Congreso Argentino de Tecnología Espacial/2000

PRIMEROS EXPERIMENTOS ARGENTINOS EN MICROGRAVEDAD Jorge Lässig, Gustavo Monte Universidad Nacional del Comahue Neuquén; Argentina E-mail: [email protected] and Pablo de León Asociación Argentina de Tecnología Espacial Buenos Aires, Argentina

calor se aplicó a una de las paredes rígidas y conductora de calor. 3.- Se realizó un tercer experimento relacionado con el ángulo de contacto en tubos no circulares. Afortunadamente los resultados de los experimentos fueron los siguiente: a) El aparato generador de gotas funcionó correctamente, lográndose obtener repetitivamente 4 gotas con diámetros entre 15 y 20 mm. b) Se generó un flujo dentro del fluido, debido al pulso de calor, dicho movimiento fue inducido por la dilatación del líquido en las cercanías de la pared calentada. c) El tercer experimento sobre ángulos de contacto en tubos poligonales, mostró el efecto de la geometría sobre dicha propiedad física.

RESUMEN En Agosto de 1997, se realizaron los primeros experimentos argentinos en microgravedad, ellos fueron ejecutados a bordo de la aeronave Boeing KC-135 de la NASA, perteneciente al Johnson Space Center, en Ellington Field, Houston, Estados Unidos. Los vuelos se programaron durante dos días consecutivos, en los cuales se realizaron 40 parábolas cada día. En dicha oportunidad se ensayaron equipos para realizar experimentos en Ciencia de los Fluidos: 1.- Fue ensayado un aparato para generar gotas de agua gigantes, el cual debía mantener adherida a cada gota en un disco soporte, en donde se deberán realizar mediciones de vibración en la superficie de dichas gotas de agua, las cuales son activadas por la tensión superficial. 2.- También se ensayó un módulo para realizar experimentos sobre Convección de Líquidos en contenedores cerrados en ausencia de gravedad. Intentando simular flujos en cuerpos esféricos. El estudio se concentró en generar un movimiento dentro del líquido, cuando un pulso de

1.- INTRODUCCION La infraestructura terrestre que disponemos en nuestro país son: una Torre de Caída Libre de 1,5 segundos de microgravedad, y dos pequeños Tanques de Flotación Neutral [1]. Esta instrumentación ayudó a diseñar nuestros experimentos que volarán en la misión GAS Canister G-761 a bordo

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Los derechos de publicación son de la Asociación Argentina de Tecnología Espacial y de los Autores. 1

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del Space Shuttle STS-102 durante el 2001, pero quedamos mas satisfechos luego de que los aparatos fueron ensayados en la campaña de vuelos parabólicos del KC-135 de NASA el 5 y 6 de Agosto de 1997, verificándose parte de las hipótesis de trabajo que nosotros habíamos adoptado. La aeronave que posee NASA en Ellington Field, Houston afectada a los vuelos parabólicos para entrenamiento de su Cuerpo de Astronautas, y ensayos de equipos que volarán en misiones espaciales, es un Boeing KC-135 reforzado estructuralmente y potenciados sus motores. Las campañas consisten en realizar durante 2 á 4 días a la semana, unas 40 parábolas cada días, estas se realizan en dos conjuntos de 20 parábolas cada una, permitiendo unos 10 minutos entre ellas para que los operadores de carga útil se re ubiquen, y tomen un pequeño respiro.

de otros dos tramos de unos 10 segundos cada uno de una gravedad equivalente a la de la Luna, tanto en el inicio de la maniobra, como en su finalización, la aeronave y toda su carga sufren aceleraciones de 1,8 G, la figura 8 muestra esquemáticamente dicha maniobra. 2.- GENERADOR DE GOTAS DE AGUA Uno de los aparatos ensayados fue un generador de gotas de agua. El objetivo de este aparato es realizar mediciones de cómo vibran las superficies de las gotas de agua debido a la tensión superficial en su interfase. Este fenómeno juega un rol importante en las pequeñas gotas, como los spray, la inyección de combustible, las gotitas de nubes, etc., en procesos como los de coalescencia, evaporación y cristalización. El aparato tiene la función de formar gotas de agua en el rango de 15 á 20 mm adheridas a un pequeño disco a la salida del inyector, para que un sensor óptico se le acerque y mida la frecuencia de vibración de su superficie. Es muy importante establecer el rango de velocidades para la cual el líquido inyectado deberá adherirse al disco durante el desarrollo del experimento. Si la velocidad del chorro es muy intensa, su inercia será mas grande que las fuerzas por la tensión superficial originada en el perímetro de la salida del inyector, y no de adherirá. Una primer aproximación teórica, es asumir que a la salida del inyector, las fuerzas por cantidad de movimiento son iguales o menores a las fuerzas por tensión superficial en dicho perímetro, así:

