Diseño mecánico estructural del sistema de frenado aerodinámico implementado en el cohete Xitle

Abstract

El presente trabajo se enfocó en el diseño mecánico estructural de un sistema de frenado aerodinámico, implementado en el cohete Xitle, del equipo Propulsión UNAM. Dicho vehículo tiene una capacidad de alcanzar altitudes de 9,000 [m]. Su estructura alcanza los 4.5 [m] de longitud, con una capacidad de transportar cargas útiles en formato Cubesat 3U, de 4 [kg] de masa.

Como punto de partida se obtuvieron los valores representativos de la dinámica de vuelo del cohete Xitle a partir de la programación de un simulador de vuelo. Empleando dichos valores se realizaron análisis de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para conocer el comportamiento de la fuerza de arrastre del cohete Xitle, dentro del rango de trabajo definido entre 0.8 Mach y 0 Mach. Dichos resultados iniciales se emplearon para conocer la cantidad de energía necesaria a disipar, proveniente del trabajo generado por la fuerza de arrastre, a partir de la implementación del sistema de frenado aerodinámico, con el objetivo de generar una reducción de altitud de 300 [m]. Una vez identificado el comportamiento de la fuerza de arrastre del cohete Xitle se definieron las especificaciones objetivo a cumplir por el sistema a diseñar.

Posteriormente se realizaron tres propuestas conceptuales. A partir del uso de una matriz de decisión se seleccionó una de las propuestas, nombrada como “Bilateral”. Con el motivo de conocer la capacidad de generar el incremento de arrastre necesario se realizaron análisis CFD de 3 propuestas de longitud desplegada: 30 [cm], 35 [cm] y 40 [cm]. Una vez seleccionada la propuesta de 35 [cm] se realizó el diseño los componentes del sistema mecánico, así como la selección de los componentes comerciales, finalizando en la arquitectura completa del sistema. El mecanismo diseñado es del tipo piñón - cremallera, el cual emplea dos cremalleras para lograr un despliegue simultáneo de dos superficies de frenado aerodinámico.

Realizando una conexión entre un análisis tipo CFD con un análisis estático estructural, por el Método de Elemento Finito (FEM), se conoció el desempeño estructural de las superficies desplegadas en el caso crítico de cargas. Se realizó un análisis de optimización estructural, con el objetivo de minimizar el compliance, con la restricción del 40 % de retención de masa. Sintetizando los resultados obtenidos del proceso de optimización se obtuvo una estructura con una reducción del 54 % de la masa original y una deformación máxima de 8.14 [µm].

El proceso de diseño finalizó con un análisis estático estructural de la nueva geometría posterior al proceso de optimización estructural, verificando de forma satisfactoria su capacidad para soportar las cargas de diseño.