - Mercado escaso para el nmero de competidores en Europa.- Bajos precios en las economas emergentes.- Proveedores no europeos con tecnologas muy validadas.


El anlisis DAFO realizado en el apartado anterior lleva a perfilar una estrategia a medio y largo plazo para el rea de sistemas. A continuacin se realiza una descripcin detallada por cada una de las subreas tecnolgicas.

7.1 Actividades de relacionadas con distintos subsistemas de lanzadores

a) SENER

En este campo de aplicacin, la estrategia de SENER a corto y medio plazo se centra en el desarrollo de sistemas electromecnicos y de control para vectorizacin de empuje y de toberas de motores cohete de lanzadores. Con experiencia previa en este tipo de desarro-llos y con proyectos semejantes volados con xito en los ltimos aos (tobera vectorial del motor del Eurofighter), con una slida base en diseo de actuadores electromecni-cos, electrnica de control y HW y SW crticos, SENER, con apoyo de CRISA en la parte de desarrollo de equipos electrnicos, se posicionara como empresa de referencia en este campo en Europa.

Igualmente, se perseguir seguir manteniendo e incrementando el know-how y las ca-pacidades en el anlisis y simulacin de diferentes sistemas y actuaciones de vehculos lanzadores. Se espera mantener contratos vigentes actualmente y conseguir otros para este tipo de estudios en el futuro prximo.

b) CRISA

La electrnica de lanzadores es una de las principales lneas estratgicas de Crisa siendo una prioridad de la compaa seguir siendo un centro de referencia para este tipo de avinica. Las lneas principales de desarrollos tecnolgicos para mantener la competencia en esta rea son:

>> Desarrollos de unidades ms compactas y modulares para Ariane ME y NGL: solucio-nes tipo MFU (Multifunctional Unit) para lanzadores pesados.

>> Ofrecer el Repetidor de Bus 1553 (Data Bus Repeater) desarrollado para VEGA como un producto estndar adaptable a todos los lanzadores en los que es bus de datos se corta abruptamente tras la separacin de etapas.

>> Desarrollar la electrnica de interrogacin de sistemas de adquisicin de datos con sensores de fibra ptica tipo Fiber Bragg Gratting (FBG).

>> Desarrollar soluciones de integracin de electrnica en la estructura de los lanzado-res (Mecatrnica) junto con EADS Casa Espacio.

>> Y en general desarrollar nuevos productos y adaptar los productos existentes a las necesidades de lanzadores de nueva generacin.

c) NJERA

Njera Aerospace est trabajando en proyectos de propulsin futura explicados ante-riormente, igualmente ha identificado una oportunidad de mercado importante para el sector espacial y en particular para el espaol, que consiste en el desarrollo de compo-nentes electrnicos as como materiales y estructuras que permitan soportar o soporten aceleraciones mayores a 60 g a pleno rendimiento y sin degradaciones considerables en su estructura y funcionamiento. Por ello, se concluye que sera una gran oportunidad de destacar en el sector de la propulsin para vuelos no tripulados permitiendo as dejar paso a nuevas formas de propulsin con elevadas aceleraciones.

Adems, el proyecto completamente diseado y desarrollado en Najera Aerospace S.L. ti-tulado Intelligent Avionics Power Bus (bus de energa inteligente para avinica) consiste en un sistema demostrador-prototipo de tecnologas punteras, no probadas en el espacio, y que pretende ser el sistema de alimentacin elctrica de un micro-lanzador espacial de entre 8-15 metros de longitud.

Dicho sistema propone un concepto revolucionario de alimentacin elctrica en un lan-zador que permite reducir al mximo su peso y volumen, al mismo tiempo que optimiza el consumo de energa mediante su gestin inteligente a bordo utilizando el mismo cable de alimentacin para transmitir datos de telemetra, y permitir as un dilogo constante entre las bateras del sistema y el cerebro (On-Board-Computer, OBC).

Al mismo tiempo, el sistema permite una reduccin de peso an mayor al utilizar las ba-teras de la etapa ms baja para alimentar todo el lanzador y eyectarlas al finalizar su vida til, conectando instantneamente la batera de la etapa superior sin dejar de alimentar al lanzador en ningn momento de la misin. De este modo, se evita el llegar a rbita con una carga importante de bateras vacas, ahorrando en energa de propulsin y reducien-do el vertido de residuos al espacio.