Foto 1: El Ing. Pablo de León trabajando sobre los experimentos de la Universidad Nacional del Comahue, en ausencia de gravedad durante el vuelo parabólico

La maniobra básica consiste en: ascender desde unos 8.000 m de altura hasta unos 11.000 m y dejarse caer desde allí hasta los 8.000 m, esto logra unos 20 segundos de microgravedad con un nivel de 0,01 G,

σ .φ .π ≥ V.ρ .V.π .φ 2 /4

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(1 )

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La existencia de tres diferentes zonas se puede observar en dichas figuras: i) para números de Reynolds más pequeños que 100 y números de Weber menores á 0,068, el líquido inyectado se adhiere al disco; ii) para números de Reynolds mayores que 273 y números de Weber mayores que 0,5, el fluido inyectado se separa del inyector formando pequeñas gotas dentro del fluido madre; iii) la tercer región es transición.

Usando agua, y con el diámetro en milímetros obtenemos:

V ≤ 0.5366.φ -0.5

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La figura 1 muestra la ecuación 2. La zona debajo de la curva es estable, es decir es la región donde la gota se adhiere al inyector. Resultados experimentales indican que esto no se cumple.

Figura 1: curva teórica de líquidos adheridos al inyector como resultado de un equilibrio entre las fuerzas de inercia y de tensión superficial.

Figura 3: Resultados Experimentales.

3.- ENSAYOS DEL GENERADOR DE GOTAS EN LOS VUELOS PARABOLICOS Luego de los resultados obtenidos en el tanque de flotación neutral, los parámetros de diseño para construir nuestro generador de gota que volará en el GAS Canister G-761, obviamente cayeron en la zona de adhesión: número de Reynolds menor á 100 y número de Weber menor á 0,068. Luego que el mencionado aparato fue construido, obtuvimos desde la Reduced Gravity Office del Johnson Space Center un lugar en la aeronave KC-135 para probar nuestros equipos en un ambiente real de micro gravedad, antes de que los aparatos volaran en el Space Shuttle.

Figura 2: Resultados experimentales

Diseñamos y realizamos una serie de ensayos en un tanque de Flotación Neutral [2], cuyos resultados pueden ser sintetizados en los gráficos de las figuras 2 y 3.

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similar á 8043 (izquierda) y 10542 (derecha), cuando el número de Ra crece, el patrón de flujo se desplaza hacia arriba de uno de los hemisferios, esto se puede interpretar como que la gravedad comienza ha tener su efecto y las fuerzas de convección natural aparecen. A bajos números de Ra (microgravedad) los patrones de flujo son simétricos. Nuestros experimentos consistieron básicamente de dos rodajas de esferas hechas en material de Teflon, una externa y hueca, que contenía a otra más pequeña y sólida en su interior, ambas en su parte superior tenían una tapa de acrílico transparente, el espacio entre ambas esferas fue llenado con agua. La visualización del movimiento del líquido fue realizado por medio de pequeñas esferas de vidrio coloreado.

Foto 2: el aparato generando una gota durante el vuelo parabólico.

El Ing. Pablo de León de A.A.T.E., fue quien operó los equipos a bordo del KC-135. Se puede observar en la foto 2 que la gota adherida al inyector fue producida satisfactoriamente, y repetida en 4 oportunidades. 4.- FLUJOS DE FLUIDOS EN UN RECIPIENTE CERRADO, DEBIDO A UN PULSO DE CALOR EN SU PARED El objetivo de este experimento fue verificar si es realmente posible obtener un movimiento en un fluido confinado en una esfera de paredes rígidas, expuesto a un ambiente de microgravedad, cuando estas son calentadas, cuando la principal fuerza impulsora está ausente: la gravedad, pues no hay convección natural, los movimientos se originarían por la dilatación del fluido. En la figura 4 se puede observar dos patrones teóricos de movimientos (para una esfera hueca, completamente llena con fluido) de acuerdo a Myshkis [3], para números de Rayleight (Ra)

Figura 4: extraído de la referencia 3, las líneas de corriente son las curvas continuas, las isotermas son las curvas a rayas.

