Modelado y recreación virtual del módulo lunar en CATIA V5

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Dpto. Expresión Gráfica en la Ingeniería Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Autora: Eva Mª Gordito Esteban Tutora: Laura García Ruesgas ii iii Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Autora: Eva Mª Gordito Estebam Tutora: Laura García Ruesgas Profesora Contratada Doctora Dpto. de Expresión Gráfica en la Ingeniería Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iv v Trabajo de Fin de Grado: Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Autora: Eva Mª Gordito Esteban Tutora: Laura García Ruesgas El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal vi vii A mi madre viii ix AGRADECIMIENTOS A mi madre por enseñarme el significado de la palabra resiliencia. A mis hermanos por ser mis mejores consejeros en el camino. A mi pareja por ser mi persona, por impulsarme a creer en mí misma. A mis amigas por entenderme y apoyarme incondicionalmente. Eva Mª Gordito Esteban Estudiante de Ingeniería Aeroespacial Sevilla, 2021 xvi Figura 3.11 – Desarrollo de la sección trasera 20 Figura 3.12 – Modelado final de la sección trasera 21 Figura 3.13 – Interior de la cabina de tripulación de la sección delantera 21 Figura 3.14 – Superficies de la sección delantera 22 Figura 3.15 – Detalles de la sección delantera 22 Figura 3.16 – Modelado final de la sección delantera 23 Figura 3.17 – RCS en la sección trasera del LM 23 Figura 3.18 – Modelado final de los quads RCS 24 Figura 3.19 – Antena Rendezvous 24 Figura 3.20 – Modelado final de la antena rendezvous 25 Figura 3.21 – Antena S-band 25 Figura 3.22 – Modelado final de la antena S-band 26 Figura 3.23 – Modelado final de la antena EVA 26 Figura 3.24 – Sistema VHF 27 Figura 3.25 – Detalle sistema VHF 27 Figura 3.26 – Modelado final del sistema VHF 28 Figura 3.27 – Docking target 28 Figura 3.28 – Modelado final del docking target 28 Figura 3.29 – Perspectiva del DS 29 Figura 3.30 – Componentes del DS 30 Figura 3.31 – Estructura del DS 30 Figura 3.32 – Superficies de la estructura central 31 Figura 3.33 – Compartimentos de la estructura central 31 Figura 3.34 – Detalles de la estructura central 32 Figura 3.35 – Modelado final de la estructura central, vista 1 32 Figura 3.36 – Modelado final de la estructura central, vista 2 32 Figura 3.37 – Superficies de la estructura de protección 33 Figura 3.38 – Modelado final de la estructura de protección 33 Figura 3.39 – Esquema del tren de aterrizaje 34 Figura 3.40 – Estructura central del tren de aterrizaje 34 Figura 3.41 – Estructura superior del tren de aterrizaje 35 Figura 3.42 – Estructura inferior del tren de aterrizaje 35 Figura 3.43 – Protectores del tren de aterrizaje 36 Figura 3.44 – Modelado final del tren de aterrizaje 36 Figura 3.45 – Aldrin utilizando la plataforma de acceso 37 Figura 3.46 – Modelado final de la escalera 37 Figura 3.47 – Modelado final de la plataforma de acceso 38 Figura 4.1 - Ensamblado del AS, vista general 1 39 Figura 4.2 - Ensamblado del AS, vista general 2 40 xvii Figura 4.3 – Ensamblado del AS, vistas 40 Figura 4.4 - Ensamblado del AS, detalles 41 Figura 4.5 - Ensamblado del DS, vista general 1 41 Figura 4.6 - Ensamblado del DS, vista general 2 42 Figura 4.7 – Ensamblado del DS, vistas 42 Figura 4.8 - Ensamblado del DS, detalles 43 Figura 4.9 – Ensamblado del modelo completo, vista general 1 43 Figura 4.10 - Ensamblado del modelo completo, vista general 2 44 Figura 4.11 – Ensamblado del modelo completo, vistas 44 Figura 4.12 - Ensamblado del modelo completo, detalles 45 Figura 5.1 – Modelo completo a color, vista general 1 47 Figura 5.2 – Modelo completo a color, vista general 2 48 Figura 5.3 - Modelo completo a color, vistas 48 Figura 5.4 - Modelo completo a color, detalle 49 Figura 5.5 – Recreación del LM en la superficie lunar, vista 1 49 Figura 5.6 - Recreación del LM en la superficie lunar, vista 2 50 Figura 5.7 – Recreación del LM en la superficie lunar, vista 3 50 Figura 5.8 – Recreación del AS en su viaje de vuelta a la órbita lunar 51 Figura 5.9 – Simulación del ascenso del AS 51 Figura 5.10 – Recreación del ascenso del AS, tiempo 1 52 Figura 5.11 – Recreación del ascenso del AS, tiempo 2 52 xviii xix GLOSARIO - LM: Lunar Module - LEM: Lunar Excursion Module - NASA: National Aeronautics and Space Administration - EOR: Earth Orbit Rendezvous - LOR: Lunar Orbit Rendezvous - CSM: Command and Service Module - CM: Command Module - SM: Service Module - AS: Ascent Stage - DS: Descent Stage - LLRV: Lunar Landing Research Vehicle - LLTV: Lunar Landing Trainning Vehicle - APS: Ascent Propulsion System - RCS: Reaction Control System - ECLSS: Environmental Control and Life Support System - PNGS: Primary Guidance, Navigation, and Control System - AGS: Abort Guidance System - DPS: Descent Propulsion System - MESA: Modularized Equipment Stowage Assembly - EASEP: Early Apollo Surface Experiments Package - ALSEP: Apollo Lunar Surface Experiments Package - CAD: Computer Aided Design - CAM: Computer Aided Design - CAE: Computer Aided Design - CATIA: Computer Aided Three Dimensional Interactive Application xx 1 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 1 INTRODUCCIÓN l diseño y construcción del Módulo Lunar (LM), más conocido como Módulo Lunar Eagle, durante el programa Apolo de la NASA representó uno de los mayores logros en la historia de la ingeniería y un gran hito en la historia de la humanidad: un hombre pisaba la Luna por primera vez, permitiendo a Neil Armstrong pronunciar aquellas célebres palabras: “Un pequeño paso para el hombre, pero un gran salto para la humanidad”. Figura 1.1 - Huella dejada por Aldrin en la superficie Lunar. 