Estrategias y tendencias de la propulsion espacial en Espaa a corto y medio plazo


d) TECNALIA

La estrategia en propulsin de lanzadores est en la incorporacin de tecnologas de nuevos materiales en la evolucin de la propulsin de A5 (A5-ERTA, A6, VEGA (VEGA+, VEGA-Elctrico) y futuros lanzadores. Particularmente nos interesa cualificar en la ban-cada de ensayos de motores hbridos las alabes de TiAl fabricadas por un proceso de bajo coste denominado SHS.

Por otro lado la incorporacin de los sensores de alta temperatura a la monitorizacin en pruebas de validacin y/o en vuelo son algunas de las tendencias.

Igualmente est interesada en el aligeramiento e integracin de la avinica (MFU, o PCU) mediante el re-diseo de las cajas electrnicas en materiales compuestos multifuncio-nales.

e) IBERESPACIO

Desarrollo del diagnstico automtico para lanzadores por combinacin del anlisis de consistencia basada en modelos y la simulacin modular orientada a objetos.

f) CESA

La estrategia de CESA en este campo es mantener y potenciar sus capacidades en el de-sarrollo tanto de Sistemas de Vectorizacin de Empuje como de Sistemas de Control de Actitud, para ello a partir de las experiencias en desarrollos anteriores se mantiene una poltica activa de participacin en todos los programas de desarrollo de estos sistemas, aumentando sus capacidades de anlisis y simulacin, y considerando el potencial de optimizacin de la actuacin electromecnica.

Otros mecanismos de posible participacin seran en mecanismos de suelta (ojiva, carga til...).

7.2 Propulsin qumica de satlitesa) SENER

El inters de SENER en este campo se focaliza en dos mbitos. Por un lado, se espera se-guir desarrollando el entorno de simulacin y modelado del que se dispone actualmente. Igualmente se seguir dando apoyo experto para los equipos de diseo de sistemas de

guiado, navegacin y control de rbita y actitud a nivel sistema de propulsin qumica (especificacin de requisitos, interacciones con la dinmica del vehculo, implementacin de actuadores propulsores en GNC, etc.).

Figura 12. Propulsin de Herschel y Plank de Sener como actuador del sistema de AOCS

b) IBERESPACIO

Desarrollo y suministro de Reguladores Electrnicos de Presin (PSA) para plataformas de satlite y sondas de exploracin tanto de propulsin elctrica como qumica. La versa-tilidad de este tipo de reguladores ser tambin un valor aadido para plataformas tipo Alphabus.

7.3 Propulsin elctrica de satlitesa) SENER

Dentro del amplio campo de la propulsin, SENER presenta especial inters en sistemas de propulsin elctrica, dado que este tipo de soluciones aportan beneficios para un amplio abanico de misiones. Estos beneficios han sido estudiados minuciosamente en diferentes proyectos por SENER en diferentes programas.

Con la experiencia y conocimiento adquiridos en los ltimos aos, SENER se postula como contratista de nivel sistema en propulsin elctrica y se encuentra desarrollando inter-namente, entre otros, modelos de motores de propulsin elctrica como actuadores de sistemas de control de rbita y actitud para diferentes misiones.


Igualmente, se ha sealado con anterioridad el inters de SENER en desarrollar sistemas completos (incluyendo el thruster) de micropropulsin para cubrir necesidades propul-sivas de nuevas misiones. En particular, el inters estratgico de la compaa se centra en sistemas de propulsin elctrica capaces de proporcionar empujes en el rango de los micro y mili Newtons e impulsos especficos grandes que permitan disponer de motores con unas actuaciones verstiles y eficientes. En el futuro prximo se potenciarn desa-rrollos en este mbito.

Con un gran inters en el desarrollo de tecnologa propia en el campo de la propulsin espacial, SENER est actualmente iniciando desarrollos internos que permitan la ejecu-cin de proyectos en el campo de la micropropulsin. Este inters parte de la herencia innovadora de la empresa as como de la necesidad de sistemas de propulsin que pro-vean empujes regulables en el rango de los microNewtons para misiones de vuelo en formacin y de otros tipos que exigen desarrollos novedosos en esta rea.

