Un Cohetes Protón lanzará el satélite Centenario

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2015-05-01


 

 

En fecha próxima será puesto en órbita el satélite mexicano Centenario como parte de una estrategia del gobierno federal de contar con un sistema de comunicaciones para propósitos de seguridad nacional. Para tal efecto se utilizará el lanzador Protón M Briz M de fabricación rusa, por lo que presentamos una reseña de este sistema.
 
El Protón-M es un cohete de tres etapas con capacidad de soportar una etapa superior. Las etapas superiores Bloque DM y Briz-M se colocan en la parte superior de los cohetes Protón para entregar cargas útiles a una variedad de órbitas. El cohete Protón se lanza desde los Sitios 81 y 200 del cosmódromo de Baikonur, Kazajistán.
 
Los cohetes Protón constituyen una de las familias más exitosas de lanzadores de carga pesada en la historia de los vuelos espaciales. El Protón fue designado inicialmente como UR-500, y su función fue la de un misil balístico intercontinental en la década de los 60´s. Al ser capaz de lanzar una cabeza nuclear de 100 megatones y ser de tamaño enorme,  el Protón se convirtió en un lanzador espacial diseñado para lanzar las cargas más pesadas al espacio.
 
El primer lanzamiento de Protón se realizó en 1965. Durante los primeros cinco años de operación, el sistema experimentó decenas de fracasos antes de convertirse en un lanzador confiable. Con los años, la familia de protones sufrió varias modificaciones y rediseños a fin de mantenerla al día utilizando la tecnología moderna. La primera versión de la familia de protones fue llamado 8K82 y estaba equipada con sólo dos etapas. El Protón-K fue el primero con tres etapas y una etapa superior opcional. El Protón-K se retiró en 2012, por lo que a la fecha solamente sobrevive la versión Protón-M.

 

 

El fabricante del Protón-M y el Briz-M es el Centro Estatal de Investigación Espacial y Producción Khrunichev. Los lanzadores Protón-M son operados por el gobierno ruso para las misiones oficiales y han sido puestos a disposición de la empresa International Launch Services para realizar lanzamientos comerciales.
 
La familia de protones tiene más de 390 lanzamientos en su haber manteniendo una tasa de éxito de casi el 90%. Cargas útiles notables incluyen módulos de la Salyut rusa y  las estaciones espaciales Mir, así como los módulos de la Estación Espacial Internacional Zarya y Zvezda. Muchos satélites de comunicaciones comerciales se han puesto en órbita utilizando el Protón-M con etapas Briz-M superiores.
 
El Protón-M Briz-M tiene una altura de 58.2 metros, con un diámetro de 7.4 metros y una masa de lanzamiento de cerca de 713,000 kilogramos. El Protón-M puede entregar cargas útiles de hasta 22,000 kilogramos a una órbita terrestre baja. A través del módulo Briz-M, el protón puede entregar satélites de hasta 6 toneladas en órbita de transferencia geoestacionaria. Su capacidad de inyección directa en órbita geosíncrona es de 3.5 toneladas.
 
El vehículo Protón-M cuenta con tres etapas seguidas del impulsor orbital Briz M que contiene a la carga útil.
 
Primera Etapa
La primera y mayor etapa del cohete Protón-M tiene una masa inerte de 31,000 kilogramos. Consiste en un depósito central que contiene el oxidante tetróxido de dinitrógeno. El tanque central está rodeado por seis tanques de combustible fuera de borda que contienen dimetilhidrazina asimétrica que se utiliza como combustible. Los tanques externos dan la impresión de ser cohetes adjuntos, pero no se separan durante el vuelo.
Cada uno de los tanques de combustible tiene un motor RD-253 modificado. Esos motores son conocidos como RD-275m o RD-276. Desde 1965, los primeros motores de esta etapa sólo se han modificado ligeramente, pero se ha aumentado su rendimiento en un 112% del rendimiento inicial. El RD-275m opera a una presión de la cámara muy alta gracias a técnicas de fabricación mejoradas que así lo permiten. El RD-275m utiliza un ciclo de combustión por etapas para generar una mezcla de gases enriquecida con el oxidante.

 

 

Cada uno de los 6 motores RD-275m proporciona un empuje a nivel del mar de 1,657 Kilo Newtons lo que le da al Protón un empuje de despegue de 9,942 Kilo Newtons – es decir 1,014 millones de kilogramos- lo que crea una relación inicial de empuje-peso de 1.42. El motor funciona a una presión de la cámara de 16.9 MPa con una relación de expansión de 241. El motor mide 2.72 metros de largo, 1.5 m de diámetro con una masa seca de 1,080 Kg y una masa llena de 1,260kg. El RD-253/275 tiene un coeficiente de confiabilidad de 0.998.
 
El Protón utiliza un sistema de control del vector de empuje de un grado libertad en su primera etapa. Cada uno de los seis motores sólo puede moverse +/- 7 grados en una dirección, tangencialmente al depósito circular de oxidante.
 
La primera etapa se separa del vehículo de lanzamiento después de 120 segundos del inicio del despegue. Modificaciones en el diseño han permitido reducir los residuos tanto del combustible como del oxidante en las etapas del Protón con el fin de mejorar el rendimiento del lanzador y evitar los riesgos ambientales, ya que el combustible y el oxidante son altamente tóxicos. El sistema de control de la nave está alojado en la tercera etapa.