1.1 Marco Histórico Todo comenzó el 25 de mayo de 1961, cuando John F. Kennedy, el entonces presidente de los Estados Unidos, anunció el propósito de enviar a un hombre a la Luna antes de que terminase la década. La carrera espacial había comenzado con el lanzamiento del satélite artificial soviético Sputnik 1 y la Unión Soviética se había apuntado una victoria tras otra en la conquista del espacio exterior: habían sido los primeros en enviar una sonda robótica a la Luna, los primeros en fotografiar su cara oculta y los primeros en poner a un humano en órbita. Por ello, en Estados Unidos estaban decididos a ser los primeros en pisar la Luna. E “Un pequeño paso para el hombre, pero un gran salto para la humanidad.” - Neil Armstrong - 2 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 1.2 – John F. Kennedy frente al concepto de módulo de aterrizaje lunar de la NASA. Para conseguir este objetivo, la NASA barajaba dos opciones: un ascenso directo, que era el método con el que la NASA estaba más familiarizado en la época, o una maniobra Earth Orbit Rendezvous (EOR), en el que una nave, tras alcanzar la órbita terrestre, lanzaría a otro vehículo espacial hasta la Luna. Tanto el ascenso directo como el EOR habrían implicado, entre otras complicaciones técnicas dada la época, el aterrizaje en la Luna de una nave espacial Apolo completa y por tanto muy pesada, lo que resultaba muy costoso no solo económicamente sino también en tiempos de diseño y desarrollo. Es entonces cuando el ingeniero de la NASA John Houbolt junto con el equipo de la empresa Grumman Aircraft Engineering desarrollaron una tercera opción que ofrecía grandes ventajas en tiempo, dinero e ingeniería: utilizar una maniobra Lunar Orbit Rendezvous (LOR) en la que una nave espacial principal viajaría junto a un módulo de aterrizaje más pequeño hasta alcanzar la órbita lunar. Una vez allí, mientras que la nave principal permanecía en órbita con uno de los astronautas, el módulo de aterrizaje descendería hasta la superficie de la Luna con otros dos astronautas, siendo capaz luego de volver a la nave principal y poder ésta regresar a la Tierra. Figura 1.3 - John C. Houbolt explicando el método LOR a la prensa. 3 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 1.4 – Técnicas consideradas para el alunizaje Finalmente, en 1962 se tomó la decisión de que la maniobra más adecuada era la LOR, adjudicándose Grumman un contrato de valor de unos 350 millones de dólares. Esta elección supuso un gran desafío para la época, se debía construir en un laboratorio una máquina que nunca funcionaría en la atmósfera terrestre. El siguiente objetivo pasó a ser diseñar y producir un vehículo capaz de alcanzar la superficie de la Luna y ascender de regreso a la órbita lunar: el Módulo Lunar. [1] [2] 1.2 Evolución del diseño El Módulo Lunar (LM), originalmente llamado Módulo de Excursión Lunar (LEM) 1 , fue construido por Grumman Aircraft Engineering y diseñado principalmente por el ingeniero aeroespacial estadounidense Tom Kelly. Su diseño del LM es considerado como ‘ingeniería inteligente’: no es bonito, pero sí simple, fuerte y puramente funcional. Figura 1.5 – Tom Kelly, “El padre del Módulo Lunar” 1 La palabra Excursión se eliminaría durante el desarrollo del LM ya que se consideró que daba una nota frívola a la misión Apolo. 4 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Ya en su primera versión, el LM fue diseñado para cumplir unas características específicas: debía ser capaz de llevar a dos hombres hasta la superficie de la Luna y traerlos de vuelta a la órbita lunar, donde esperaría un tercer hombre en el Módulo de Mando y Servicio (CSM). Por otro lado, tenía que ser lo suficientemente pequeño como para caber dentro del cohete Saturno V y lo suficientemente ligero como para poder ser lanzado desde la órbita. Y, además, su tren de aterrizaje debía ser diseñado sin conocer el terreno donde debía aterrizar, por ello se requerían patas muy espaciadas para que no volcara si aterrizaba en ángulo y almohadillas grandes para que no se hundiera en el polvo lunar, si lo hubiera. Por todo ello, el LM se planteó desde el inicio como un vehículo de dos etapas. La parte superior, llamada luego Módulo de Ascenso (AS), con su propio motor, para llevar a los dos astronautas a la superficie de la Luna y regresar posteriormente a la órbita lunar. Y, la parte inferior, el Módulo de Descenso (DS), también con su propio motor, que incluía el tren de aterrizaje y servía de plataforma de lanzamiento para el AS, lo que reducía la cantidad de energía necesaria para el viaje de regreso a la órbita. La primera configuración de su diseño parecía una versión más pequeña del