El objetivo de esta clase de desarrollo no pretende quedar en diseos y anlisis a nivel componente o subsistema, sino que se busca disponer de un dispositivo completo en un plazo medio de tiempo que poder emplear en los sistemas de guiado y control de actitud de satlites en cuyo diseo e integracin SENER posee amplia experiencia.

Para poder acometer esta actividad de I+D+i, la empresa posee personal con formacin en este rea de conocimiento y est preparando una estrategia detallada de desarrollo para los prximos aos que espera incluya colaboracin con otras empresas, instituciones y Universidad.

b) NJERA

La rpida emergencia de nuevas aplicaciones y tipos de misiones, ambas en los segmentos cientfico y comercial, han tenido un gran impacto en la evolucin del diseo de inge-nios espaciales. En ocasiones, la alta precisin y pequeas dimensiones de las altamente punteras y nuevas cargas han provocado la incentivacin y la necesidad del desarrollo y diseo de plataformas mucho ms pequeas y ligeras. El diseo y concepto de la nueva generacin de lanzadores de vehculos espaciales toma en cuenta esta tendencia y pre-tende cumplir con la nueva demanda de soluciones adaptadas a las micro-aeronaves (desde 1 hasta 100 kg).

El coste de un lanzador asociado a la inyeccin en rbita de un determinado satlite con-siste en el 30-40% del coste total de una misin, por ello, el alto inters emergente en los satlites de pequeo tamao. Cada kilogramo ahorrado del peso total de una determina-da carga, significa un kilogramo menos que el sistema de propulsin debe impulsar.

Este proyecto propone el desarrollo de un innovador sistema de propulsin electromag-ntica basado en plasma (Pulsed Plasma Thruster, PPT) y combustible lquido no contami-nante (agua) nico en el mundo, con el fin de propulsar micro-aeronaves (o microsat-lites) de clase II (segn la clasificacin de la ESA) de peso comprendido entre 1 y 5 kg. Reduciendo y minimizando as el peso total del sistema y su correspondiente impacto en el presupuesto global de masa del mismo.

La Agencia Espacial Europea (ESA) ha establecido en su estrategia de investigacin que es realmente necesario un mayor compromiso con la investigacin, desarrollo e innovacin con el fin de aumentar y agilizar el desarrollo de demostradores in-flight (en vuelo), y la mejor coordinacin de recursos y fuentes de conocimiento cientfico en Europa para generar una base tecnolgica slida en espacio dirigida al despliegue competitivo e inde-pendiente de futuras generaciones de sistemas espaciales. Europa tiene, sin lugar a dudas, una experiencia dilatada y un dominio de la propulsin elctrica como los propulsores de efecto Hall o los inicos. Sin embargo, todas las soluciones existentes van dirigidas a plataformas grandes donde la potencia requerida para su propulsin es mayor de 50 W.

De esta manera, los socios del proyecto L-PPT pretenden desarrollar un sistema de pro-pulsin de bajo peso y baja potencia basado en un innovador sistema micro-propulsor de plasma pulsado lquido con vapor de agua como combustible. Por ello, y siguiendo la lnea de dicha estrategia, este proyecto permitir: especificar, disear, desarrollar y ensayar un novedoso sistema de micro-propulsin adaptado a las necesidades del mercado espacial europeo y con amplias posibilidades de negocio internacional cubriendo el nicho formado por los microsatlites o micro-aeronaves de un mximo de 5 kg a nivel mundial.

c) Crisa

La estrategia de Crisa en sistemas de propulsin elctrica se centra en dos lneas principales:

Primera: desarrollar competencias tecnologas en transformadores de alto voltaje. Hasta ahora Crisa es responsable del diseo completo de la electrnica de control y alimen-tacin de los motores inicos de rejilla excepto del transformador de alta tensin que necesita un recubrimiento especfico que hasta ahora es una tecnologa propietaria de Astrium Alemania, Crisa plantea desarrollar y mejorar esta tecnologa para eliminar la dependencia tecnologa de este elemento para ofrecer una solucin 100% espaola.

