Differential algebra techniques for space applications

This project investigates the utility of differential algebra (DA) techniques applied to the problem of orbital dynamics with initial uncertainties in the orbital determination of the involved bodies. The use of DA theory allows the splitting of a common Monte Carlo simulation in two parts: the generation of a Taylor map of the final states with regard to the perturbation in the initial coordinates, and the evaluation of the map for many points. A propagator is implemented exploiting DA techniques, and tested in the field of asteroid impact risk monitoring with the potentially hazardous 2011 AG5 and 2007 VK184 as test cases. Results show that the new method is able to simulate 2.5 million trajectories with a precision good enough for the impact probability to be accurately reproduced, while running much faster than a traditional Monte Carlo approach (in 1 and 2 days, respectively).

Aeroelastic characteristics of slender wing/bodies with freeplay non-linearities

This article presents a time domain approach to the flutter analysis of a missile-type wing/body configuration with concentrated structural non-linearities. The missile wing is considered fully movable and its rotation angle contains the structural freeplay-type non-linearity. Although a general formulation for flexible configurations is developed, only two rigid degrees of freedom are taken into account for the results: pitching of the whole wing/body configuration and wing rotation angle around its hinge. An unsteady aerodynamic model based on the slender-body approach is used to calculate aerodynamic generalized forces. Limit-cycle oscillations and chaotic motion below the flutter speed are observed in this study.

Hydrodynamic stability theory of double ablation front structures in inertial confinement fusion.

The aim of inertial confinement fusion is the production of energy by the fusion of thermonuclear fuel (deuterium-tritium) enclosed in a spherical target due to its implosion. In the direct-drive approach, the energy needed to spark fusion reactions is delivered by the irradiation of laser beams that leads to the ablation of the outer shell of the target (the so-called ablator). As a reaction to this ablation process, the target is accelerated inwards, and, provided that this implosion is sufficiently strong a symmetric, the requirements of temperature and pressure in the center of the target are achieved leading to the ignition of the target (fusion). One of the obstacles capable to prevent appropriate target implosions takes place in the ablation region where any perturbation can grow even causing the ablator shell break, due to the ablative Rayleigh-Taylor instability. The ablative Rayleigh-Taylor instability has been extensively studied throughout the last 40 years in the case where the density/temperature profiles in the ablation region present a single front (the ablation front). Single ablation fronts appear when the ablator material has a low atomic number (deuterium/tritium ice, plastic). In this case, the main mechanism of energy transport from the laser energy absorption region (low density plasma) to the ablation region is the electron thermal conduction. However, recently, the use of materials with a moderate atomic number (silica, doped plastic) as ablators, with the aim of reducing the target pre-heating caused by suprathermal electrons generated by the laser-plasma interaction, has demonstrated an ablation region composed of two ablation fronts. This fact appears due to increasing importance of radiative effects in the energy transport. The linear theory describing the Rayleigh-Taylor instability for single ablation fronts cannot be applied for the stability analysis of double ablation front structures. Therefore, the aim of this thesis is to develop, for the first time, a linear stability theory for this type of hydrodynamic structures.

Visión por computador para UAS

La visión por computador es una parte de la inteligencia artificial que tiene una aplicación industrial muy amplia, desde la detección de piezas defectuosas al control de movimientos de los robots para la fabricación de piezas. En el ámbito aeronáutico, la visión por computador es una herramienta de ayuda a la navegación, pudiendo usarse como complemento al sistema de navegación inercial, como complemento a un sistema de posicionamiento como el GPS, o como sistema de navegación visual autónomo.Este proyecto establece una primera aproximación a los sistemas de visión articial y sus aplicaciones en aeronaves no tripuladas. La aplicación que se desarrollará será la de apoyo al sistema de navegación, mediante una herramienta que a través de las imágenes capturadas por una cámara embarcada, dé la orden al autopiloto para posicionar el aparato frente la pista en la maniobra de aterrizaje.Para poder realizar ese cometido, hay que estudiar las posibilidades y los desarrollos que el mercado ofrece en este campo, así como los esfuerzos investigadores de los diferentes centros de investigación, donde se publican multitud soluciones de visión por computador para la navegación de diferentes vehículos no tripulados, en diferentes entornos. Ese estudio llevará a cabo el proceso de la aplicación de un sistema de visión articial desde su inicio. Para ello, lo primero que se realizará será definir una solución viable dentro de las posibilidades que la literatura permita conocer. Además, se necesitará realizar un estudio de las necesidades del sistema, tanto de hardware como de software, y acudir al mercado para adquirir la opción más adecuada que satisfaga esas necesidades. El siguiente paso es el planteamiento y desarrollo de la aplicación, mediante la defnición de un algoritmo y un programa informático que aplique el algoritmo y analizar los resultados de los ensayos y las simulaciones de la solución. Además, se estudiará una propuesta de integración en una aeronave y la interfaz de la estación de tierra que debe controlar el proceso. Para finalizar, se exponen las conclusiones y los trabajos futuros para continuar la labor de desarrollo de este proyecto.