CSM, que era el resultado de la unión del Módulo de Mando (CM) y del Módulo de Servicio (SM), y consistía en una cabina en forma de cono sobre una sección de propulsión cilíndrica con patas plegables. Puesto que el LM debía de ser capaz de desacoplarse del CSM para descencer a la superficie lunar y de acoplarse luego de nuevo una vez regresase a la órbita, se le instaló un puerto de acoplamiento hacia delante. Por otro lado, en cuanto al tren de aterrizaje, el diseño inicial tenía tres patas al tratarse de la configuración más sencilla y ligera. Figura 1.6 – Concepto de Módulo Lunar de Grumman, verano de 1962. Sin embargo, este primer diseño desarrollado por el equipo de Grumman pronto se modificaría. El segundo diseño se asemejaba a la idea de una cabina de helicóptero con grandes ventanas y asientos curvos para mejorar la visibilidad de los astronautas durante el vuelo y el alunizaje. Además, se incluyó un segundo puerto de acoplamiento hacia adelante, lo que permitía a la tripulación desempeñar un papel activo en el acoplamiento con el CSM. También se modificó el tren de aterrizaje, la configuración de tres patas sería poco estable si una de las patas se dañaba durante el alunizaje. Por eso, la siguiente iteración del diseño del tren de aterrizaje constaba de cinco patas lo que lo hacía mucho más estable en un terreno desconocido. 5 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 1.7 - Concepto de Módulo Lunar de Grumman, otoño de 1962. Pronto se descubrió que el peso era extremadamente crítico en el LM, cuanto más pesado fuese, más combustible necesitaría mientras buscaba un lugar seguro para aterrizar, y la capacidad de combustible era muy limitada. Se realizaron numerosos rediseños para ahorrar peso, mejorar la seguridad y solucionar otros problemas. Desaparecieron las pesadas ventanas de la cabina sustituyéndose por ventanas triangulares más pequeñas que les daban suficiente visibilidad del lugar de aterrizaje, y se eliminaron los asientos, los astronautas se mantendrían de pie ayudados por un sistema de cable y poleas. Más tarde, se eliminó el puerto de acoplamiento hacia adelante redundante, lo que significaba que se cedía el control activo del acoplamiento al piloto del CSM. En cuanto al tren de aterrizaje, la configuración de cinco patas resultaba demasiado pesada y los ingenieros se comprometieron en cuatro patas de aterrizaje. Además, se ampliaron las almohadillas de las patas para mejorar la estabilidad. Por otro lado, como iba a volar en el vacío del espacio, no necesitaba tener cualidades aerodinámicas de ningún tipo, por lo tanto, las antenas, las patas, los cohetes y los suministros se podían conectar externamente donde fuera necesario. Así, el LM se acercaba a su forma final y al objeto de este trabajo, la versión LM-5. Figura 1.8 – Maqueta del LM-5, octubre de 1964. 12 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 2.2 Módulos utilizados Como se ha comentado CATIA es un programa muy completo, con gran variedad de módulos y herramientas. En esta sección nos centraremos en explicar brevemente aquellas que se han considerado más importantes para el diseño del LM. 2.2.1 Módulo Wireframe & Surface Design Figura 2.2 – Acceso al Módulo Wireframe & Surface Es el módulo más utilizado en este trabajo debido a la complejidad de las piezas a recrear. El modo de operación ha sido similar en las diferentes piezas modeladas: tras la creación de puntos, líneas y planos auxiliares o geometrías en 2D con la herramienta Sketch, se procede a la creación de las superficies que compondrán nuestra pieza. Las principales herramientas a mencionar son: Fill, Extrude, Extrapolate, Split, Multi-Section Surface y Revolve. Una vez obtenemos una superficie cerrada, mediante Join lo unimos todo en un único elemento y pasamos al Módulo Part Design, donde obtendremos nuestra pieza sólida. Figura 2.3 – Herramientas del Módulo Wireframe & Surface Cabe mencionar que, en todos los módulos utilizados, existen herramientas que permiten realizar operaciones de simetría, herramientas que se han utilizado siempre que ha sido posible para facilitar la recreación de las piezas y simplificar el trabajo a realizar. 13 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 2.2.2 Módulo Part Design Figura 2.4 - Acceso al Módulo Part Design Este módulo se ha empleado principalmente para obtener una pieza sólida a partir de una superficie cerrada mediante la herramienta Close Surface o para dar espesor a una pieza mediante Thick Surface. También, se ha empleado para obtener detalles como agujeros o salientes, entre otros, a través de las herramientas Pocket, Pad, Shaft y Chamfer, principalmente. Figura 2.5 – Herramientas del Módulo Part Design 2.2.3 Módulo Assembly Design Figura 2.6 - Acceso al Módulo Assembly Design 14 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Con este módulo ensamblamos las diferentes piezas diseñadas de manera individual, Part, hasta obtener el modelo final completo, Product, resultado de la unión de todos los Part creados. Para que la pieza se considere una sola se deben eliminar los grados de libertad en el movimiento de las piezas que se van añadiendo. Para ello, fijaremos la pieza