Segunda: la segunda lnea estratgica es ampliar la oferta de electrnica de propulsin a otro tipo de motores realizando un estudio de las soluciones futuras para ofrecer solu-ciones on time. De la misma manera se seguir trabajando con QinetiQ en el marco del acuerdo para seguir desarrollando electrnica para futuras versiones de motores Tx


d) TECNALIA

Tecnalia como experto en materiales para propulsin inica, quiere participar en progra-mas de la ESA y de la Unin Europea para el estudio del desgaste con iones de Xenon de los materiales para los paneles solares.

Por otra parte Tecnalia tiene un background importante en propulsin inica y ha acumu-lado un conocimiento importante en el funcionamiento de propulsores y de sus medios de ensayos terrestres.

Por eso, Tecnalia esta involucrado en un grupo con la UPM (E. Ahedo), la universidad de Ta-rrasa, el experto internacional Martn Manuel Snchez, SENER, y la empresa industrial Tels-tar, para construir una cmara de vaco para ensayos de micro/mini motores elctricos. Este rango de propulsores dispone de pocos sitios de ensayo adaptado a sus tamaos en Europa. Por eso, seria adecuado la construccin en Espaa de este equipo. Los mini/micro motores son particularmente interesante para aplicacin de posicionamiento de los satlites estn-dares y como propulsin principal de mini/micro satlites. Todava, muchos de ellos estn en desarrollo y la gran variedad de tecnologa puede suponer un gran inters de la cmara de vaco, de parte de los equipos de investigacin, para poder ensayar los motores.

El tipo de motor Mini-HET que puede ser desarrollado en Espaa, cabe dentro de un rango de Impulso Especifico que de momento no esta totalmente estudiado. Este motor permitira a Tecnalia ser ms independiente con el desarrollo de su cmara cermica. Cada cmara cermica de diferente formulacin desarrollada por Tecnalia se tiene que ensayar en la cmara de vaco PIVOINE en Francia, para ser calificada por Snecma. Una cmara de vaco con un mini-HET espaol permitira de no ser tan pendiente de estos resultados de ensayos, los cuales se podran realizar sobre un demostrador de tamao ms pequeo, y entonces en menos tiempo.

e) EP2-UPM

La estrategia y objetivos actuales de este grupo de investigacin bsica son los siguientes:

1) Mantenerse como expertos internacionales en el modelado y simulacin de los mo-tores de efecto Hall, en todos sus diseos.

2) Extender su condicin de expertos a otros motores de nuevo desarrollo como los motores helicn o los motores MPD de campo aplicado.

3) Producir cdigos de simulacin de plasma fiables que sirvan de soporte en el diseo, optimizacin, y estudios de vida til de motores elctricos.

4) Ampliar y consolidar sus acuerdos con laboratorios y centros dedicados a la expe-rimentacin en motores de plasma, con el fin de complementar sus actividades en modelado y simulacin.

5) Incrementar su participacin en programas colaborativos europeos de la ESA y los Programas Marco de la Unin Europea.

6) Desarrollar un mini-motor de efecto Hall de diseo no convencional de altas presta-ciones.

7.4 Tecnologas de validacin y simulacin componentes de propulsin

Siguiendo con las capacidades de SENER en modelado, simulacin y anlisis de diferentes clases, se plantea seguir en esta direccin mejorando, ampliando los modelos ya existen-tes y desarrollando nuevos modelos que permitan seguir realizando estudios detallados de diferentes sistemas de propulsin y de su interaccin con las plataformas en las que van montados.

>> Simulaciones termo y fluidodinmicas.>> Anlisis y simulacin del movimiento de combustibles en los tanques durante fases

balsticas.

>> Simulaciones de golpe de ariete y otro fenmenos en sistemas de alimentacin de combustible para sistemas de propulsin.

>> Simulaciones de interaccin de los sistemas de propulsin en la dinmica de actitud de vehculos espaciales:

Acciones de los chorros expulsados por los motores cohete (plume impingement) e interaccin con lanzadores, plataformas y/o superficies de asteroides.

Accin del sloshing (chapoteo) de los combustibles lquidos en tanques sobre la dinmica del vehculo.

>> Modelos de componentes integrantes de sistemas de propulsin: Modelos de vlvulas, reguladores de presin, sensores y otros componentes pre-

sentes en diseos de diferentes sistemas de propulsin.

Modelos de propulsores tanto de propulsin qumica como elctrica.

Capacidad para modelado y simulacin de sistemas de propulsin completos.


