Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Electrostatic plasma instabilities excited by a high-frequency electric field. AT(30-1)-1238-MATT-669

An analysis of the electrostatic plasma instabilities excited by the application of a strong, uniform, alternating electric field is made on the basis of the Vlasov equation. A very general dispersion relation is obtained and discussed. Under the assumption W 2 O » C 2 pi. (where wO is the applied frequency and wpi the ion plasma frequency) a detailed analysis is given for wavelengths of the order of or large compared with the Debye length. It is found that there are two types of instabilities: resonant (or parametric) and nonresonant. The second is caused by the relative streaming of ions and electrons, generated by the field; it seems to exist only if wO is less than the electron plasma frequency wpe. The instability only appears if the field exceeds a certain threshold, which is found.

Ion-Ion correlations effect on nonlinear high-frequency plasma conductivity. AT(30-1)-1238-MATT-675

On the basis of the BBGKY hierarchy of equations an expression is derived for the response of a fully ionized plasma to a strong, high-frequency electric field in the limit of infinite ion mass. It is found that even in this limit the ionion correlation function is substantially affected by the field. The corrections to earlier nonlinear results for the current density appear to be quite ssential. The validity of the model introduced by Dawson and Oberman to study the response to a vanishingly small field is confirmed for larger values of the field when the eorrect expression for the ion-ion correlations i s introduced; the model by itself does not yield such an expression. The results have interest for the heating of the plasma and for the propagation of a strong electromagnetic wave through the plasma. The theory seems to be valid for any field intensity for which the plasma is stable.

Zero-G Gauging systems. CONTRACT No 17/8/4

Various systems for measuring propellant content in spacecrafts under weightlessness conditions are reviewed. The cavity resonator method is found to be the most suitable measurement; technique. This method is analyzed in detail. A determination of errors intrinsec to the method is carried out.

The determination of ionospheric charged particle temperatures from in situ measurements

The recently noticed disagreement between ionospheric charged-particle temperature values obtained from ground-based (incoherent backscatter) and in situ (Langmuir probe type) measurements is considered; it is suggested that a main cause of disagreement lies in the poor theoretical basis of present in situ measurements. It is pointed out that the usually neglected geomagnetic field influence may result in too high an electron temperature. It is also shown that the theory used at present to interpret data from ion retarding potential analyzers has serious pitfalls, and that these devices greatly disturb the surrounding plasma when measuring ion temperature. Finally, it is shown how the ion temperature can be accurately obtained from the characteristic of a cylindrical Langmuir probe in a rarefied plasma flow.

Magnetic pumping of whistler waves by tether current modulation

Magnetic excitation of whistlers by a square array of electrodynamic tethers is discussed. The array is made of perpendicular rows of tethers that carry equal, uniform, and time-modulated currents at equal frequency with a 90° phase shift. The array would fly vertical in the orbital equatorial plane, which is perpendicular to the geomagnetic field B0 when its tilt is ignored. The array radiates a whistler wave along B0. A parametric instability due to pumping by the background magnetic field through the radiated wave gives rise to two unstable coupled whistler perturbations. The growth rate is maximum for perturbations with wave vector at angles 38.36° and 75.93° from B0. For an experiment involving a wavefront that moves with the orbiting array, which might serve to study nonlinear wave interactions and turbulence in space plasmas, characteristic values of growth rate and parameters, such as the number of tethers and their dimensions and distances in the array, are discussed for low Earth orbit ambient conditions.

The radiation impedance of electrodynamics tethers in a polar Jovian orbit

Juno, the second mission in the NASA New Frontiers Program, will both be a polar Jovian orbiter, and use solar arrays for power, moving away from previous use of radioisotope power systems (RPSs) in spite of the weak solar light reaching Jupiter. The power generation at Jupiter is critical, and a conductive tether could be an alternative source of power. A current-carrying tether orbiting in a magnetized ionosphere/plasmasphere will radiate waves. A magnitude of interest for both power generation and signal emission is the wave impedance. Jupiter has the strongest magnetic field in the Solar Planetary System and its plasma density is low everywhere. This leads to an electron plasma frequency smaller than the electron cyclotron frequency, and a high Alfven velocity. Unlike the low Earth orbit (LEO) case, the electron skin depth and the characteristic size of plasma contactors affect the Alfven impedance.