Fue necesario adaptar este experimento a las condiciones características del vuelo del KC-135: al comenzar la maniobra parabólica alcanza los 1,8 G, durante la parte superior de la misma se reduce á 0,01 G, y al salir de ella vuelve a elevarse á 1,8 G. Por ello, el material metálico, conductor del calor, fue ubicado en el 4

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interior inferior cóncavo de la rodaja, para que en el momento de los excesos de aceleración (1,8 G) en el avión, las esferas trazadoras fueran empujadas ha volver a la parte cóncava del contenedor. Cuando la aeronave entraba en microgravedad, se daba una orden por medio de una computadora (Toshiba 1000) y esta ejecutaba el programa SPACE, que hacía circular una corriente eléctrica a través de una resistencia, que calentaba la cinta metálica pegada al interior inferior cóncavo de la rodaja de la semiesfera como fue mencionado anteriormente; a los 20 segundos cesaba el suministro de corriente eléctrica.

5.- RESULTADOS DESDE LOS VUELOS PARABOLICOS DEL FLUJO POR EL PULSO DE CALOR En las fotos 3A y 3B, se puede observar el desplazamiento de algunas pequeñas esferas, debido a la dilatación del líquido cuando era atravesado en su cara interior inferior de la rodaja de esfera, un pulso de calor. Por lo que podemos decir que el experimento demostró que es posible producir movimientos dentro de un fluido

confinado en un recipiente, cuando al mismo se lo somete a un transitorio de calor, en un medio ambiente de microgravedad. Figura 5: esquema del experimento ejecutado en el KC-135, que tenía como objetivo determinar si se formaba un flujo en el fluido dentro de un recipiente cerrado cuando una de sus paredes era sometida a un pulso de calor.

Los cálculos teóricos indican que la velocidad del pulso de calor en la cinta metálica fue de 1 mm/seg. con una intensidad de corriente de 100 mili Ampere. La temperatura ambiente de los experimentos fue á 20°C. La potencia eléctrica consumida por la resistencia fue de 1 Watt.

Foto 3A: posición inferior de la esfera oscura dentro del líquido, antes de aplicar el pulso de calor, en micro gravedad. Foto 3B: movimiento de esferas oscuras 15 segundos después de aplicado el pulso de calor en el hemisferio sur de la rodaja de esfera, en un ambiente de micro gravedad.

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donde θ es el ángulo de contacto y α es la mitad del ángulo entre los dos planos consecutivos del poliedro. El comportamiento de líquidos en diferentes contenedores fue estudiado por Langbein, Grobbach y Heide en 1990 [6] en vuelos parabólicos. Aquellas investigaciones se basaron en previos modelos matemáticos. En un ambiente de micro gravedad es importante conocer el nivel de las G actuando, durante la ejecución de los experimentos. En vista de esta acepción, desarrollamos un experimento a realizar durante los vuelos parabólicos, para evaluar el efecto de la geometría en los tubos no circulares. Estas pruebas fueron conducidas en un único recipiente en donde se ensamblaron distintas geometría de tubos (triangular, cuadrado, hexagonal, y uno circular como testigo). Los fluidos debían de ascender por cada uno de ellos de acuerdo al balance de fuerzas motivadas por la tensión superficial y el residual de micro gravedad existente. La figura 7 muestra el esquema conceptual del experimento. Por esta vía es posible construir un simple acelerómetro para medir las aceleraciones G por medio de tubos. La experiencia consistió de 3 tubos con diferentes geometría (cuadrada, triangular y hexagonal) conectados a un mismo contenedor, el fluido usado fue agua, y el material de los tubos fue Plexiglas (en el triángulo y en el hexágono) y el cuadrado fue recubierto con vidrio para variar el ángulo de contacto con el agua. Es posible observar que: el tubo central (geometría triangular) la condición es:

Figura 6: movimiento realizado por la esfera al ser aplicado un pulso de calor en su superficie interior inferior.