8.1 ConclusionesUna vez analizadas las capacidades del sector de sistemas en aeronutica, cuyo alcance es el definido anteriormente en el presente documento, y marcada una estrategia, se plan-tean una serie de recomendaciones y conclusiones que han sido complementadas con las opiniones de los participantes de la mesa de expertos constituida. Se ha respondido a dos preguntas, i) cules son los objetivos y estrategias o intereses a medio-largo plazo de cada compaa en propulsin espacial y ii) cules seran los objetivos de capacitacin y/o de producto propulsin espacial en una estrategia comn con otras organizaciones en Espaa. Las conclusiones y recomendaciones obtenidas son las siguientes:

SENER, indica que sus intereses futuros se dirigen a la vectorizacin de empuje para lanzadores, desarrollo de simuladores y anlisis de sistemas de propulsin, y dentro de la propulsin de satlites, especialmente el desarrollo de un sistema de micropropulsin para vuelo en formacin. A nivel espaol, indica que apoyaran un inters comn: banco de ensayos en propulsin.

NAJERA NASP mantiene un inters en nuevos conceptos de subsistemas, considera que su empresa y las empresas espaolas deberan integrar una capacidad comn para tener entrada con nuevos conceptos de sistemas auxiliares para lanzadores.

ASTRIUM-CRISA reflexiona que la capacidad real de Espaa en propulsin es relativa por la falta de tradicin en el desarrollo de motores cohete. Si Espaa quiere supuesta-mente aumentar su participacin en lanzadores de nueva generacin - NGL - (5-6%), ello supone una oportunidad, pero habra que tener en cuenta en la estrategia de nue-vos desarrollos la trayectoria de otros pases que disponen de productos ya calificados en propulsin espacial. En este sentido s recomendara que Espaa se centrarse en los sistemas auxiliares novedosas y en la Electrnica y Software de control de sistemas de propulsin. ASTRIUM CRISA (Astrium Espaa) tiene una estrategia global en lanzadores en Espaa, concretamente en la avinica de VEGA Evolution, Ariane ME, y en NGL. En propulsin elctrica Crisa tiene una posicin reconocida (con experiencia en vuelo) en la electrnica de control del motor (PPUs) y considera importante que Espaa refuerce esta posicin convirtindose en una referencia internacional en este dominio. Como objetivo

a corto plazo se plantea la posibilidad de desarrollar transformadores de alta tensin con calificacin espacial. Esta capacidad la tiene Astrium Alemania que es actualmente el subcontratista de Crisa para este componente. Por otro lado, Astrium Crisa quiere ser tambin reconocido como un servicio de ingeniera electrnica para motores. En otro orden de cosas se han detectado posibilidades reales en entrar en mercados o clientes no europeos como Aerojet/Boeing. CRISA tiene una fuerte vocacin en el producto y la produccin recurrente y con ese objetivo mantiene importantes lneas de desarrollo de tecnologa bsica y tambin orientadas al producto, en las que colabora con otras empre-sas y universidades como Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales.

CESA muestra su inters en aumentar su participacin en el sector espacio en reas en las que cuenta con una reconocida experiencia en el mbito aeronutico como son los sistemas de actuacin. Hasta ahora su participacin en proyectos espaciales ha estado limitada a la vectorizacin de tobera y control de actitud mediante sistemas hidro-neu-mticos. En sus estrategias de I+D se encuentra adicionalmente el uso de actuaciones con tecnologa electromecnica.

EP2-UPM considera que hay ya en el pas grupos y experiencia suficiente en propulsin elctrica para lanzar un proyecto nacional para el diseo y desarrollo de un motor elc-trico que incremente el peso especfico del pas en la propulsin espacial. Dicho motor elctrico debera ser de uno de los diseos innovadores pendientes de desarrollo y vali-dacin. Debera pertenecer al dominio de la mini- o micro-propulsin donde hay menos competidores, menos productos validados, y los costes de desarrollo son menores. Asi-mismo considera que el complemento ideal a dicho proyecto es la puesta a punto de una cmara de ensayos de estos motores en nuestro pas.