Tether radiation in Juno-type and circular-equatorial Jovian orbits

Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA's planned Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. Finally, an estimation of the radiation impedance of bare tethers is considered. In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics.

T-REX: Bare electro-dynamic tape-tether technology experimetn on sounding rocket S520

The project to verify the performance of space tether technology was successfully demonstrated by the launch of the sounding rocket S520 the 25tu. The project is the space demonstration of science and engineering technologies of a bare tape electrodynamic tether (EDT) in the international campaign between Japan, USA, Europe and Australia. Method of "Inverse ORIGAMI (Tape tether folding)" was employed in order to deploy the bare tape EDT in a short period time of the suborbital flight. The deployment of tape tether was tested in a various experimental schemes on ground to show high reliability of tape tether deployment. The rocket was launched on the summer of 2010 and deployed a bare electro-dynamic tape tether with length 132.6 m, which is the world record of the length deployment of tape tether. The verification of tether technology has found a variety kind of science and technology results as the first in the humankind and will lead a large number of applications of space tether technologies

Medidas de la eficacia de los sistemas de intercambio electrónico de datos basados en la especificación ASD 2000M

La Especificación Aeroespacial y de Defensa 2000M, también conocida como S2000M, es un protocolo de intercambio electrónico de datos utilizado en el apoyo logístico de equipos de defensa. La S2000M, resultado de un trabajo conjunto entre Fuerzas Armadas (FFAA) y empresas de Naciones diversas desarrollado durante las últimas cuatro décadas, define tanto los procesos para la adquisición y mantenimiento de componentes militares, como los mensajes normalizados en apoyo de dichos procesos. Equipos de trabajo constituidos por representantes de las citadas FFAA e industria mantienen actualizada la S2000M, por lo que el protocolo evoluciona continuamente con objeto de adaptarse a las necesidades que puedan surgir. Como consecuencia de dicha actualización, existen diversas versiones de la S2000M actualmente en servicio, y este trabajo se basa en la versión denominada 2.1, si bien, una parte importante de las conclusiones del estudio pueden aplicarse a otras versiones del protocolo. A través de los años, la S2000M se ha convertido en un elemento esencial del comercio electrónico de piezas de repuesto y de servicios de mantenimiento y reparación de modernos sistemas aeronáuticos Europeos tales como los aviones de combate Typhoon, Tornado y Rafale, el avion de transporte A400M y los helicópteros NH90 y Tiger, por lo que la S2000M constituye un elemento esencial en el apoyo logístico necesario para asegurar la disponibilidad operativa de dichos sistemas. Así mismo, la S2000M juega un papel fundamental en el comercio electrónico entre las principales empresas aeronáuticas europeas y las organizaciones logísticas de defensa de Naciones tales como Alemania, España, Francia, Holanda, Italia, etc. En consecuencia, la importancia de la S2000M en aspectos tales como logística, nivel de operatividad de los sistemas de armas mencionados, comercio electrónico y sistemas de información es manifiesta, por lo que resulta necesario evaluar la eficacia y eficiencia del protocolo para optimizarlo al máximo. Con este propósito, el presente trabajo estudia la S2000M con objeto de encontrar una respuesta a la pregunta que ha constituido la base de la investigación: ¿Cómo medir el éxito de la Especificación Aeroespacial y de Defensa S2000M? Como la S2000M se utiliza para intercambiar información logística en formato electrónico entre organizaciones y