MISIÓN SÉNECA III

Fecha de Inicio de Actividades: 15 de Enero de 2012

Fecha de Fin de Actividades: 05 de Junio de 2012

Fecha de Despliegue: 05 de Junio de 2012

Hora de Despliegue: de 14:30 a 18:20 GMT - 5

Lugar de Lanzamiento: Marandúa - Vichada Colombia

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: Manuela Duque Pelaez Ing.Mec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Ing.Mec Oscar Sebastián Victoria Poveda
  • Ingeniero Investigador: Mateo Pineda Quintero Ing.Mec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Mónica Alejandra Rodríguez Claros Ing.Mec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Camilo Andrés Cortés Castro Ing.Mec (EST)
  • Ingeniero Investigador: David Fernando Mancilla Galán Ing.Mec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Jairo Antonio Sánchez Niño Ing.Mec (EST)

GRUPO MOOSAS-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: Ing.Mec Santiago Felipe Arteaga Martín, Ing.Sist (EST)
  • Ingeniero Investigador: Bernardo Jose Macias Lamprea Ing.Sist, Ing.Mec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Pedro Guillermo Feijoo Garcia Ing.Sist, Ing.Ind (EST)
  • Ingeniero Investigador: Rolando Andrés Amarillo Pérez Ing.Sist (EST)

GRUPO DIEE-CMUA:

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.

  • Director de Misión: Ph.D. Ing.Elec Johann Faccelo Osma Cruz, Profesor Asistente
  • Líder de Equipo: Ing.Elec, Ing.Ilec. Jorge Mario Garzon Rey, M.Sc (EST)
  • Ingeniero Investigador: Nicolás Eduardo Velasquez Saavedra Ing.Elec (EST)
  • Ingeniero Investigador: Carol Ximena Naranjo Valero Ing.Elec, Ing.Sist (EST)

Objetivos Generales:

El objetivo general consiste en construir y lanzar un cohete de dos etapas, propulsado por combustible sólido; el cual es rediseñado a partir de un modelo creado como trabajo de una tesis de maestría.

Resumiendo los objetivos de la misión son:

  1. Rediseñar y especificar al detalle la manufactura del cohete AINKAA III a partir del modelo creado por Jorge Aponte, para que sea realizada la misión Séneca III. En ella en principio se esperaría alcanzar un nivel sub-estratosférico con un apogeo de 5 Km.
  2. Construir el cohete a partir de piezas elaboradas por procesos de manufactura locales o adquiridas comercialmente.
  3. Realizar la Misión Séneca III con el lanzamiento del cohete AINKAA III y adicionalmente instrumentar algunas variables de vuelo tal como la altimetría, si es posible.
  4. Realizar ensayos estáticos de los motores Kappa-Delta-Uniandes para determinar con precisión su desempeño.
  5. Probar y calibrar el sistema de telemetría mediante pruebas controladas de transmisión y recepción de datos. Esto incluye la prueba y calibración de los sensores de aceleración y altura que se disponen en el vehículo durante la prueba.
  6. Análisis de los resultados obtenidos en la prueba. Incluye un análisis forense de las piezas que se puedan recuperar del vehículo, y generación de las gráficas de datos (altura y aceleración) experimentados durante el vuelo.

Desarrollo del Proyecto:

La misión SENECA III se basa en un vehículo de dos etapas, cada una de ellas con un motor Kappa-Delta Uniandes. Estos motores propulsan el sistema a partir de un combustible sólido de nitrato de potasio y sorbitol. Se espera que el cohete alcance una velocidad supersónica y una altura máxima de 6km. Se estudió el comportamiento de uno de los motores y las principales características del combustible, esto permitió simular algunos resultados y llegar a algunas conclusiones del comportamiento del vehículo AINKAA III. También se realizó el lanzamiento del vehículo teniendo la oportunidad de estudiar su comportamiento ante este tipo de combustible y ante el intento de separación de dos etapas.

Objetivos del Lanzamiento

  1. Verificación de existencia y revisión de todos los componentes del vehículo y su torre de servicio incluyendo el combustible sólido. En caso de falta o falla de algún componente este debe ser reemplazado o fabricado.
  2. Probar y calibrar el sistema de telemetría mediante pruebas controladas de transmisión y recepción de datos. Esto incluye la prueba y calibración de los sensores de aceleración y altura que se disponen en el vehículo durante la prueba.
  3. Ensayos del protocolo de lanzamiento del vehículo para familiarizar al equipo con el procedimiento de la misión y garantizar su éxito.
  4. Realizar el correcto embalaje del vehículo AINKAA III y su torre de servicio para su debido transporte al sitio de lanzamiento.
  5. Llevar a cabo el vuelo el vehículo y el registro de los datos necesarios para el posterior análisis de desempeño.