central mediante Fix y con el resto de piezas iremos utilizado diferentes herramientas que nos permiten limitar su movimiento: Coincidence Constraint, Contact Constraint, y Offset Constraint, principalmente. Figura 2.7 – Herramientas del Módulo Assembly Design 2.2.4 Módulo Digital Mockup Kinematics Figura 2.8 – Acceso al Módulo Digital Mockup Kinematics Este módulo se emplea para recrear el ascenso del AS utilizando el DS como plataforma de lanzamiento. Para ello, una vez realizado el ensamblaje final, se creará un mecanismo con las piezas creadas y se simulará su movimiento. Las herramientas más destacadas dentro de este módulo son Fixed Part que emplearemos para fijar el DS, el desplegable dentro de Revolute Joint, que nos permitirá elegir el tipo de movimiento, en este caso será Prismatic Joint y finalmente, la herramienta Simulation, donde podremos no solo simular el movimiento sino también elegir los parámetros y la velocidad de nuestra simulación. Figura 2.9 – Herramientas del Módulo Digital Mockup Kinematics 15 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 3 DISEÑO DEL MÓDULO LUNAR n este capítulo, se ofrece una descripción detallada del modelado de cada etapa que compone al LM, así como una descripción de la función de los componentes, equipos y sistemas más relevantes. Para ello, se han seguido los planos reunidos en los anexos, los cuales nos han permitido modelar el LM con dimensiones fieles a la realidad y con un alto nivel de detalle. 3.1 Preámbulo El LM, como ya se ha comentado, permitía a los astronautas descender desde la órbita lunar hasta la superficie de la Luna, proporcionando una base desde la cual podían explorar el lugar de aterrizaje, y permitiéndoles luego regresar a la órbita para encontrarse con el CSM. El LM constaba de una etapa de ascenso, el AS, y una etapa de descenso, el DS, que funcionaban como una sola unidad durante la separación del CSM, el descenso y la estancia lunar. Sin embargo, una vez llegado el momento del despegue en la Luna, el DS servía como plataforma de lanzamiento para el AS, que operaraba a partir de entonces de forma independiente durante el ascenso lunar y el encuentro con el CSM. Para entender mejor las características de este vehículo, se adjunta una figura que recoge los datos más relevantes en cuanto a peso, dimensiones y otros datos técnicos. Figura 3.1 – Datos técnicos del LM E 16 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Por último, se ofrece a continuación una imagen donde se muestran aquellos componentes más destacados dentro del LM, los cuales se diseñarán en las secciones siguientes. [9] Figura 3.2 - Esquema del LM 3.2 Módulo de Ascenso Figura 3.3 – AS en su viaje de regreso a la órbita lunar 17 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 El AS contenía la cabina de tripulación con los paneles de instrumentos y los controles de vuelo. Disponía de su propio motor, un sistema de propulsión ascendente (APS) con dos tanques propulsores hipergólicos para regresar a la órbita lunar y encontrarse con el CSM, así como con un sistema de control de reacción (RCS) para el control de actitud y traslación que constaba de dieciséis propulsores hipergólicos similares a los utilizados en el SM. En cuanto a los puntos de acceso, disponía de una escotilla delantera EVA que proporcionaba acceso a la superficie lunar, y de una escotilla superior y un puerto de acoplamiento que proporcionaban acceso hacia el CM. En cuanto al equipo interno, entre los componentes más importantes incluía un sistema de soporte vital y control ambiental (ECLSS), que permitía la habitabilidad de la cabina; un sistema de comunicaciones VHF con dos antenas para la comunicación con el CM; un sistema de banda S unificado y una antena parabólica orientable para la comunicación con la Tierra; una antena EVA, con la forma de una especie de sombrilla en miniatura, que transmitía las comunicaciones de las antenas de los sistemas portátiles de soporte vital de los astronautas a través del LM; un sistema de navegación y guía primarios (PGNCS) y uno de respaldo (AGS), que permitían al LM y al CM mantener sus comunicaciones aun cuando se interrumpían con la Tierra; un telescopio óptico de alineación para determinar visualmente la orientación de la nave espacial y un radar de encuentro con su propia antena parabólica orientable, conocida como “rendezvous radar antenna”, para el acoplamiento con el CSM; y un sistema de control térmico activo. [4] Figura 3.4 – Componentes del AS Debido a la dificultad de esta etapa superior, el modelado del AS se ha realizado en tres secciones diferentes: la sección media, la sección trasera y la sección delantera. Así, una vez ensambladas éstas, la etapa superior quedará modelada, a falta de elementos secundarios pertenecientes a los sistemas de propulsión, navegación y comunicaciones, que se modelarán en la sección Detalles. 3.2.1 Sección media La sección media del AS contiene parte de la cabina de tripulación, los tanques de combustible principales, el APS y el puerto de acoplamiento hacia delante. Para su recreación se han seguido los planos del Anexo 1, donde se nos ofrecen diferentes vistas de la sección media, así como las cotas de los puntos clave para su diseño. 