entidades por medio de documentos estructurados y de procesos automatizados, los sistemas de información juegan un papel fundamental en este trabajo. En consecuencia, la base teoríca para tratar de responder a la pregunta anteriormente citada se sustenta en las investigaciones en curso sobre el éxito de los sistemas de información, adaptadas a la problemática específica del protocolo S2000M. Para finalizar, es importante mencionar que debido a que la investigación sobre la S2000M es prácticamente inexistente, este trabajo se centra en un área específica de conocimiento hasta ahora casi inexplorada. El resultado de la investigación se materializa en una serie de propuestas teoricas y prácticas con las que se contribuyen al desarrollo de tres áreas de conocimiento: S2000M, Sistemas de Información e Intercambio Electrónico de Datos. Asimismo, se proponen nuevas áreas de estudio en las tres áreas mencionadas. ABSTRAC The Aerospace and Defence Specification 2000M, in short S2000M, is an Electronic Data Interchange (EDI) standard used in the logistic support of defence equipment. The S2000M is the result of the joint effort undertaken by the Armed Forces and industry of several Nations over the last four decades. The protocol defines the business processes for the supply, maintenance and repair of military components, as well as the standard messages on support of the said processes. Representatives from industry and military keep the S2000M up-to-date and therefore, the protocol evolves continuously to support new requirements that may arise. Consequently, there are different versions of the standard currently available and this study is about one of them, precisely, Revision 2.1; however, many of the research outcomes are also be valid for other versions of the protocol. Through the years, the S2000M has become an essential element for the electronic trade of spare parts and repair services on support of modern European aeronautical systems such as the fighters Typhoon, Tornado and Rafale, the airlifter A400M and the helicopters NH90 and Tiger. As a result, the S2000M is at the center of the logistic support required to ensure the operational availability of these systems. Further, the protocol plays a key role in the electronic exchanges among main European aeronautical players and defence logistics organizations from Nations such as France, Germany, Italy, Netherlands, Spain, etc. Therefore, the significance of the S2000M on the operational availability of the mentioned weapon systems, and in logistics, electronic business and Information Systems (IS) terms is noticeable, and it is then worth evaluating how the S2000M is doing with respect to its effectiveness and efficiency in order to improve these two areas as much as possible. To this end, this work analyzes the S2000M with the aim to find a response to the following research question: How to measure the success of the Aerospace and Defence Specification 2000M? As in the end the S2000M is about the electronic exchange of logistics information among organizations and firms by means of standard messages and processes automation, IS are at the core of this dissertation. For that reason, the theoretical foundation to tackle the research question rests on the ongoing stream of research on IS success, which will be extended to take into consideration the S2000M standpoint as well. Last, it is worth noting that due to the practically inexistent research on the S2000M M, this investigation help filling a gap in this domain. The outcomes from this study materialize in a number of conceptual and practical proposals that contribute to the theory and practice on three main knowledge areas, that is, S2000M, IS and EDI. Further, this work opens the door for further research in the said or related fields.

Instability and topology bifurcations on a hemisphere-cylinder at high angle of attack

