Controlling the Eccentricity of Polar Lunar Orbits with Low-Thrust Propulsion

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

On the influence of the mode-shapes of a marine propulsion shafting system on the prediction of torsional stresses

Torsional vibration predictions and measurements of a marine propulsion system, which has both damping and a highly flexible coupling, are presented in this paper. Using the conventional approach to stress prediction in the shafting system, the numerical predictions and the experimental torsional vibration stress curves in some parts of the shafting system are found to be quite different. The free torsional vibration characteristics and forced torsional vibration response of the system are analyzed in detail to investigate this phenomenon. It is found that the second to fourth natural modes of the shafting system have significant local deformation. This results in large torsional resonant responses in different sections of the system corresponding to different engine speeds. The results show that when there is significant local deformation in the shafting system for different modes, then multi-point measurements should be made, rather than the conventional method of using a single measurement at the free end of the shaft, to obtain the full torsional vibration characteristics of the shafting system.

Mathematical model for manoeuvrability of a riverine support patrol vessel with a pump-jet propulsion system

A study on the manoeuvrability of a riverine support patrol vessel is made to derive a mathematical model and simulate maneuvers with this ship. The vessel is mainly characterized by both its wide-beam and the unconventional propulsion system, that is, a pump-jet type azimuthal propulsion. By processing experimental data and the ship characteristics with diverse formulae to find the proper hydrodynamic coefficients and propulsion forces, a system of three differential equations is completed and tuned to carry out simulations of the turning test. The simulation is able to accept variable speed, jet angle and water depth as input parameters and its output consists of time series of the state variables and a plot of the simulated path and heading of the ship during the maneuver. Thanks to the data of full-scale trials previously performed with the studied vessel, a process of validation was made, which shows a good fit between simulated and full-scale experimental results, especially on the turning diameter

Viability study of sailing propulsion combined with a conventional system

For many years now, sails have been used as a propulsion system. At present, they are restricted to recreational/sport crafts since the appearance of the first steam vessels in the beginning of the 19 th century. But in the last years, due to the increase of fuel price and the pollution of the environment, it is being studied the possibility to introduce again the sail as a propulsive method combined with other conventional systems. In this paper, it is studied the viability of using a sail as a propellant with other conventional systems of propulsion. After considering the concept of apparent wind, the range of use of this complementary propulsion is presented. The calculation methodology, the numerical simulations and the wind inputs from a specific route are also included.

