MISIÓN SÉNECA VI

Fecha de Inicio de Actividades: 12 de Junio de 2012

Fecha de Fin de Actividades: En curso

Fechas de Prueba estática: 19 de Junio de 2014, 6 de Diciembre de 2016

Fecha de Lanzamiento: 14 de Junio de 2017

Hora de Lanzamiento: 18:00 GMT

Lugar de Lanzamiento: Marandúa, Vichada

Integrantes de la Misión:

GRUPO LATEM-GEAA:

Departamento de Ingeniería Mecánica.

  • Director de Misión: Dr.Eng.Mec. Fabio Arturo Rojas Mora, Profesor Asociado
  • Líder de Misión: Qco, Ing.Mec Luis Carlos Longas M.Sc (EST)

GRUPO C3

Departamento de Ingeniería de Sistemas y Computación.

  • Director de Misión: Ph.D. Ing.Sist Dario Ernesto Correal Torres, Profesor Asistente
  • Líder de Equipo: M.Sc. Ing.Sist Gilberto Pedraza García, Dr (EST)
  • Líder de Equipo: Ing.Sist. Juan Sebastián Urrego Escobar, M.Sc (EST)
  • Ingeniero Investigador: Santiago Felipe Arteaga Martín, Ing.Mec, Ing.Sist (EST)
  • Ingeniero Investigador: Bernardo Jose Macias Lamprea, Ing.Sist, Ing.Mec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Rolando Andrés Amarillo Pérez Ing.Sist (EST)

GRUPO SATURN:

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.

  • Director de Misión: Ph.D. Ing.Elec Johann Faccelo Osma Cruz, Profesor Asistente
  • Ingeniero Investigador: Emmanuel Jose Arisa Ruiz Ing.Elec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Carmen Andrea Rozo Mendez Ing.Elec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Carol Ximena Naranjo Valero Ing.Elec, Ing.Sist (EST)

Departamento de Diseño.

  • Directora de Proyecto: Mónica Gonzalez, Profesora de Planta
  • Diseñador: Daniel Noriega, Diseñador (EST)

Objetivos Generales:

Modificar el motor de combustible líquido (PUA 1l-6s-2000N) utilizado en la misión Seneca II, con el fin de ponerlo a punto y llevar a cabo una nueva misión donde se busca construir y lanzar un cohete de dos etapas en donde la primera de estas va va a ser propulsada por el motor de combustible líquido.

Resumiendo los objetivos de la misión son:

  • Rediseñar y poner a punto el motor cohete PUA l1-6s-2000N, diseñado y construido por Alejandro Urrego, con el fin de caracterizarlo en un banco de pruebas estático.
  • Diseñar el fuselaje, lanzadera y misión con el fin de poder lanzar el vehículo de desplazamiento vertical tipo cohete propulsado por el motor de combustible líquido PUA l1-6s-2000N, siendo este elaborado por procesos de manufactura locales o ensamblado con piezas comercialmente disponibles.
  • Llevar a cabo la misión Seneca VI, en la cual se va a utilizar un cohete de dos etapas, donde la primera etapa será la propulsada por el motor de combustible lìquido y la segunda etapa será propulsada por un motor de combustible sólido, el cual ha sido ampliamente utilizado en diferentes misiones del proyecto PUA.
  • Se busca que durante el recorrido realizado por el cohete se adquieran de manera automática datos de su funcionamiento (Altura, velocidad y ubicación geográfica) por medio de un sistema de monitoreo electrónico el cual se denomina como carga útil.

Desarrollo del Proyecto:

Objetivos para el Lanzamiento

La misión Seneca VI es un proyecto académico que busca darle continuidad a los anteriores proyectos del PUA, específicamente a la misión Seneca II, en donde se diseño y construyó un motor de combustible líquido. En esta misión no se obtuvieron los resultados esperados en el momento de realizar las pruebas para caracterizar el motor ni en el momento del lanzamiento del cohete.

La primera prueba indicó la necesidad de utilizar válvulas criogénicas, ya que las servo válvulas típicas se taponan con el paso del oxígeno criogénico.

La segunda de estas pruebas mostró que el cambio de las válvulas si fue efectivo, pero que habían ciertos problemas con las presiones y los inyectores, ya que se generó un incendio tras la ignición del motor, sin que se lograra mantener un empuje del motor.

Imagen 1. Segunda encendida del motor.

La ùltima de estas pruebas se llevò a cabo el día del lanzamiento de la misión Séneca II, pero nuevamente no se obtuvieron los resultados deseados, ya que ignitor es expulsado a travès de la tobera, razòn por la cual no es posible determinar que parámetros fallaron en esta ocasión.

Imagen 2. Lanzamiento de la misión Séneca II.

Es por esta razón que el proyecto actual busca rediseñar y poner a punto el motor para caracterizarlo y así finalmente llevar a cabo el lanzamiento de una nueva misión.

Rediseño

Se debe tener en cuenta que en este proyecto no se diseña el vehículo, ya que este ya fue diseñado y construido, únicamente se busca realizar diferentes modificaciones a este con el fin de poder llevar a cabo el encendido sistemático del mismo.