18 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.5 – Interior de la cabina de tripulación de la sección media La principal dificultad que se ha encontrado en su modelado, y como ocurrirá con el resto de secciones del AS, es la falta de simetría en la pieza, existiendo gran cantidad de superficies que no presentan propiedades geométricas de paralelismo o perpendicularidad puesto que, como ya se ha comentado, el LM fue diseñado para volar en el vacío y, por tanto, no necesitaba poseer características aerodinámicas. Por todo esto, se ha decidido trabajar con el Módulo Wireframe & Surface Design, donde ha sido necesaria la creación de diferentes planos en los que se han representado puntos y líneas auxiliares o geometrías 2D, mediante la herramienta Sketch, para así crear las diferentes caras que componen la sección media. Figura 3.6 – Estructura de la sección media Mediante las herramientas de Fill, Extrude, Extrapolate y Split se añade superficie a esas caras hasta conseguir una figura cerrada y entonces, mediante Join y la herramienta Close Surface, dentro del Módulo Part Design, conseguimos la pieza maciza. 19 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.7 – Superficies de la sección media Una vez llegados a este punto, faltaría añadir el motor APS, realizado con la herramienta Shaft, y el puerto de acoplamiento hacia delante, mediante las herramientas Pocket y Pad. Figura 3.8 – Motor APS y puerto de acoplamiento Así, llegamos al modelado final de la sección media. Figura 3.9 – Modelado final de la sección media, vista 1 20 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.10 - Modelado final de la sección media, vista 2 Cabe mencionar que, en el Anexo 2, se adjuntan los planos originales facilitados por Nortrop Grumman History Center de la parte de la cabina de tripulación perteneciente a la sección media del LM. 3.2.2 Sección trasera La sección trasera del AS contiene los tanques de helio, suministros de oxígeno, sistemas de comunicación y baterías, así como dos de los cuatro quads RCS que, al estar también presentes también en la sección delantera del AS, se modelarán en la sección Detalles como una pieza independiente para su posterior ensamblaje en el modelo final. Para la recreación de la sección trasera se han seguido los planos del Anexo 3, presentando esta sección menor dificultad de modelado al presentar la pieza simetría. El procedimiento seguido ha sido similar al de la sección media donde, una vez obtenida la pieza maciza, solo se tuvo que añadir una rejilla inferior con la herramienta Pocket, la cual resultó bastante tediosa de recrear debido a su reducido tamaño. Figura 3.11 – Desarrollo de la sección trasera Así, llegamos al modelado final de la sección trasera. 21 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.12 – Modelado final de la sección trasera 3.2.3 Sección delantera La sección delantera del AS contiene la mayor parte de la cabina de tripulación, así como los paneles de instrumentos y los controles de vuelo. Figura 3.13 – Interior de la cabina de tripulación de la sección delantera Para su modelado se han seguido los planos del Anexo 4 y un procedimiento similar al de las secciones pasadas, sin embargo, la complejidad de esta pieza ha sido mucho mayor. La principal dificultad encontrada es la forma cilíndrica de la pieza, así como la falta de información en ciertas cotas importantes, lo que obligó a recurrir a la proporcionalidad. Esto, ocasionó problemas de conexión y puntos abiertos en nuestra superficie cerrada que, tras un laborioso proceso de corrección mediante las herramientas Extrapolate y Split, se solucionó. 28 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.26 – Modelado final del sistema VHF 3.2.4.6 Docking target Este elemento, ubicado en la cara lateral de la sección media, cerca de la ventana superior, servía de ayuda para el piloto en el acoplamiento del CSM con el LM. Se trata del elemento más sencillo de realizar hasta el momento. [10] Figura 3.27 – Docking target Figura 3.28 – Modelado final del docking target 29 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 3.3 Módulo de descenso Figura 3.29 – Perspectiva del DS El DS es la parte no tripulada del LM, de forma octogonal y sostenido por cuatro patas plegables de tren de aterrizaje, proporcionaba los medios para aterrizar en la luna, transportar suministros adicionales y, además, servía como plataforma de lanzamiento para el AS. Como ya se comentó, el DS disponía de su propio motor, un sistema de propulsión descendente (DPS) regulable con cuatro tanques propulsores hipergólicos. En cuanto a los puntos de acceso, estaba equipado con una plataforma colocada frente a la escotilla EVA del AS y con una escalerilla que permitía a los astronautas ascender y descender desde la cabina a la superficie lunar. Casi todas las superficies externas, excepto la parte superior, la plataforma, la escalera, el motor de descenso y el escudo térmico, estaban cubiertas con mantas de aluminio Kapton aluminizadas de color ámbar, ámbar oscuro (rojizo), negro, plateado y amarillo para aislamiento térmico. En relación a los equipos, disponía de una antena