Eliminacion de dioxido de carbono en la propulsion de submarinos

Una planta AIP es cualquier sistema propulsivo capaz de posibilitar la navegación de un vehículo submarino bajo la superficie del mar de forma completamente independiente de la atmósfera terrestre. El uso a bordo de submarinos de plantas AIP basadas en la reacción química entre un hidrocarburo y oxígeno (ambos almacenados en el interior del submarino) da lugar a la producción en grandes cantidades de agua y CO2, residuos que necesitan ser eliminados. En concreto, la producción de CO2 en grandes cantidades (y en estado gaseoso) constituye un auténtico problema en un submarino navegando en inmersión, ya que actualmente no resulta viable almacenarlo a bordo, y su eliminación tiene que llevarse a cabo de forma discreta y con un coste energético reducido. Actualmente, hay varias alternativas para eliminar el CO2 producido en la propulsión de un submarino navegando en inmersión, siendo la más ventajosa la disolución de dicha sustancia en agua de mar y su posterior expulsión al exterior del submarino. Esta alternativa consta básicamente de 3 etapas bien definidas: • Etapa 1.- Introducir agua de mar a bordo del submarino, haciendo bajar su presión desde la existente en el exterior hasta la presión a la que se quiere realizar el proceso de disolución. • Etapa 2.- Llevar a cabo el proceso de disolución a presión constante e independiente de la existente en el exterior del submarino. • Etapa 3.- Expulsar fuera del submarino el agua de mar saturada de CO2 haciendo subir su presión desde la correspondiente al proceso de disolución hasta la existente en el exterior. Para ejecutar las etapas 1 y 3 con un coste energético aceptable, resulta necesaria la instalación de un sistema de recuperación de energía, el cual basa su funcionamiento en aprovechar la energía producida en la caída de presión del flujo de agua entrante para elevar la presión del flujo de agua saliente saturada de CO2. El sistema arriba citado puede implementarse de 3 formas alternativas: • Recuperación de doble salto mediante máquinas hidráulicas de desplazamiento positivo. • Recuperación directa mediante cilindros estacionarios dotados de pistones internos. • Recuperación directa mediante cilindros rotativos sin pistones internos. Por otro lado, para ejecutar la etapa 2 de forma silenciosa, y sin ocupar excesivo volumen, resulta necesaria la instalación de un sistema de disolución de CO2 en agua de mar a baja presión, existiendo actualmente 2 principios funcionales viables: • Dispersión de finas burbujas de gas en el seno de una masa de agua. • Difusión directa de CO2 a través de una inter-fase líquido/gas estable sin procesos de dispersión previos. Una vez dicho todo esto, el objetivo de la tesis consiste en llevar a cabo dos estudios comparativos: uno para analizar las ventajas/inconvenientes que presentan las 3 alternativas de recuperación de energía citadas y otro para analizar las ventajas/inconvenientes que presentan los sistemas de disolución de CO2 en agua de mar basados en los 2 principios funcionales mencionados. En ambos estudios se van a tener en cuenta las singularidades propias de una instalación a bordo de submarinos. Para finalizar este resumen, cabe decir que la ejecución de los estudios arriba citados ha exigido el desarrollo de un código software específico (no disponible en la bibliografía) para llevar a cabo la simulación numérica de los distintos sistemas presentados en la tesis. Este código software se ha desarrollado bajo una serie de restricciones importantes, las cuales se listan a continuación: • Ha sido necesario tener en cuenta fluidos de trabajo multi-componente: agua de mar con CO2 disuelto. • El fluido de trabajo se encuentra normalmente en estado líquido, habiendo sido necesario considerar fenómenos de cambio de fase únicamente en etapas incipientes. • La algoritmia se ha diseñado de la forma más simple posible, al objeto de facilitar el subsiguiente proceso de programación y reducir al máximo el tiempo de ejecución en máquina. • La algoritmia arriba citada se ha diseñado para llevar a cabo análisis de tipo comparativo solamente, y no para obtener resultados extremadamente precisos en términos absolutos.

EU-CargoXpress: wind propulsion concept

The EU-CargoXpress project suggests the usage of sustainable energies to reduce the fuel consumption. The updated concept consists of hoisting the superstructure and using it as a sail together with the conventional propulsion. This paper presents the study of the sail performance by means of a computational analysis and wind tunnel tests. Moreover, a research of the energy saving in different operational areas has been conducted. It is concluded that there is a significant energy saving by using the superstructure as a sail which leads to a reduction of fossil fuel consumption and consequently, a reduction of greenhouse gas emissions.

Choked flow in water/CO2 solutions on air-independent propulsion systems

We develop a simplified model of choked flow in pipes for CO2-water solutions as an important step in the modelling of a whole hydraulic system with the intention of eliminating the carbon dioxide generated in air-independent submarine propulsion. The model is based on an approximate fitting of the homogeneous isentropic solution upstream of a valve (or any other area restriction), for given fluid conditions at the entrance. The relative maximum choking back-pressure is computed as a function of area restriction ratio. Although the procedure is generic for gas solutions, numeric values for the non-dimensional parameters in the analysis are developed only for choking in the case of carbon dioxide solutions up to the pure-water limit.

Mechanical actuator for biomimetic propulsion and the effect of the caudal fin elasticity on the swimming performance

This paper presents a mechanical actuator for the biomimetic propulsion of swimming devices and the experimental study of the effect of the caudal fin elasticity on the overall performance. The design of the proposed drive allows the DC motor to operate at constant speed, so all the power of the motor is spent only for the motion of the caudal fin. A prototype of the actuator, in which the caudal fin serves as a driving element, is manufactured and tested in both laboratory and natural conditions. The swimming speed, the thrust efficiency and the maneuverability are evaluated for caudal fins with different stiffness. The caudal fin whose rigidity varies relative to both vertical and horizontal cross-section, exhibits the best performance. The achieved results also confirm that the proposed actuator could be of great interest to applications in the field of underwater operation, ocean investigation and environmental protection.

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.