Por lo tanto se llevó a cabo la determinación de posibles problemas que presenta el actual motor, con el fin de realizar diferentes modificaciones al mismo y de esta manera subsanar los aspectos débiles que presentaba el diseño.

El diseño actual se muestra en la imagen 3.

Imagen 3. Diseño original del motor. CAD y Motor actual

De acuerdo con las características actuales del motor, este cuenta con el siguiente comportamiento, en donde su empuje decae a lo largo de la operación del equipo debido a la no regulación de las presiones en los tanques de combustible y de oxígeno.

Imagen 4. Empuje ideal del motor.

De acuerdo con esto se realizó un análisis en donde se determinaron algunos puntos débiles en el diseño actual, en este proceso se determinarons algunos aspectos debiles del diseño actual entre los que se encuentran:

- Bajos caudales obtenidos con los inyectores originales.

- Falta de regulación de las presiones en las lineas de LOX y combustible.

- Baja temperatura el en encendido del motor.

De acuerdo con estos tres aspectos se realizaron diferentes modificaciones al diseño original con el fin de subsanar estos aspectos débiles.

Debido que los inyectores originales no generaban los caudales deseados se determinó que era necesario cambiar los inyectores actuales por unos inyectores que pudieran generar los caudales deseados para el empuje que se quería obtener.

Imagen 5. Curva da caudal en función de la presión para los inyectores de oxígeno.

Imagen 6. Curva de caudal en función de la presión para el inyector de gasolina.

El otro problema fue la caída de las presiones a lo largo de la operación del motor, lo cual se esperaba contrarrestar con el uso de reguladores en ambas lineas.

Imagen 7. Rediseño de motor incorporando los reguladores.

Finalmente para aumentar la temperatura en el interior de la cámara de combustión en donde puede llegar el oxigeno a temperaturas muy bajas.

Imagen 8. Cámara de combustión, tobera y cámara de refrigeración del motor.

Es necesario realizar diferentes pruebas para la fabricación y caracterización de ignitores que nos proporcionaran la temperatura ideal durante periodos de tiempo largos.

Imagen 9. Prueba de caracterización de ignitores.

Con estas pruebas se logró determinar que los ignitores fabricados nos proporcionan temperaturas entre los 800-1000ºC durante periodos de tiempo cercanos a los 30 segundos.

Imagen 10. Curva de temperatura en función del tiempo para uno de los ignitores.

Con esto se espera poder calentar el material de la cámara de combustión entre 400-700 ºC, temperatura ideal para que se lleve a cabo el proceso de combustión en el interior de esta. Por medio de posteriores pruebas se logró determinar que el aire en el interior de la cámara de combustión alcanza una temperatura de 241 °C.

Imagen 11. Prueba de encendido de ignitor en el interior de la cámara de combustión.

Teniendo en cuenta todos estos aspectos y algunas otras restricciones como:

1. El oxígeno, que es manejado por Linde, no suele ser manipulado a presiones mayores a 290.1 psi.

2. Un encendido exitoso se considera cuando la llama se sostiene por lo menos por 12 segundos.

De acuerdo con todos los aspectos anteriormente mencionados se logra llegar a un diseño definitivo del motor donde se busca subsanar los aspectos débiles anteriormente mencionados.

Imagen 12. Rediseño del motor.

En este nuevo diseño solo se cuenta con un regulador en la linea de oxigeno y se cuenta con un tanque alterno de nitrógeno en la linea de combustible para controlar la caida de presión en la gasolina. Adicionalmente se cuenta con los nuevos inyectores que generan los caudales deseados y con los ignitores que generan las temperaturas suficientemente altas para la llegada del oxigeno a la cámara de combustión.

Con estas modificaciones se espera lograr un empuje menor pero constante a lo largo de toda la operación del equipo.

Imagen 13. Nuevo empuje esperado.

Para la prueba de 14,75 segundos se espera obtener un empuje de 640 N con lo cual se espera poder obtener un empuje neto de 340 N debido a que el motor ya ensamblado con la camisa tiene un peso de 30 kg.

Prueba estática

Con este nuevo rediseño se espera poder realizar una caracterización en el banco de pruebas estático UCAND-1, en donde se busca determinar temperatura y presión en el interior de la cámara de combustión y empuje generado por el motor rediseñado(Imagen 12).

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Imagen 14. Banco de pruebas UCAND-1.

La prueba se va a realizar el 4 de Julio de 2013 en la base de la Fuerza Aérea de Madrid-Cundinamarca.

Para esta prueba fue necesario diseñar una camisa en la cual se pudiera soportar el motor, ya que el banco de pruebas así lo exige. Para esta tarea nos apoyamos en el departamento de diseño de la universidad, quienes por medio del trabajo de Daniel Noriega y bajo la dirección de Mónica Gonzalez, profesora del departamento de diseño se llego a la siguiente serigrafía.

Imagen 15. Diseño de la camisa del motor para la prueba estática.

A continuación se encuentra la infografía del diseño realizado por David Noriega.

