Cohetes de combustible líquido y sólido

Aunque hay muchos tipos diferentes de cohetes, generalmente estos se suelen clasificar como sólidos o líquidos según sea su propelente. Las leyes físicas aplicables son las mismas para todos. En mayor o menor medida estas leyes físicas se combinan, pero son siempre las leyes de Newton.

Los cohetes  Producen empuje quemando propelentes y expulsando los productos (gases) de la combustión del motor. Los propulsores de los cohetes son simplemente una combinación de combustible y oxidante. El oxidante para propelentes sólidos es una sustancia química que contiene oxígeno. Por ejemplo, la pólvora, utilizada en los motores de algunos cohetes, que contiene nitrato de potasio (KNO3). El nitrato potásico proporciona el oxígeno necesario para que los otros productos químicos de la pólvora se quemen rápidamente. El oxidante para los cohetes líquidos suele ser oxígeno puro enfriado a 90 grados Kelvin (-183° C o -297.3° F) para que se condense en oxígeno líquido (LOX).

Los propulsores para los cohetes se mantienen en tanques o dentro de los contenedores. Esto es a la vez una ventaja y una desventaja. Debido a que los cohetes llevan sus propios propelentes (el oxígeno se encuentra a bordo y no necesita ser extraído), estos pueden funcionar en el espacio de forma autónoma. Ningún otro vehículo que conozcamos ahora puede hacer eso. Un motor a reacción no puede funcionar en el espacio porque necesita "respirar aire" para poder funcionar. Aunque los aviones reactores y los cohetes emplean la misma ley de acción y reacción de Newton, el avión necesita extraer aire de la atmósfera para quemar su combustible. 

Cohetes de propulsante sólido

Los primeros cohetes considerados como tales fueron las famosas "flechas de fuego" inventadas por los chinos. estos cohetes empleaban propelentes sólidos. Una especie de pólvora primitiva se empaquetaba en un cilindro cerrado en un extremo. En el otro extremo había una apertura. Cuando la pólvora se encendía, se quemaba muy rápido y creaba grandes cantidades de gas y otros productos de combustión que salían por la apertura posterior. Esta salida de gases producía empuje. El control de vuelo se lograba uniendo un palo largo al cohete para crear cierta resistencia mientras el cohete surcaba los aires. Ni que decir tienen que este sistema no era muy preciso, pero el cohete por lo general volaba en la dirección prevista.

Más de 1.000 años después, a pesar de todos los avances, los cohetes con propulsores sólidos no son realmente muy diferentes de aquellas flechas de fuego chinas. Los cohetes de empuje adicional (SRB o solid rocket boosters) para el transbordador espacial también eran tubos muy grandes cargados con propelentes sólidos que estaban cerrados en un extremo y tenían un orificio en el otro. Por supuesto, los SRB tenían muchas otras innovaciones sofisticadas, pero, en principio, no eran tan diferentes de aquellos cohetes ​​primitivos.

Los cohetes propulsores sólidos tienen un diseño muy sencillo. Consisten básicamente en un contenedor o tubo en el que se empaquetan los propelentes. Los primeros cohetes usaban contenedores hechos de papel, cuero y hierro. Los cohetes modernos usan un metal delgado y liviano como el aluminio. Hacer la carcasa de metal delgado reduce el peso total de la estructura y aumenta el rendimiento de vuelo. Sin embargo, el calor de los propulsores durante la combustión podría derretir fácilmente el metal. Para evitar esto, las paredes internas del contenedor deben estar aisladas.

El extremo superior del cohete está cerrado y tapado con una sección donde se sitúa la carga útil o el paracaídas de recuperación. El extremo inferior del cohete está construido con una salida de gases de abertura estrecha llamada garganta (throat). Por debajo de esta, hay una estructura más grande en forma de cono, llamada boquilla (nozzle). Al restringir la salida de gases, la apertura llamada garganta hace que los productos de la combustión se aceleren mucho mientras salen hacia el exterior (segunda ley). La boquilla apunta el escape de gases hacia abajo para que el cohete se desplace hacia arriba (tercera ley).