La configuración de un cilindro acoplado a una semi-esfera, conocida como ’hemispherecylinder’, se considera como un modelo simplificado para numerosas aplicaciones industriales tales como fuselaje de aviones o submarinos. Por tanto, el estudio y entendimiento de los fenómenos fluidos que ocurren alrededor de dicha geometría presenta gran interés. En esta tesis se muestra la investigación del origen y evolución de los, ya conocidos, patrones de flujo (burbuja de separación, vórtices ’horn’ y vórtices ’leeward’) que se dan en esta geometría bajo condiciones de flujo separado. Para ello se han llevado a cabo simulaciones numéricas (DNS) y ensayos experimentales usando la técnica de Particle Image Velocimetry (PIV), para una variedad de números de Reynolds (Re) y ángulos de ataque (AoA). Se ha aplicado sobre los resultados numéricos la teoría de puntos críticos obteniendo, por primera vez para esta geometría, un diagrama de bifurcaciones que clasifica los diferentes regímenes topológicos en función del número de Reynolds y del ángulo de ataque. Se ha llevado a cabo una caracterización completa sobre el origen y la evolución de los patrones estructurales característicos del cuerpo estudiado. Puntos críticos de superficie y líneas de corriente tridimensionales han ayudado a describir el origen y la evolución de las principales estructuras presentes en el flujo hasta alcanzar un estado de estabilidad desde el punto de vista topológico. Este estado se asocia con el patrón de los vórtices ’horn’, definido por una topología característica que se encuentra en un rango de números de Reynolds muy amplio y en regímenes compresibles e incompresibles. Por otro lado, con el objeto de determinar las estructuras presentes en el flujo y sus frecuencias asociadas, se han usado distintas técnicas de análisis: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) y análisis de Fourier. Dichas técnicas se han aplicado sobre los datos experimentales y numéricos, demostrándose la buena concordancia entre ambos resultados. Finalmente, se ha encontrado en ambos casos, una frecuencia dominante asociada con una inestabilidad de los vórtices ’leeward’. ABSTRACT The hemisphere-cylinder may be considered as a simplified model for several geometries found in industrial applications such as aircrafts’ fuselages or submarines. Understanding the complex flow phenomena that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. This thesis presents an investigation of the origin and evolution of the complex flow pattern; i.e. separation bubbles, horn vortices and leeward vortices, around the hemisphere-cylinder under separated flow conditions. To this aim, threedimensional Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental tests, using Particle Image Velocimetry (PIV) techniques, have been performed for a variety of Reynolds numbers (Re) and angles of attack (AoA). Critical point theory has been applied to the numerical simulations to provide, for the first time for this geometry, a bifurcation diagram that classifies the different flow topology regimes as a function of the Reynolds number and the angle of attack. A complete characterization about the origin and evolution of the complex structural patterns of this geometry has been put in evidence. Surface critical points and surface and volume streamlines were able to describe the main flow structures and their strong dependence with the flow conditions up to reach the structurally stable state. This state was associated with the pattern of the horn vortices, found on ranges from low to high Reynolds numbers and from incompressible to compressible regimes. In addition, different structural analysis techniques have been employed: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) and Fourier analysis. These techniques have been applied to the experimental and numerical data to extract flow structure information (i.e. modes and frequencies). Experimental and numerical modes are shown to be in good agreement. A dominant frequency associated with an instability of the leeward vortices has been identified in both, experimental and numerical results.

Simulation, Design and Analysis of Air-Breathing Combined-Cycle Engines for High Speed Propulsion