de radar Doppler de onda continua colocada en la superficie inferior para enviar datos de altitud y velocidad de descenso al sistema de guía y a la pantalla del piloto durante el aterrizaje. También, se incorporó en la almohadilla de cada pata del aterrizaje un sensor de contacto de superficie de 1,7m de largo que indicaba al comandante cuando apagar el motor de descenso. Estas sondas tendían a romperse, por ello se eliminó la de la pata donde estaba instalada la escalera de acceso para evitar un posible pinchazo en el traje de los astronautas 2 . Por otro lado, el equipo para la exploración lunar se llevó en un cajón montado en un panel con bisagras que salía del compartimento delantero izquierdo (MESA). Además de las herramientas de excavación de superficie y de las cajas de recolección de muestras, el MESA contenía una cámara de televisión con un trípode: cuando el comandante abrió el MESA tirando de un cordón mientras bajaba la escalera, la cámara se activó automáticamente para enviar a la Tierra las primeras imágenes de los astronautas en la superficie lunar. También se incluyó una bandera de los Estados Unidos para que los astronautas la erigieran en la Luna. En cuanto al estudio de la superficie y la recolección de muestras, en el compartimento opuesto al MESA se llevó un paquete de experimentos de superficie temprano (EASEP), que en misiones Apolo posteriores, incluiría equipos más completos (ALSEP) al no existir las limitaciones de tiempo del Apolo 11. [4] 2 Los sensores de contacto de superficie de las almohadillas no se recrean en este trabajo al tratarse de un elemento temporal 30 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.30 – Componentes del DS Para su modelado, se realizará por un lado la estructura central con sus diferentes compartimentos, por otro lado, una estructura que servía de protección para el DS y, por último, las patas del tren de aterrizaje. Así, una vez ensambladas, la etapa inferior quedará modelada, a falta de la escalera y la plataforma de acceso que se modelarán en la sección Detalles. 3.3.1 Estructura central La estructura central, de forma octogonal, consta de dos pares de vigas paralelas dispuestas en forma cruciforme, creando así 5 compartimentos principales: en su compartimento central albergaba el motor DPS, en el delantero y trasero los tanques oxidantes, y en los dos compartimentos laterales los tanques de fuel. En el resto de compartimentos de la estructura, conocidos como cuadrantes 3 , se albergaban componentes de los distintos subsistemas del LM, destacando: una antena de banda S de alta ganancia en el cuadrante 1, sin embargo, dado que la exploración lunar fue bastante corta no se desplegó; el EASEP en el cuadrante 2; el cuadrante 3 albergaba tanques de helio y oxígeno; el cuadrante 4 tanques de agua y oxígeno, así como el MESA. [9] Figura 3.31 – Estructura del DS 3 Los cuadrantes se designan del 1 al 4, comenzando a la izquierda del compartimento delantero y continuando en sentido antihorario (visto desde arriba) alrededor del compartimento central. 31 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 La recreación, siguiendo los planos del Anexo 6, se comenzó realizando las caras laterales y la pared superior del octógono mediante las herrramientas de Extrude y Fill; seguidamente, mediante Multi-Sections Surface, se completó la superficie inferior, donde irá insertado el motor DPS creado mediante Revolve. Figura 3.32 – Superficies de la estructura central Una vez realizada la estructura, se han añadido los principales detalles pertenecientes a los cuadrantes, utilizando las herramientas de Extrude, Split y Fill, principalmente. Figura 3.33 – Compartimentos de la estructura central Por otro lado, se han agregado unos soportes de apoyo para el AS en la cara superior, unas pequeñas estructuras en la cara inferior que servían para mantener el tren de aterrizaje plegado durante los momentos en que la misión lo requería, así como tubos de ventilación de helio y drenajes de propelente en las superficies laterales. 32 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.34 – Detalles de la estructura central Finalmente, se añaden dos cuerpos extra para poder añadir en el ensamblado final las imágenes de la bandera y el nombre de Estados Unidos. Así, llegamos al modelado final de la estructura central del DS. Figura 3.35 – Modelado final de la estructura central, vista 1 Figura 3.36 – Modelado final de la estructura central, vista 2 33 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 3.3.2 Estructura de protección Esta estructura servía al DS como protección de los quads RCS. Para su modelado, se siguen los planos facilitados en el Anexo 6 y se utilizan como superficies de referencia la cara superior y lateral de la estructura central ya recreada. La principal dificultad encontrada en esta estructura es la unión entre las barras y el protector debido a la falta de informacion en las cotas y en la forma del punto de unión. Mediante las herramientas de Extrude y Split se recrea por un lado la estructura superior y, por otro lado, la inferior, modelando finalmente el protector que une ambas partes con un Multi-Sections Surface, superficie a la