Para apreciar y entender cómo la garganta del cohete acelera los productos de la combustión, podemos abrir el grifo del agua a la que tengamos conectada una manguera de jardín típica. Al abrir la boquilla en la configuración de más caudal, el agua fluye lentamente. Luego, podemos empezar a reducir la apertura de la boquilla. El agua se sale más rápidamente en un chorro más largo (segunda ley) y sentimos que la manguera nos empuja hacia atrás (tercera ley).

El propelente en cohetes sólidos se almacena dentro de contenedores aislados. Puede almacenarse como una masa sólida empaquetada o puede tener un núcleo hueco. Cuando se empaqueta como una masa sólida, el propelente se quema desde el extremo inferior hasta el extremo superior. Dependiendo del tamaño del cohete, esto podría llevar un tiempo. Con un núcleo hueco, los propulsores se queman mucho más rápido porque toda la parte del núcleo se enciende de una sola vez, como se aprecia en la ilustración. En lugar de quemarse de un extremo al otro, el propulsor arde desde el núcleo hacia afuera. La masa de propelente se quema de esta forma más rápido, aumentando el empuje (segunda ley). 

Para hacer que los cohetes sólidos sean aún más potentes, el núcleo no tiene que ser redondo. Puede tener otras formas que aumenten el área de la superficie disponible para ser quemada. Los extremos superiores de los SRB del transbordador espacial, por ejemplo, tenían núcleos en forma de estrella. Cuando se encendía el propulsante, el área era de este diseño era tan grande que se obtenía un impulso para el despegue casi inmediatamente. En aproximadamente un minuto, sin embargo, los puntos de estrella se quemaban, y el empuje disminuía un poco. Este efecto se estudió y se realizó de forma intencionada porque el transbordador espacial al comienzo de su vuelo empieza a acelerar a través de la barrera del sonido. Pasar a través de esta barrera sin un diseño específico, provoca vibraciones. Estas vibraciones se ven reducidas gracias a la disminución de empuje temporal de los SRB (segunda ley).

Los cohetes propulsores sólidos tienen otros dos sistemas principales en funcionamiento. Uno es el sistema de control, que se discutirá más adelante. El otro es el sistema de encendido. Las flechas de fuego chinas se prendían con mechas. Esta era una práctica peligrosa porque la mecha podría arder demasiado rápido y no darle tiempo al operario para ponerse a salvo de la salida de gases. Las mechas se utilizaron durante siglos hasta que fueron reemplazadas por sistemas de ignición eléctrica. Con un sistema eléctrico, un cable con alta resistencia calienta y enciende el propelente. Los SRB del transbordador espacial y los SRB que se utilizarán para los nuevos cohetes como los de Space X, tienen un sistema de encendido más dinámico. Un pequeño motor cohete está montado dentro del extremo superior del núcleo interior. Cuando se enciende, dispara una larga lengua de fuego por el núcleo para encender toda la superficie a la vez. Esto hace que los SRB alcancen el empuje total en menos de un segundo.

Cohetes de propulsante líquido

Los cohetes propulsores líquidos son una invención del siglo XX. Son mucho más complejos que los cohetes sólidos. Generalmente, un cohete líquido tiene dos tanques grandes dentro de su cuerpo. Un tanque contiene el combustible, como queroseno o hidrógeno líquido. El otro tanque contiene oxígeno líquido. Cuando se dispara el motor de cohete líquido, las bombas de alta velocidad fuerzan a los propelentes a dirigirse a una cámara de combustión cilíndrica o esférica.

El combustible y el oxidante se mezclan a medida que se pulverizan en la cámara. Allí se encienden, creando enormes cantidades de gases provenientes de la combustión que atraviesan la garganta y se dirigen hacia abajo por medio de la tobera (nozzle). (¡Recordemos cómo las leyes de Newton controlan esto!)

