Proyectos HARP y SHARP: pepinazos dignos de Julio Verne

Cuando Julio Verne publicaba en 1865 su famosa novela De la Tierra a la Luna, nos describía con todo lujo de detalles una serie de cuestiones de increíble complejidad: características del cañón, forma y tamaño del proyectil, clase y cantidad de pólvora, ubicación del sitio de lanzamiento, etc. Curiosamente Verne sitúa el lugar del lanzamiento muy cerca de lo que hoy en día es Cabo Cañaveral. Para el escritor francés Norteamérica ya despuntaba como potencia mundial y emplea para el lanzamiento un cañón Columbiad de Rodman modificado. Aunque el lanzamiento de la capsula pudiera parecer a día de hoy muy rudimentario, en realidad era técnicamente posible. Verne pensó en un cañón vertical bien asentado en tierra para soportar el retroceso del lanzamiento. El problema es que el pepinazo, además de oírse en un radio de muchos km, mataría a cualquier pasajero que intentara la aventura. Sin embargo, alcanzar el espacio exterior por medio de un cañonazo es en realidad lo que hicieron los investigadores del proyecto HARP (High Altitude Research Project). En la foto que abre el post se puede ver el disparo de este enorme cañón de calibre 410 mm.

Haciendo unos pocos números enseguida nos damos cuenta de la inviabilidad del proyecto de Verne para poner un hombre en órbita. En esencia, la aceleración mataría a cualquier ocupante debido a su gran magnitud en un pepinazo como el que nos propone el novelista francés. Calcular dicha aceleración es relativamente sencillo. Suponiendo que la aceleración del obús donde van los hipotéticos astronautas fuera constante, la velocidad final alcanzada en la bocacha del cañón sería:

Tomando la aceleración aproximadamente igual a 10 metros por segundo al cuadrado para simplificar la cosas y el tiempo en segundos, la distancia E se podría calcular fácilmente con la fórmula:

Despejando t en la primera:

Sustituyendo t en la segunda, tendríamos que la velocidad v es:

Ahora supongamos que la longitud del cañón E es de 1,5 km de largo y la velocidad final a la que sale el obús de la boca del cañón es la velocidad de escape de la Tierra, esto es 11,2 kilómetros por segundo, lo que equivale a 40.320 km/h; entonces:

Lo que, despejando, nos da una aceleración "a" de aproximadamente 35.840 metros por segundo al cuadrado o casi 3.600 g's. Ningún cuerpo humano sería capaz de alcanzar esas aceleraciones, pero si lo podrían hacer objetos inertes, como agua, combustible y quizá ciertos elementos electrónico, posiblemente incluso pequeños satélites espaciales debidamente acondicionados. 

El problema principal sin embargo no es este. El problema principal es el la carga explosiva. O si se quiere, el problema de la velocidad de las moléculas del gas dentro del ánima del cañón. Se trata de intentar tener la máxima energía posible dentro del cañón para impulsar el lanzamiento del obús. La velocidad de las moléculas de un gas se puede calcular a cualquier temperatura gracias a las leyes de la física. Comparando los diversos gases, nos podemos dar cuenta de que a cualquier temperatura dada, la energía (1/2) mv^2 de sus moléculas (no su velocidad!), es siempre la misma. Por lo tanto, a una temperatura dada, lo que importa es que las moléculas del gas sean lo más pequeñas posibles, porque cuanto más pequeña sea la masa m de las moléculas del gas, más rápido se moverán.   

Las moléculas producidas por las pólvoras militares sin humo que se usan en artillería son muchísimo más masivas de lo deseado, por lo tanto son moléculas lentas y no recomendables para lanzar nada al espacio. Hay que buscar algo lo más ligero posible, es decir, la molécula que a una temperatura dada tiene la mayor velocidad. Esta partícula es bien conocida. Se trata del hidrógeno. Desafortunadamente no existen explosivos prácticos que puedan generar moléculas de gas de hidrógeno. La solución técnica es la de usar un cañón con dos tubos conectados. Un tubo auxiliar y uno principal, que será el encargado de lanzar la carga al espacio (ver diagrama debajo).

Los dos tubos son perpendiculares y están separados por una partición, la cual se destruye cuando la presión interior es muy alta. En vez de munición, el tubo auxiliar lleva un pistón en su interior y entre el pistón y la partición el volumen se rellena con hidrógeno comprimido. Cuando la carga al otro lado del pistón se hace explosionar, el pistón se mueve rápidamente hacia la partición comprimiendo aún más el hidrógeno. La compresión hace que el hidrógeno se caliente. En un momento dado, la presión del hidrógeno caliente hará que rompa la partición. En ese momento la masa gaseosa fluye dentro del tubo principal de lanzamiento impulsando la carga en su interior. De esta forma la carga es propulsada no por los gases de la explosión sino por los gases del hidrógeno comprimido y caliente. Las moléculas de este gas si son los suficientemente veloces para propulsar nuestras cargas al espacio. Este es el principio de funcionamiento del cañón HARP y SHARP (la S en SHARP quiere decir Super-HARP, osea un HARP más bestia). A continuación se puede ver uno de estos cañones construido por Livermore National Laboratory.