El diseño del cohete fue inspirado en las gráficas de las tablas de snow boarding, con el fin de quitarle el lenguaje bélico que el cohete podría llegar a tener por su forma. El color naranja contrastado con el negro y el gris, permiten visualizar la trazabilidad del cohete en el aire. El logo de las misiones fue trabajado en una tipografía en palo seco, lo que le daba un aspecto moderno al nombre de las misiones. Los logos fueron separados en tres partes del cohete, dándole así la jerarquía según los diferentes grupos de investigación de la universidad. En la parte superior se encuentran los logos de la universidad del PUA y del Saturn DIEE. En la parte central se encuentra el logo de la universidad y el logo de la misión o el nombre del motor. Y en la parte inferior se da un espacio para que se coloquen los logos de los diferentes patrocinadores. Finalmente en una de las aletas se coloca nuevamente el nombre de la misión.

Misión y simulaciones

De acuerdo con los resultados obtenidos en esta prueba estática se planea realizar el lanzamiento de la misión Séneca VI, en donde el cohete Ainkaa VI cuenta con dos etapas. La primera de estas etapas contará con el motor PUA 1l-6s-2000N rediseñdo de combustible líquido y la segunda etapa contará con un motor Kappa Delta Uniandes de combustible sólido tipo Candy.

Imagen 16. Cohete Ainkaa VI.

De acuerdo con las caracteristicas de estos motores y del cohete en general se realizaron simulaciones en RockSim 9.0. Para esto era necesario configurar todo el cohete al igual que sus motores.

Imagen 17. Configuración en RockSim 9.0.

Imagen 18. Motores simulados en EngEdit. Motor PUA 1l-6s-2000N rediseñado (Sup.)Motor Kappa Delta Uniandes (Inf.)

Con el escenario ya configurado se procede a realizar una primera simulación.

Imagen 19. Perfil de vuelo del cohete Ainkaa VI.

Imagen 20. Altura alcanzada por cada una de las etapas.

Con estos resultados preliminares se realizan algunas modificaciones de acuerdo con los pesos de las piezas ya fabricadas y se vuelvan a realizar nuevas simulaciones obteniendose estos nuevos resultados.

Imagen 21. Perfil de vuelo del cohete Ainkaa VI-Segunda iteración.

Imagen 22. Altura alcanzada por cada una de las etapas-Segunda iteración.

Los resultados de estas simulaciones solo pueden ser corroborados con los datos que se tomen en tiempo real en el vuelo de la misión.

Construcción y Ensamblado

En este ensamble fue necesario realizar algunas modificaciones debido a que los tamaños de las nuevas conexiones no se ajustaban al diseño original. Por lo cual fue necesario modificar la geometría de algunas piezas y colocar acoples que no fueron considerados en el diseño original.

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Imagen 23. Nuevas piezas de la cámara de combustión.

Posteriormente se ensambla la tapa con los inyectores y se colocan los anillos de cobre para el cierre de la unidad de combustión.

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Imagen 24. Ubicación anillo de cobre.

Finalmente se sella por completo toda la unidad de combustión

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Imagen 25. Unidad de combustión.

Antes de continuar con el ensamble se deber verificar que la instrumentación pueda ser correctamente ubicada en la cámara de combustión.

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Imagen 26. Instrumentación en la unidad de combustión.

Luego se colocan las lineas de combustible y oxígeno para finalmente ubicar el regulador en la linea de oxígeno.

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Imagen 27. Regulador en la linea de oxígeno.

Adicionalmente se debe preparar la camisa con el diseño realizado por las personas de diseño. Para esto es necesario realizarle los agujeros de sujeción al PVC, lijar su superficie, pintarlo, y colocarle los logotipos de la universidad y de los patrocinadores.

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Imagen 28. Serigrafía realizada a la camisa.

Finalmente se tiene el motor completamente ensamblado y su camisa listos para la prueba estática.

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Imagen 29. Motor y camisa.

Con respecto a la segunda etapa ya se tiene manufacturados el motor Kappa Delta Uniandes y el combustible Candy con el que funciona.

Imagen 30. Motor Kappa Delta Uniandes.

Registro Audiovisual:

Pruebas de ignitores

Video Prueba de ignitor

Fabricación del combustible CANDY.

Pruebas de combustible

Video Prueba de combustible

Montaje para pruebas de calidad del combustible y de ignitores.

Montaje para pruebas del sistema de seguridad de ignición

Video Prueba de switch

Video Prueba de temporizador

Resultados y Conclusiones:

:!: Esta actividad no se ha finalizado hasta el momento :!:

Referencias:

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Rueda de prensa:

Presentación rueda de prensa: rueda_de_prensa_uniandinos.pdf

Patrocinadores:

Esta es una lista de las organizaciones y empresas que han ayudado y hecho posible la realización de esta misión:

  • Linde Colombia.

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  • Swagelok Colombia.

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  • Industrias Randal LTDA.

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  • Universidad Pontificia Bolivariana.

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  • Indumil.

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  • Fuerza Aérea Colombiana.

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  • Fundación Natibo.

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  • BT.

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  • Comisión Colombiana del Espacio.

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misiones/mision13.txt · Última modificación: 2017/06/14 11:22 por farojas
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