Los motores con propulsores líquidos tienen una serie de ventajas sobre los motores con propulsores sólidos. Existe una gran gama de combinaciones de propelentes disponibles para las diferentes aplicaciones. Algunos de estos requieren un sistema de ignición y otros simplemente se encienden por contacto. La monometilhidrazina (combustible) y el tetróxido de nitrógeno (oxidante) se encienden espontáneamente por contacto. Estos se llaman propelentes o propergoles hipergólicos. Con propulsores hipergólicos, el motor de un cohete no necesita un sistema de encendido. Los propulsores o propergoles hipergólicos son excelentes para los cohetes de control de actitud, como los que se colocarán alrededor del módulo de servicio de la nave Orion. Otra ventaja de los propulsores líquidos es que pueden controlarse. Ajustando su flujo en el la cámara de combustión, se controla de forma precisa la cantidad de empuje producido. Además, los motores líquidos pueden detenerse y reiniciarse más tarde. Es muy difícil detener un cohete con propelente sólido una vez que se inicia la ignición y el control del empuje es limitado.

RS-68 Liquid propellant engine test firing.

Naturalmente, no todo son ventajas, con cualquier tecnología, hay que pagar un precio. El motor de un cohete con propelente líquido es muy complejo y está sujeto a múltiples fallos y averías. También tiene más masa estructural (pesa más) que los cohetes con propulsores sólidos comparables. Uno de los métodos para reducir la masa es simplemente usar metal más delgado y liviano para la salida de gases (nozzle). Normalmente, esta es muy gruesa y pesada, para evitar que se erosione con la corriente de gases de escape saliendo a gran velocidad y muy elevada temperatura. Una tobera de pared delgada necesita un sistema de enfriamiento. 

Para ello, existen unos pequeños tubos que cubren las paredes de la tobera y transportan hidrógeno líquido. El hidrógeno se convierte en un líquido a 20.27 K (-252.87° C o -423.17° F). El hidrógeno súper frío absorbe el calor de la corriente de gas y protege las paredes de la tobera. El hidrógeno, ahora calentado, se inyecta en la cámara de combustión. Con este sistema, el motor tiene menos masa (pesa mucho menos) y produce un mayor empuje (segunda ley otra vez).

Controlando el vuelo

La tercera ley de Newton se emplea una y otra vez en los sistemas de control de los cohetes. Las estructuras y raíles de lanzamiento en los cohetes demostraron no ser nada efectivos desde un principio. Durante los conflictos bélicos los cohetes militares tenían que ser disparados en grandes cantidades (a veces miles) para que al menos unos pocos alcanzaran sus objetivos. La precisión mejoró cuando se agregaron pequeñas paletas o aletines en la salida de gases de escape. Las aletas posibilitaron la estabilidad al hacer que los cohetes rotaran sobre su eje longitudinal como si fueran balas.

En la ilustración se muestra el conjunto completo de la nave espacial Orion. Una estructura de protección rodea la cápsula para el despegue. En la parte superior está el sistema de cohetes de escape. Varios de los cohetes de control de actitud de la nave Orion se pueden ver claramente alrededor del módulo de servicio. Otra técnica fue agregar aletas estabilizadoras, que actuaron como si fueran las plumas en una flecha. Estas aletas estabilizadoras se situaron en el extremo inferior del cohete. Cuando un cohete vuela "recto como una flecha", las aletas proporcionan poca resistencia o fricción con el aire. Sin embargo, si el extremo del motor del cohete comienza a "colear como un pez", la resistencia aumenta enormemente. La corriente de aire golpea la aleta, y la aleta dirige la corriente hacia un lado. El extremo inferior del cohete se mueve en sentido opuesto y corrige el "coleteo" (tercera ley de Newton). 