cual se le dará espesor con la herramienta Thick Surface una vez trabajemos en el Módulo Part Design. Figura 3.37 – Superficies de la estructura de protección Así, llegamos al modelado final de la estructura de protección. Figura 3.38 – Modelado final de la estructura de protección 34 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 3.3.3 Tren aterrizaje El tren para el alunizaje era uno de los puntos clave dentro del diseño del LM puesto que, como ya se ha comentado, durante parte de la misión el LM debía ir con las patas plegadas, por lo que el tren debía incluir un complejo sistema que permitiese tal movimiento. En esta sección, siguiendo los planos del Anexo 6, se ha recreado la estructura del tren de aterrizaje del LM, así como una aproximación de los sistemas que permitían el movimiento de plegado, representándolos mediante rótulas y otros elementos de unión. Esto último ha resultado de gran dificultad debido a la falta de cotas importantes principalmente en los puntos de unión de las barras. Figura 3.39 – Esquema del tren de aterrizaje Debido a lo complejo de la pieza se trabaja en el Módulo Wireframe & Surface Design, usando principalemte las herramientas de Extrude, Multi-Section Surface, Fill, Sphere y Split. El modelado se inicia recreando la barra principal y la almohadilla, uniendo ambas mediante una rótula que permitía al LM adaptarse al desconocido terreno. Figura 3.40 – Estructura central del tren de aterrizaje 35 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Una vez realizado esto, se pasa a modelar su unión con la estructura central del LM, intentando reflejar la posibilidad de giro de la barra principal. Para esta parte se usan superficies de referencia que recrean la estructura central ya diseñada en secciones anteriores. Figura 3.41 – Estructura superior del tren de aterrizaje El paso siguiente fue representar la estructura inferior, la cual permitía el plegado del tren. Las uniones de las barras se aproximaron mediante rótulas y formas que simulaban el sistema de plegado. Figura 3.42 – Estructura inferior del tren de aterrizaje Finalmente, se añaden a las barras superiores unos protectores que servían para proteger al tren de aterrizaje del sistema RCS del AS, a los que se les dará espesor mediante Thick Surface. También, se realiza un redondeo del punto de unión superior, ya que, debido a su proximidad con la escalera y plataforma de acceso, no podía tener ningun saliente que pusiera en peligro el traje espacial. 36 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.43 – Protectores del tren de aterrizaje Así, llegamos al modelado final del tren de aterrizaje. Figura 3.44 – Modelado final del tren de aterrizaje 3.3.4 Detalles En esta sección se modelan la escalera y plataforma de acceso instaladas en la pata delantera del tren de aterrizaje. Para su modelado se han seguido los planos del Anexo 6, donde la principal dificultad encontrada es la falta de información en las cotas de los elementos, mostrándose sólo las de los puntos de unión clave, y teniendo que usar por ello proporcionalidad, intentando crear diseños lo más parecidos posibles a la realidad. [10] 37 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 3.45 – Aldrin utilizando la plataforma de acceso 3.3.4.1 Escalera En el caso de la escalera se comienzan diseñando las barras centrales, mediante las herramientas de Extrude y Multi-Section Surface en el Módulo Wireframe & Surface Design. Tras esto, se recrea la estructura que las sujeta mediante Extrude, Fill y Split. Finalmente, una vez en el Módulo Part Design, se añade el detalle de un compartimento izquierdo con la herramienta Pad. Cabe destacar el uso de simetrías en las barras y la estructura para facilitar el trabajo a realizar. Figura 3.46 – Modelado final de la escalera 3.3.4.2 Plataforma de acceso Para la plataforma de acceso se trabaja directamente en el Módulo Part Design debido a la sencillez de la pieza. Se recrea utilizando las herramientas de Pad y Pocket para la plataforma, y Rib para las barandillas. 44 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 4.10 - Ensamblado del modelo completo, vista general 2 Figura 4.11 – Ensamblado del modelo completo, vistas 45 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 4.12 - Ensamblado del modelo completo, detalles Cabe mencionar que para conseguir la correcta posición entre los quads RCS de la sección delantera y la estructura de protección del DS fue necesaria la modificación de las estructuras que soportan al sistema RCS en esa sección, las cuales se habían diseñado sin información en los planos. 46 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 47 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 5 MODELO COMPLETO DEL MÓDULO LUNAR n este apartado se añade color al ensamblado final del LM para dar mayor realismo a nuestro modelado, llegando así a completar el objetivo de este trabajo. Además de esto, también se recrean imágenes del modelo en un entorno lunar, así como una simulación del ascenso del AS utilizando el DS como plataforma de despegue. 