Desde la aparición del turborreactor, el motor aeróbico con turbomaquinaria ha demostrado unas prestaciones excepcionales en los regímenes subsónico y supersónico bajo. No obstante, la operación a velocidades superiores requiere sistemas más complejos y pesados, lo cual ha imposibilitado la ejecución de estos conceptos. Los recientes avances tecnológicos, especialmente en materiales ligeros, han restablecido el interés por los motores de ciclo combinado. La simulación numérica de estos nuevos conceptos es esencial para estimar las prestaciones de la planta propulsiva, así como para abordar las dificultades de integración entre célula y motor durante las primeras etapas de diseño. Al mismo tiempo, la evaluación de estos extraordinarios motores requiere una metodología de análisis distinta. La tesis doctoral versa sobre el diseño y el análisis de los mencionados conceptos propulsivos mediante el modelado numérico y la simulación dinámica con herramientas de vanguardia. Las distintas arquitecturas presentadas por los ciclos combinados basados en sendos turborreactor y motor cohete, así como los diversos sistemas comprendidos en cada uno de ellos, hacen necesario establecer una referencia común para su evaluación. Es más, la tendencia actual hacia aeronaves "más eléctricas" requiere una nueva métrica para juzgar la aptitud de un proceso de generación de empuje en el que coexisten diversas formas de energía. A este respecto, la combinación del Primer y Segundo Principios define, en un marco de referencia absoluto, la calidad de la trasferencia de energía entre los diferentes sistemas. Esta idea, que se ha estado empleando desde hace mucho tiempo en el análisis de plantas de potencia terrestres, ha sido extendida para relacionar la misión de la aeronave con la ineficiencia de cada proceso involucrado en la generación de empuje. La metodología se ilustra mediante el estudio del motor de ciclo combinado variable de una aeronave para el crucero a Mach 5. El diseño de un acelerador de ciclo combinado basado en el turborreactor sirve para subrayar la importancia de la integración del motor y la célula. El diseño está limitado por la trayectoria ascensional y el espacio disponible en la aeronave de crucero supersónico. Posteriormente se calculan las prestaciones instaladas de la planta propulsiva en función de la velocidad y la altitud de vuelo y los parámetros de control del motor: relación de compresión, relación aire/combustible y área de garganta. ABSTRACT Since the advent of the turbojet, the air-breathing engine with rotating machinery has demonstrated exceptional performance in the subsonic and low supersonic regimes. However, the operation at higher speeds requires further system complexity and weight, which so far has impeded the realization of these concepts. Recent technology developments, especially in lightweight materials, have restored the interest towards combined-cycle engines. The numerical simulation of these new concepts is essential at the early design stages to compute a first estimate of the engine performance in addition to addressing airframe-engine integration issues. In parallel, a different analysis methodology is required to evaluate these unconventional engines. The doctoral thesis concerns the design and analysis of the aforementioned engine concepts by means of numerical modeling and dynamic simulation with state-of-the-art tools. A common reference is needed to evaluate the different architectures of the turbine and the rocket-based combined-cycle engines as well as the various systems within each one of them. Furthermore, the actual trend towards more electric aircraft necessitates a common metric to judge the suitability of a thrust generation process where different forms of energy coexist. In line with this, the combination of the First and the Second Laws yields the quality of the energy being transferred between the systems on an absolute reference frame. This idea, which has been since long applied to the analysis of on-ground power plants, was extended here to relate the aircraft mission with the inefficiency of every process related to the thrust generation. The methodology is illustrated with the study of a variable- combined-cycle engine for a Mach 5 cruise aircraft. The design of a turbine-based combined-cycle booster serves to highlight the importance of the engine-airframe integration. The design is constrained by the ascent trajectory and the allocated space in the supersonic cruise aircraft. The installed performance of the propulsive plant is then computed as a function of the flight speed and altitude and the engine control parameters: pressure ratio, air-to-fuel ratio and throat area.

On the formation of nitrogen oxides in the combustion processes of hydrogen in air

A research programme is being carried out at the Institute Nacional de Tecnica Aeroespacial of Spain, on several aspects of the formation of nitrogen oxides in continuous flow combustion systems, considering hydrogen and hydrocarbons as fuels. The research programme is fundamentally oriented on the basic aspects of the problem, although it also includes the study of the influence on the formation process of several operational and design variables of the combusters, such as type of fuels, fuel/air ratio, degree of mixing in premixed type flames, existence of droplets as compared with homogeneous combustion.This problem of nitrogen oxides formation is receiving lately great attention, specially in connection with automobile reciprocating engines and aircraft gas turbines. This is due to the fact of the increasing frequency and intensity of photochemical hazes or smog, typical of urban areas submitted to strong solar radiation, which are originated by the action on organic compounds of the oxidants resulting from the photochemical decomposition of nitrogen dioxide N02. In the combustion process almost all nitrogen oxides are in form of NO. This nitric oxide reacts with the oxygen of the air and forms N02, this reaction only taking place in or near the exhaust of tne motors, since the N0-02 reaction becomes frozen for the concentration existing in the atmosphere.