 

 

Segunda Etapa
 
A diferencia de la primera etapa, la segunda etapa del Protón-M utiliza el diseño cilíndrico convencional con los tanques de combustible y oxidante apilados uno encima del otro. La segunda etapa también utiliza tetróxido de dinitrógeno y dimetilhidrazina asimétrica como propulsores. Con un peso en vacío de 11,700 kilogramos, esta etapa tiene capacidad para contener 156,100 kilogramos de propulsores que se utilizan durante 206 segundos de vuelo con motor antes de que ésta se separe del resto del vehículo.

 

 

Esta etapa está accionada por cuatro motores: tres motores RD-0210 y un RD-0211, este último es un motor RD-0210 ligeramente modificado que contiene un intercambiador de calor por generador de gas que suministra gas presurizado a los tanques de propelente para mantenerlos a niveles adecuados de presión para el vuelo. En total, todos los motores proporcionan aproximadamente 2,4 Mega Newtons de empuje – es decir, 244,600 Kilogramos. El motor RD 0210 es también un motor de combustión escalonada. Cada uno de los cuatro motores mide 2.33 metros de largo, 1.47 metros de diámetro y pesa 566 kilogramos. Los cuatro motores funcionan a una presión de cámara de 14.7 MPa.
 
 
Tercera Etapa
 
La tercera etapa del cohete Proton-M es la etapa final del vehículo en su diseño original y está diseñada para transportar a la carga útil a una órbita preliminar o una trayectoria suborbital, dependiendo del perfil de la misión. Esta etapa también utiliza un diseño convencional y consume tetróxido de dinitrógeno y dimetilhidrazina asimétrica como oxidante y combustible, respectivamente. La potencia de la etapa está a cargo de un motor RD-0213  que proporciona 583 Kilo Newtons de empuje. Este motor es una versión no articulada por junta cardán del motor RD-0210 que se utiliza en la segunda etapa. Para el control de vehículo y empuje adicional, se dispone de un motor RD-0214 con cuatro toberas en junta cardán. El RD-0214 proporciona 31 Kilo Newtons de empuje para acumular un empuje total de la etapa de 62,600 Kilogramos.

 

 

La tercera etapa alberga el sistema de navegación, orientación y control del vehículo que se utiliza durante el vuelo a motor. El sistema es totalmente automático y no requiere de mandos desde estaciones terrestres. Dicho sistema es digital y cuenta con redundancia triple para controlar el vehículo. Este sistema se ha actualizado varias veces desde que el Proton-M comenzó a operar en 2001. El modo de control que utiliza es de lazo cerrado. También cuenta un un giroscopio estabilizador de tres ejes de alta precisión que proporciona datos exactos de la orientación al equipo de vuelo digital. El sistema de aviónica también puede ordenar la terminación vuelo en caso de una anomalía importante durante el ascenso.


 
El impulsor Briz M
 
Si la misión lo requiere, el Protón M puede incluir una etapa adicional que puede ser el impulsor Briz M.
El Briz-M ofrece la inserción de las cargas útiles en una variedad de órbitas incluyendo órbitas bajas (LEO), medias (MEO) y altas (HEO), así como trayectorias supersincrónicas y de escape de la tierra. El impulsor Briz M está diseñado para ser lo más pequeño posible para dejar suficiente espacio para albergar cargas útiles de gran tamaño debajo de la cofia del Protón. El Briz-M proporciona una capacidad de inyección precisa y puede apoyar misiones de ascenso de hasta 24 horas, sin embargo, en general el tiempo nominal de las misión no excede de 10 horas. Por otro lado, la duración nominal de las misiones supersincrónicas es de 15 horas. El factor limitante para la duración de la misión es la carga de las baterías localizadas en su etapa superior.
 
El Briz-M utiliza tetróxido de dinitrógeno como oxidante y dimetilhidrazina asimétrica  como combustible. Los propelentes se almacenan en dos tanques que son parte del módulo de núcleo del Briz-M y están separados por un mamparo. Este módulo también incluye las secciones de propulsión y la aviónica ya que el Briz-M tiene su propio sistema de control. 5,200 Kilogramos de propelentes se almacenan en el Módulo Central. Un tanque toroidal auxiliar de propelente rodea la sección de núcleo y tiene una capacidad de 14,600 kilogramos. Este tanque auxiliar también contiene los sistemas hidráulicos y neumáticos que se utilizan para abastecer a la nave espacial. Después de que el tanque auxiliar se agota, es desechado por un sistema pirotécnico. En total, 19,800 kilogramos de propelentes se almacenan en los tanques del Briz-M.

 

 

La etapa superior es impulsada por un único motor principal S5.98M que proporciona 19.62 KN de empuje y se aloja en el nicho interior entre los dos tanques centrales de combustible. El motor está alimentado por bomba y tiene capacidad de controlar su orientación en dos grados de libertad. El motor principal se puede iniciar hasta 8 veces y tiene un sistema de encendido completamente redundante. Cuatro motores de bajo empuje se utilizan para el asentamiento propulsor y control de orientación. Cada Unidad de Control de Orientación se compone de un propulsor 11D458M que proporciona 392 N de empuje y tres 17D58E para control de orientación con 13.3N de empuje. Helio de alta presión almacenado en tanques se utiliza para mantener la presión de vuelo en los tanques de propelente y el control del sistema neumático de la etapa superior. Todos los aspectos de la misión del Briz-M están controlados a través de la aviónica del vehículo y los mandos programados de prevuelo. El Briz-M tiene un sistema de control térmico que es a la vez pasivo y activo para mantener todos sus sistemas en condiciones de funcionamiento durante los vuelos largos. Después de la separación de la nave espacial, la etapa superior realiza maniobras para evitar la colisión con la carga útil o realiza una maniobra de salida de órbita, en función de la trayectoria de vuelo.

 

 



Etiquetas: Cohetes,protón,satélite

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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