En la figura 5 se ha dibujado el esquema del aparato que se utilizó para el experimento en la sesión de vuelos parabólicos, y en la figura 6 se ha dibujado la trayectoria realizada por la esfera durante el transitorio del pulso de calor. 6.EXPERIMENTO SOBRE ANGULOS DE CONTACTO EN TUBOS NO CIRCULARES Durante el pasado siglo Young (1805) [4] estableció las leyes de capilaridad y con ello el concepto de si un fluido mojada o no a una superficie. En el caso de tubos capilares de sección cilíndrica, la altura que sube un fluido depende del diámetro del mismo. En la pasada década este concepto fue profundizado. En trabajos realizados por Concus (1987) [5], este determinó que no solamente el ángulo de contacto define la condición de avance de un fluido, sino que también depende de la forma geométrica del tubo. La condición para auto desplazamiento de un fluido dentro de un tubo es:

θ + α = 83º ≤ π/2

θ + α ≤ π/2 (3) 6

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Para el tubo de la derecha (geometría hexagonal),

7.- CONCLUSIONES Tres aspectos merecen ser mencionados: el trabajo especifico de aquellos experimentos, la colaboración internacional, y las pruebas realizadas en tierra antes de ir al espacio. En el primer caso la complejidad en alcanzar los propósitos de este proyecto, como en el caso de tratar de medir las vibraciones debido a la tensión superficial en las gotas, que requiere de un tratamiento y procesamiento especial. Esta es la razón por la cual el sistema presentado fue estructurado de manera que sea versátil, flexible y principalmente eficiente, en base a las limitaciones de volumen, peso y agresividad del medio ambiente de trabajo. Diseñamos estrategias tratando de seguir por completo los requerimientos y normas de NASA. En adición a esto, se ha adquirido una invalorable y necesaria experiencia para ejecutar futuros experimentos automáticos en el medio ambiente espacial. La fórmula de Concus (3) es valida, y podría aplicarse para lograr desplazar líquidos a través de tubos de geometría variable, en microgravedad, sin necesidad de bombas o presiones. En el segundo aspecto, la colaboración internacional se manifestó a través tanto de los trabajos publicados por otros investigadores, como el utilizar la infraestructura instrumental de otros países. Finalmente, la importancia de realizar ensayos en etapas previas, antes de ir al espacio como son: las simulaciones en tanques de flotación neutral, los experimentos en torres de caída libre, y las pruebas en aeronaves que realizan maniobras parabólicas.

θ + α = 113º siendo mayor que π/2, y el tubo de la izquierda (geometría cuadrada) tiene: θ + α = 64º ≤ π/2 Angulo de Contacto θ vidrio/agua = 20º Angulo Contacto θ Plexiglas/agua = 53º Medio áng. del diedro α cuadrado = 45º Medio áng. del diedro α triangular = 30º Medio áng. del diedro α hexagonal = 60º El equilibrio en la línea A-B de la figura 7 es: F1 - W1 - F2 + W2 = 0 (4)

Figura 7: esquema de las fuerzas en juego, donde F son las fuerzas por tensión superficial, y W el peso de los volúmenes de los líquidos.

En función de los fluidos utilizados, los materiales de los tubos, y las mediciones de los desplazamientos, como en el caso de la foto 4, el nivel de microgravedad medido por este método fue de 0.01G

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[3] Myshkis,A. el all; “low-Gravity Fluid Mechanics”; Part III: Convection, pp.502; Ed. Spring-Verlag, Berlin, 1987.

AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue realizado por medio de un subsidio de la Secretaría de investigación de la Universidad Nacional del Comahue, la ayuda de empresas privadas como Epson Argentina S.A., y el trabajo adhonorem de los estudiantes de ingeniería Sres.: Juan Pablo González Ríos, Sebastián Celescinco, y Gustavo López.

[4] Young, T.; “Equilibrium Fluid Interfaces”; Trans. Royal Soc. London 95, 65; 1805. [5] Concus, P.; “Equilibrium Fluid Interfaces in the Absence of Gravity”; Dto. of Mathematics, University of California, Berkelet, California, USA, 1987. [6] Langbein,D., Grobbach,R. and Heide,R.; Parabolic Flight Experiments on Fluid Surfaces and Wetting; Journ Appl Micro Gravity Technology, Vol.II, Feb 1990, Hanser Publishers.

Foto 4: se puede observar el desequilibrio que ocurre cuando a uno de los tubos se lo construye de otro material que tiene un ángulo de contacto distinto, como también (para iguales materiales) el efecto de la geometría. Figura 8: maniobra parabólica del KC-135 para obtener microgravedad. La letra "g" indica el nivel de gravedad dentro de la aeronave

REFERENCES [1] Lassig, J. Et all; “Argentine Fluids Experiment in Microgravity”; 50th International Astronautical Congress, Oct/99, Amsterdam, The Netherlands. [2] Lassig, J. Et all; “A System for Generating and Analyzing Giant Water Drops”; 37th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit; Jan/99, Reno, USA.

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