Proyecto SHARP disparando una carga en el Livermore National Laboratory. El disparo pertenece a una serie de estudios para poner vehículos en órbita disparados a 9 veces la velocidad del sonido. La explosión que empuja al pistón es realizada por medio de una mezcla de aire y metano. La mezcla aire/metano se comprime 55 veces más que la presión atmosférica y se le aplica una chispa. El pistón pesa una tonelada y el tubo principal mide 47 metros. La llamarada en la bocacha del cañón es el resultado del hidrógeno quemándose en la atmósfera. 

Incluso con este impresionante cañón y su fenomenal forma de disparo, un proyectil no iría muy lejos en el espacio si este apuntara verticalmente, como lo hacía el de Julio Verne. Comos sabemos, un proyectil debe de alcanzar una velocidad de unas 24 veces la del sonido para poder establecerse en una órbita circular baja alrededor de la Tierra. Si quisiéramos que escapara a la gravedad terrestre entonces el disparo tendría que alcanzar las 34 veces. Además deberíamos de tener en cuenta el rozamiento de la atmósfera. El SR-71 y el X-15 ya experimentaron problemas con el rozamiento a velocidades superiores al Mach 3,5. Lanzar una carga con este método incluso con un gran cañón asentado en la montaña más alta que podamos imaginar, donde el aire es menos denso, aún tendría que ser provisto de un escudo térmico, con todos los problemas que ello supone. 

Además de todo esto, si tuviéramos resueltos todos los problemas, hay que tener en cuenta que un disparo de cañón solo no bastaría para poner la carga en órbita. La carga debería de estar equipada con algún cohete pequeño que ayudara al posicionamiento, de lo contrario la órbita tendería a estrellar la capsula contra la Tierra. Esto es debido a las leyes de Kepler. La primera de estas leyes dice que cualquier órbita es una elipse, con uno de los focos en el centro de la Tierra. Como se puede ver en  el diagrama, la carga acabaría estrellada en el punto B (simétrico al punto A) si no le imprimimos una aceleración lateral. Esto es precisamente lo que se suele hacer nada más lanzar un cohete al espacio. Mucha gente se sorprende al ver la estela del cohete curvada, tal como se puede ver en la foto de debajo, pero la realidad es que nada más salir,  los cohetes deben de curvar su trayectoria para no volver a impactar con la Tierra. Ver post dedicado a los cañones de mi abuelo en La Coruña.

Debajo se puede ver la curvatura del cohete Space X y como se recupera el lanzador en su base mientras su carga útil sigue una órbita inclinada.

Lanzar por medio de un cañón HARP sería técnicamente y económicamente posible para poder poner pequeñas cargas en órbita muy baja, de entre 50 y 130 km. Esto fue precisamente lo que demostró este proyecto en los años 60. Hoy en día también se están estudiando otras formas alternativas de lanzar cargas al espacio. Para ello se ha echado mano a las técnicas magnéticas, como las que se emplean en los famosos Rail-Gun o cañones de riel que pronto serán operacionales en la flota estadounidense.  

La historia del proyecto HARP y su continuación es digan de una novela de espionaje. Este proyecto comenzó en 1961 gracias a la insistencia Gerald Bull, un controvertido pero brillante ingeniero canadiense, que fue el que dirigió el proyecto. Después de la cancelación del proyecto HARP, Bull se dedicó en los 70 y 80 a perfeccionar otro tipo de cañones y consiguió vender su GC-45 a Sudáfrica e Iraq. Fue arrestado por ello y encarcelado en los Estados Unidos. Después de su liberación se fue a vivir a Bruselas. Bull volvió a contactar con Iraq y les propuso desarrollar un arma basándose en el famoso HARP. Un arma increíble con la que se podría lanzar misiles SCUD al espacio para impactar en la reentrada en objetivos sensibles y así derrotar a sus más fieros enemigos (Irán e Israel). Se le denominó en secreto como Project Babylon y fue algo que puso los pelos de punta a las autoridades de los países amenazados por Saddam Hussein. El asesinato de Bull en marzo de 1990 (presuntamente a manos del Mossad israelí o la agencia de inteligencia iraní VEVAK) en su apartamento de Bruselas y la Guerra del Golfo de 1991 pusieron fin al proyecto Babylon.

Con autorización del profesor Dr. Stern en phy6.org