IberEspacio indica que en Espaa, es pretencioso hablar de propulsin de lanzadores, pero en propulsin de satlites podra ser posible un posicionamiento. Los sistemas auxiliares estaran ms al alcance de las capacidades de Espaa. Por ejemplo, el regulador electr-nico de presin, como el del SmallGEO, se est fabricando en sus instalaciones habiendo calificado los procedimientos de fabricacin. Hay poca competencia en esta tecnologa (Bradfor) y podra implantarse tambin en propulsin qumica. El producto crtico son las vlvulas electromagnticas que seran necesarias (electrovlvulas para espacio) que

Conclusiones y recomendaciones del panel de expertos


son US-ITAR. Ya hay competencia en Europa para vlvulas sencillas pero no para vlvulas de 3 vas electromagnticas conmutables, que aportan redundancia con poco peso; los sensores de presin son caros y difciles de encontrar. El problema es que actualmente hay pocas aplicaciones pero se preparan programas futuros con potencial de uso. Hace falta inversin. El objetivo sera conseguir productos que sean ITAR free1, aunque esta reflexin podra no ser acertada si la poltica de ITAR dejase de ser tan estricta en su aplicacin. En cualquier caso lo que se asume es que va a ser un mercado de unas 100 vlvulas/ao.

Adems de esta estrategia en productos-Hardware, IberEspacio, apunta una estrategia productos- Software, concretamente en diagnstico automtico, donde hay una red en Espaa de diagnstico con varias universidades. A los desarrollos ya efectuados se prosi-gue con el diagnstico on line mediante Componentes Principales (Universidad de Gero-na) y con el de consistencia basada en modelos (Universidad de Valladolid). Se trabaja con datos de ensayo de motores, persiguiendo la reduccin de la tasa de falsas alarmas y un diagnosticador de alto nivel para tener nuevos desarrollos de uso espacial.

Tecnalia indica que su estrategia a medio plazo es la calificacin de sus productos-mate-riales para propulsin elctrica y la diversificacin en la aplicacin de sus materiales en otros conceptos de motor. Igualmente quiere obtener el suministro de AlTi en motores de lanzadores en Europa para lo cual ha desarrollado una estrategia de producto con empresas fundidoras.

8.2 RecomendacionesTras una discusin se resumen las estrategias y recomendaciones del panel de expertos hacia un posicionamiento de la tecnologa de PROPULSIN ESPACIAL en Espaa.

>> Lanzamiento de un proyecto nacional para el diseo y desarrollo de un motor elctrico que incremente el peso especfico del pas en la propulsin espacial,

definiendo el alcance del proyecto en funcin de las capacidades de los actores y los presupuestos disponibles.

Las empresas espaciales en Espaa han demostrado que tienen la capacidad de obte-ner contratos por valor superior al retorno de la inversin en ESA, lo cual es tambin cierto en propulsin de lanzadores y satlites. Se recomienda un aumento de la par-ticipacin en programas pan-europeos de lanzadores, FLPP, Ariane 5 ME, NGL (Ariane 6), VEGA Evolution, Soyuz, etc.

>> Entrar en elementos auxiliares y en nuevos motores.

Las empresas espaciales espaolas han tenido una herencia limitada en propulsin espacial, no habiendo sido la principal especialidad ni existiendo fabricantes-integra-dores de motor completo a nivel nacional, por lo que se recomienda centrar las ac-tividades de desarrollo en subsistemas auxiliares completos y/o micromotores como estrategia de capacitacin y penetracin en este rea.

>> Colaboracin industria-academia-capacitacin.

Se recomienda reforzar la cooperacin industria-academia, ya iniciada, en propulsin elctrica-micropropulsin y en equipos de ensayo; donde se juzga que la colabora-cin podra ser muy efectiva.

>> Transferencia de tecnologa desde el mbito aeronutico.

Dado que existe una capacidad en motores aeronuticos en Espaa, se recomienda que la propulsin espacial cree un mbito de sinergias tecnolgicas importantes con la industria de motores aeronuticos, como por ejemplo el desarrollo de componen-tes y materiales, ensayos, simulacin, etc.


Anexo I. Tabla de capacidades

EMPRESAS AGENTES TECNOLGICOS

REA TECNOLGICA Sub-rea Tecnolgica ASTRIUM CRISA IBERESPACIO SENER CT INGENIEROS ITP CESA NASP TECNALIA UPM CTA

sistemas de propulsion

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