Fluid physics under reduced gravity : an overview

Problems related to several fluid physics experiments the case of two experiemnts to be performed under reduced gravity, onboard Space- temperatures,lab (1st Mission), are discussed. Special attention is placed on parallel and preparatory work on erth, wich could throw some light on the opportunity, present interest and limitations of these experiments. The need for strong supporting fundamental research and, in particular, a more precise determination of the paremeters involved, is stressed.

Realización de la Evaluación del Impacto Ambiental de un proyecto de infraestructura aeroportuaria

Dentro del impacto para el medio ambiente que supone el transporte aéreo en general y las infraestructuras terrestres necesarias para su realización del mismo en particular, se trata la Evaluación del Impacto Ambiental de un proyecto de infraestructura aeroportuaria. Una vez ya localizado el elemento de estudio dentro del problema global, la pretensión de este PFC es de servir de guía básica para su realización siguiendo la legislación actual en España y el modus operandi de AENA. Para ello se incluye información sobre los procedimientos, documentos, contenidos, fuentes y metodología empleada en un caso general. En la parte final se pasa a la aplicación completamente práctica presentando la Evaluación de Impacto Ambiental del Aeropuerto de Burgos.

Sobre los aeropuertos verdes: marco para la evaluación ambiental suficiente de una construcción bajo interpretación transversal

En el estudio buscamos caracterizar el análisis de la SOSTENIBILIDAD (Suficiencia) del CICLO DE VIDA de una INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA centrándonos en la evaluación de los aspectos SOCIALES (de forma Interdisciplinaria o Transversal) que le afectan y considerando todos los AGENTES involucrados (ingenieros/ operadores/ mantenedores/ usuarios/ stakeholders/ etc.). La complejidad de las interacciones entre los edificios y su entorno hace que sea difícil definir y evaluar con precisión la sostenibilidad de un edificio. Las NORMAS AMBIENTALES para la construcción (unas pocas existentes y algunos en fase de desarrollo) se centran en la sostenibilidad ECONÓMICA, SOCIAL Y AMBIENTAL que caracteriza a un edificio, siendo los aspectos socio-económicos difíciles de evaluar. En consecuencia, los métodos existentes para la evaluación de la construcción sostenible (por ejemplo, LEED, BREEAM, SBTool) tienden a superar los aspectos ambientales pues son más fáciles de evaluar de manera cuantitativa. Así desde el punto de vista holístico (global) y utilizando la teoría de sistemas complejos, la sostenibilidad debe ser evaluada, en parte, utilizando los INDICADORES DE SOSTENIBILIDAD SOCIALES Y ECONÓMICOS para cubrir todos los factores de Sostenibilidad. El estudio propone una metodología para valorar la sostenibilidad en la construcción aeroportuaria a través de la evaluación de los indicadores sostenibles de la construcción (SKPIs) sin y superando las carencias presentadas. Para ello hemos implementado una herramienta de evaluación de la sostenibilidad, donde: Puede evaluar, en primer aproximación e independientemente, la sostenibilidad del CICLO DE VIDA de la INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA Puede COMPLETAR otras herramientas comerciales disponibles (ej. BREEAM, LEED), bajo un enfoque ECONÓMICO-SOCIAL y complementando el enfoque ambiental La evaluación de los KPIs se realiza por medio de TECNOLOGÍAS Y ESTRATEGIAS SOSTENIBLES, cuya aplicación supondría un aumento de la sostenibilidad del edificio La herramienta propuesta considera la complejidad y transdisciplinariedad del problema, fundada en un SISTEMA DE CRÉDITOS fácil de usar. Así el programa diseñado permite el análisis y la comparación del CICLO DE VIDA de la INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA: Abarcando las etapas de construcción (diseño, operación, mantenimiento, etc.) Incluyendo a todos los agentes de construcción (ocupantes, stakeholders, constructores, etc.) Finalmente, se aporta un ejemplo teórico de una INFRAESTRUCTURA AEROPORTUARIA (Terminal Aeroportuaria) para fijar, demostrar y discutir el estudio presentado Abstract We seek to characterize the sustainability analysis of the life cycle of a building focus us on the evaluation of social aspect. From a holistic point of view and using complex systems theory, sustainability must be evaluated, in part, using social key performance indicator (KPI) to cover all factors of sustainability. The most remarkable of the proposed framework is to provide a methodology to achieve the sustainability in construction through the assessment of social KPIs. Besides we implement a tool to assess sustainability, where this tool could complete other commercial tools available (e.g. BREEAM, LEED). The proposed tool considers the complexity and trans-disciplinary of the problem. The procedure is based on a credit system easy to use. It also allows analysis and comparison of the boundary conditions of the building, embracing construction stages (design, operation), involving all the building agents (occupants, stakeholders, etc.)

Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.