Diseño y Simulaciones

En el programa RockSim V9 se realizaron las simulaciones del lanzamiento para hacer una predicción del comportamiento del cohete. Las condiciones ambientales se configuraron de acuerdo al lugar de lanzamiento que sería en el departamento de Vichada:

  • Altitud: 0 ft.
  • % Humedad relativa: 50.0
  • Temperatura: 77°F.
  • Presión barométrica: 1.013 Bar.
  • Latitud: 4°.
  • Condiciones del viento: Calmado (0-2MPH).
  • Cobertura de nubes: Soleado (0-10%).

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Imagen 1. Características básicas del vehiculo.

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Imagen 2. Altitud y Número de Mach en el tiempo para la simulación con los datos de Jorge Aponte.

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Imagen 3. Mach vs Tiempo y Cd vs Tiempo.

Construcción y Ensamblado

La mayoría de piezas se fabricaron en Famecón Ltda, en donde se fabricaron todas las piezas de metalmecánica, la nariz, acoples y fuselajes. Las aletas se fabricaron por corte láser para tener una mayor precisión en el corte del aluminio. Finalmente las pinturas, o-rings, pegamentos y demás materiales, se compraron en ferreterías y lugares especializados.

Aletas

Esta parte del cohete es fundamental para proporcionar la estabilidad del vehículo durante el vuelo y mantener la orientación y trayectoria deseada. Normalmente estos son puestos en la parte inferior del fuselaje para garantizar que el centro de presión se encuentre abajo del centro de gravedad y de esta manera evitar el pivoteo generado por las fuerzas aerodinámicas.

Imagen 4. Aletas de Aluminio.

Fuselaje

Los fuselajes son por lo general de forma cilíndrica. La importancia de esta parte es que por lo general es donde van sujetas todas las piezas del cohete. Además, es la parte que lleva la carga útil. El fuselaje debe cumplir con las características de buena relación entre resistencia y peso.

Imagen 5. Fuselaje completo del cohete.

Nariz

Esta parte es realmente importante para la estabilidad del cohete. Esto se debe a que es esta pieza la que va abriendo las capas de aire que evitan el desplazamiento del cohete. El diseño de esta depende, al igual que los alerones, de la velocidad que alcanza la aeronave para evitar patrones de flujo no deseados. Para números de Mach superiores a uno, es deseada una punta afilada, mientras que para números inferiores a uno una de tipo redondo es óptima.

Imagen 6.Nariz cónica AINKAA III.

Combustible

El combustible implementado para la misión Seneca III es un propelente solido tipo Candy. Para manufacturar un combustible que pudiera obtener el resultado deseado es necesario realizarlo de manera protocolaria. Es por esto que se creó un protocolo basado en cuatro etapas para la manufactura del combustible: 1) manipulación de la materia prima, 2) mezcla del oxidante y el combustible, 3) Fundición y Moldeo del combustible y 4) almacenamiento del grano conformado.

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Imagen 7. Diagrama de un grano de combustible.

Registro Audiovisual:

Toda la instrumentación, controles y telemetría fue diseñada, construida y administrada por la misión SATURN FASE-I del grupo DIEE-CMUA.

Toda la transmisión y administración de información telemétrica y audiovisual fue diseñada, construida y administrada por la misión CORE C3 del grupo MOOSAS.

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Imagen 8. Vehículo Ainkaa-III en plataforma.

Imagen 9. Despliegue de los Equipos en la zona de lanzamiento.

Vídeos del lanzamiento Ainkaa-III.

VÍDEO 1. Lanzamiento del vehículo visto desde la cámara 1:

Video lanzamiento No. 1

VÍDEO 2. Lanzamiento del vehículo visto desde la cámara 1 extendido:

Video lanzamiento No. 2

Resultados y Conclusiones:

En la prueba estática se comprobó la correcta manufactura tanto de motor como de combustible. Esto se evidencio en que a pesar de las altas temperaturas presentadas durante el funcionamiento, las roscas de la tapa y de la tobera no fallaron y fue posible retirar solo desenroscando. Además después de los análisis de materiales respectivos, no se evidenciaron fracturas en ninguna parte del motor.

Imagen 10. Motor KAPPA-DELTA-Uniandes después de la prueba estática.

Imagen 11. Curvas de Empuje Motor KAPPA-DELTA-Uniandes.

