Optimización de las prestaciones aerodinámicas de un lanzador de satélites aeroportado

Abstract

En esta tesis doctoral se recogen métodos de mejora en diferentes aspectos del diseño y operación de un lanzador aeroportado enfocadas a conseguir un aumento de sus prestaciones. Tres han sido las áreas de estudio y mejora: trayectoria, aerodinámica supersónica y geometría del lanzador. En primer lugar se ha llevado a cabo una optimización de la trayectoria del vehículo con el objetivo de analizar la altitud de la órbita con el mínimo combustible, o maximizar el radio orbital para un combustible dado. Esta altitud, directamente relacionada con la energía del satélite, suele ser determinante en el tiempo de vida de la misión, y de ahí la importancia de su optimización. En este proceso se determinan los tramos de ascenso y las variables y condiciones más determinantes en la consecución de las prestaciones finales. 5 Una vez elegido un punto de diseño nominal se realiza una optimización geométrica bajo una determinada configuración de lanzador, utilizando métodos estadísticos para la generación de metamodelos basados en técnicas de optimización de Kriging. La elaboración de dicho metamodelo, que permite estimar los coeficientes de resistencia aerodinámica correspondientes a un compendio de geometrías muy grande, se lleva a cabo gracias a una serie de simulaciones numéricas realizadas mediante técnicas de dinámica de fluidos computacional. Estas simulaciones son realizadas en condiciones de flujo supersónico, y dado el estado del arte actual en configuración de escenarios para flujos externos supersónicos ha sido necesario analizar la influencia de aspectos como: la adecuación de los diversos modelos de turbulencia existentes, el uso de funciones de pared y el nivel de resolución de las mallas utilizadas. Los resultados han sido contrastados y validados con experimentos reales realizados en túnel de viento por otros autores, utilizando así el entorno de simulación más adecuado para la realización de los experimentos numéricos. Como resultado final, se ha obtenido una metodología que consigue mejoras en las prestaciones de los lanzadores aeroportados, con un estudio completo que es capaz de optimizar la geometría a partir de un punto de diseño determinado por el análisis de la trayectoria