5.1 Modelo a color Para dar color a nuestra recreación, debemos añadir a cada cara individualmente el tono deseado modificando las propiedades de la misma. Además de esto, se añade transparencia a las ventanas, consiguiendo así un alto nivel de realismo. Figura 5.1 – Modelo completo a color, vista general 1 E 48 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 5.2 – Modelo completo a color, vista general 2 Figura 5.3 - Modelo completo a color, vistas 49 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 5.4 - Modelo completo a color, detalle 5.2 Simulación 5.2.1 Entorno lunar En esta sección, mediante la herramienta Photo Studio Easy Tools de CATIA, se recrean diferentes escenarios en los que el LM fue protagonista en el entonces desconocido entorno lunar. Para ello, preparamos el escenario trabajando con el fondo, la posición del LM y la luz. Una vez conseguido, esta herramienta nos permite dar un aspecto más realista a nuestro diseño y guardar la imagen. Figura 5.5 – Recreación del LM en la superficie lunar, vista 1 50 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 5.6 - Recreación del LM en la superficie lunar, vista 2 Figura 5.7 – Recreación del LM en la superficie lunar, vista 3 51 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Figura 5.8 – Recreación del AS en su viaje de vuelta a la órbita lunar 5.2.2 Ascenso del AS En esta sección, pasamos a trabajar en el Módulo Digital Mockup kinematics, el cual nos permite recrear el despegue del AS, utilizando el DS como plataforma de lanzamiento, en su vuelta al encuentro con el CSM en la órbita lunar. Para ello, comenzamos creando un nuevo mecanismo y fijando la etapa inferior, el DS, mediante la herramienta Fixed Part. Posterioremente, añadimos el movimiento de traslación mediante la herramienta Prismatic Joint, donde elegimos el eje y los planos de nuestro movimiento. Así, ya podemos crear mendiante Simulation una simulación de nuestro mecanismo, la cual estará restringida por la posición inicial, es decir, la situación 0 de reposo, y la posición más elevada, que en este caso se elige 600 para que represente bien el despegue del AS. Figura 5.9 – Simulación del ascenso del AS 52 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 Finalmente, una vez realizada nuestra simulación, pasamos a trabajar nuevamente con la herramienta Photo Studio Easy Tools, con la que volvemos a realizar una recreación realista de esta simulación. Figura 5.10 – Recreación del ascenso del AS, tiempo 1 Figura 5.11 – Recreación del ascenso del AS, tiempo 2 53 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 6 CONCLUSIONES l objetivo de este trabajo era modelar y ensamblar las diferentes etapas que componen al Módulo Lunar de la manera más realista posible, ciñéndose a los planos de los que se disponía mediante uno de los programas de modelado más potentes y usados en la actualidad, CATIA. Este objetivo se ha conseguido, a pesar de la falta de información en los elementos pertenecientes a los sistemas de comunicación y navegación, teniendo que recurrir a la proporcionalidad en la mayoría de los casos, y, al hecho de haber modelado solo aquellos de mayor importancia dentro de la misión Apolo 11. Sin embargo, este trabajo puede servir como punto de partida para ampliaciones futuras del diseño y modelado de los equipos de los que disponía el Módulo Lunar. Este trabajo refleja no solo el diseño único del Módulo Lunar como resultado del trabajo y el compromiso de miles de personas, sino también el reto que supuso en la época una misión de esta envergadura. Este invento marcó un hito en la ingeniería, pero también en el camino del diseño espacial, pudiendo ver aun su influencia en nuestros días, como en la misión Artemisa, programa de la NASA que pretende llevar al ser humano de nuevo a la Luna para 2024. Gracias al entendimiento de la misión, llegamos a comprender en mayor profundidad el por qué de cada una de las etapas, no solo centrándonos en su diseño y desarrollo dentro de CATIA, sino también en la función que desarrollaban y en la descripción de sus componentes principales. Así, conforme se avanza en el trabajo vamos desengranando sus partes y empapándonos de la historia espacial que ha marcado a la humanidad. Además, gracias a este trabajo se consigue profundizar en el conocimiento y manejo de CATIA, sobre el que se ha dado una introducción en el grado, adquiriéndose mayor destreza tras aplicarlo a un proyecto de mayor magnitud, no solo quedándonos en la parte de diseño, sino intentando obtener ese nivel de realismo que habíamos propuesto y simulando una de las fases más críticas dentro de la misión, logrando así entender de nuevo lo excepcional de este vehículo. E 60 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 61 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 ANEXO 2 62 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 63 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 ANEXO 3 64 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 65 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 ANEXO 4 66 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 67 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 ANEXO 5 68 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5 ANEXO 6 69 Modelado y Recreación Virtual del Módulo Lunar en CATIA V5