En el lanzamiento del vehículo AINKAA III el principal problema fue la ignición del mismo, desde allí surgió la incapacidad de vuelo de la primera etapa. En principio estaba planada hacerla de manera inalámbrica lo cual no presentaba ningún riesgo a la seguridad de los miembros del equipo, pero esta no pudo ser ejecutada debido a que los radios del personal de la fuerza aérea presentaban cierta interferencia a la señal lo cual fue considerado un riesgo alto, ya que podría darse una ignición prematura, por ello se decidió hacer una cuenta regresiva directamente en el sistema electrónico, lo cual era más arriesgado para los encargados del sistema electrónico.

La ignición también fue problemática debido a que la batería no dio la energía necesaria para la ignición, probablemente hubo una variación en el calibre del ignitor el cual genero una mayor resistencia y solicitó mayor cantidad corriente de la que se había establecido previamente. En el segundo intento el equipo de electrónica intento solucionar el problema colocando otra batería, ya que la que se había puesto estaba descargada lo cual fue suficiente para el despegue de la segunda etapa.

Imagen 12. Primera etapa del vehículo luego de la ignición de la segunda etapa.

Aunque no se tienen datos del vuelo se pueden dar apreciaciones cualitativas, las cuales van enfocadas a la buena forma como salió de tierra, y una estela de humo que daba la sensación visual de un vuelo parabólico tal como era esperado, por último se puede decir que el vehículo llego a un punto en el cual se perdió de la vista y no se pudo determinar una posible posición de caída para salir en su búsqueda, esto también muestra que el cohete voló una altura considerable calculada de forma visual en un rango de 2 a 4 kilómetros (altura de las nubes bajas reportada por la torre de control de la base). Se esperaba una altura de alrededor de 6km, sin embargo debido a que sólo una de las etapas despego no se puede comparar estos resultados.

Imagen 13. Conexiones de la electrónica entre los fuselajes.

Enfatizando en la trayectoria que siguió el cohete es necesario mencionar que el cambio de dirección no fue causa de un mal montaje en tierra (guías de lanzamiento y base del cohete). Esto fue debido a la velocidad y dirección del viento, ya que en el momento del lanzamiento se dirigía al oriente (completamente opuesto a la dirección propuesta) a una velocidad de 6 nudos (reportado por la torre de control de la base de la FAC en Marandúa).

Un factor importante en el análisis es lo sucedido con el acople de separación de las dos etapas el cual tuvo un excelente funcionamiento, esto se debe a una fabricación precisa y a un buen criterio a la hora de escoger los materiales buscando que estos tengan una mínima fricción. También se puede decir que la realización del cableado a la primera etapa fue adecuada porque esta etapa no mostró en los puntos de unión de los cables señales de esfuerzos, es importante resaltar que este último resultado no es definitivo debido a que al momento de la separación el cohete se encontraba en la guía de lanzamiento la cual actuaria como un elemento de corrección de posición dado el caso que se generara un torque por la unión en el cableado.

Referencias:

[1] Victoria, Poveda, S, O (2012) Misión séneca III: lanzamiento de un cohete balístico multietapa con combustible tipo candy. Bogotá 2012, Informe Final (Ingeniería Mecánica). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica.

[2] Duque, Peláez, M (2011) Construcción y lanzamiento de un cohete de dos etapas con alcance sub-estratosférico, misión séneca III. Bogotá, 2011. Universidad de los Andes. Facultad de ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica.

[3] Urrego, Peña, J. A. (2009). Investigaciones en cohetería experimental Misión Séneca I: lanzamiento del cohete AINKAA-1. Bogotá, 2009 Tesis (Ingeniería Mecánica). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica.

[4] Hurtado, J.F. & Kairuz, S. & Thiriez, P. & Castro, D. & Ponce, C. Proyecto (2011) Misión Séneca V: Instrumentación en vuelo del vehículo AINKAA I y su sistema de recuperación. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.

[5] Nakka, Richard. Teoría Sobre Motores Cohete de Propelente Sólido. [En línea] http://www.nakka-1876rocketry.net/articles/nakka_theory_pages.pdf.

[6] Apogee Rockets. Apogee Components. [En línea] 10 de abril de 2012. http://www.apogeerockets.com.

[7] Urrego, José Alejandro. Protocolo de seguridad y manufactura KNSB. Bogotá. Universidad de los Andes, 2011.

Patrocinadores:

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

  • Universidad de los Andes.

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  • Famecon. Ingeniería y Proyectos.

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  • Indumil.

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  • Fuerza Aérea Colombiana.

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  • Fundación Natibo.

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  • Arquinaves.

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