Las aletas se usan casi siempre en maquetas a escala de cohetes y pequeños misiles. Las aletas de los cohetes pequeños son un sistema pasivo para el control de vuelo. Permanecen fijas y hacen su trabajo solo si el cohete comienza a desviarse. Robert Goddard llevó las aletas a una dimensión superior cuando se decidió a convertirlas en un sistema activo. Las aletas de Goddard se podrían fabricar más pequeñas (¡y más livianas!) porque no estaban fijas a la estructura, eran móviles. Incluso una ligera desviación del rumbo planeado haría que las aletas reaccionasen y se inclinaran ligeramente en la dirección apropiada para corregir el desvío. El corazón del sistema de control

de Goddard, más tarde fue utilizado en las famosas V2 y otros cohetes avanzados. Se trataba de un sistema giroscópico. Los giroscopios, son una especie de masa que gira a altas velocidades y tienden a estabilizarse debido a su inercia (primera ley). Esta propiedad de los giróscopos (o cualquier masa que rote) también se conoce como rigidez en el espacio. En otras palabras, el eje del giroscopio apunta en una dirección. Si el cohete se desvía del rumbo, el movimiento actúa sobre la alineación del giroscopio, y un enlace o un sistema eléctrico conectado al giroscopio transmite las correcciones apropiadas a las aletas móviles del cohete.

Uno se puede hacer una buena idea de la efectividad de las aletas móviles con una simple demostración. Si se equilibra el extremo de un palo largo (una escoba, por ejemplo), en la palma de la mano y si la escoba comienza a inclinarse hacia la derecha, entonces moveremos automáticamente nuestra mano hacia la derecha para enderezarla y seguir manteniendo el equilibrio. Las aletas movibles hacen lo mismo. El cohete comienza a inclinarse hacia la derecha y entonces el borde de ataque de las aletas se dobla hacia la derecha. Esto hace que la corriente de aire se desvíe hacia la izquierda. El extremo inferior del cohete se mueve hacia la derecha, y el cohete vuelve a estar en curso.

Naturalmente, como el lector puede imaginar, algunos diseños de aletas son bastante más complicados de lo que se acaba de describir. Dependiendo del diseño del cohete, existen aletas que puede estar fijas sin moverse, pero puede que una aleta situada en una posición inferior sea la parte controlable de la aleta (algo así como un timón). También se pueden colocar aletas móviles muy pequeñas cerca del morro del cohete. Estas aletas se llaman Canards, y permiten maniobras de control rápidas y extremas muy demandadas en misiles militares aire-aire. Las aletas pequeñas, llamadas paletas, pueden colocarse dentro de la corriente de escape del motor. Cuando una paleta se inclina, dirige parte de los gases de escape hacia un lado u otro. El extremo inferior del cohete responde moviéndose en el otro sentido. Todos estos estilos de aletas son ejemplos de la tercera ley de Newton en acción.

Otra forma en que se aplica la tercera ley para controlar el vuelo es a través de las toberas orientables de los motores. Gimballed nozzle significa que la tobera es direccionable, es decir, que puede inclinarse en diferentes direcciones. Los movimientos de la tobera pueden dirigir el cohete con un nuevo rumbo o realizar correcciones en el rumbo actual. Los impulsores de cohetes sólidos que se utilizarán para los cohetes SLS utilizarán este tipo (gimballing nozzle) para el control.

Controlando la masa

La masa total de un cohete tiene una gran influencia en su rendimiento. Si el cohete tiene una masa mayor que la que los motores pueden levantar, el cohete no despegará (primera ley). Cuanto más ligero sea el cohete, mucho mejor. Sin embargo, dado que el cohete debe llevar todos sus propulsores (no hay estaciones de servicio en el espacio ¡POR AHORA!), Una gran parte de la masa del cohete debe ser por fuerza sus propios propulsores. La masa de los propulsores quemados es una gran parte del empuje (segunda ley). El aligeramiento de peso (masa) del conjunto debe provenir de otros lugares: la estructura del cohete.

Los ingenieros aeroespaciales diseñan tanques y estructuras de cohetes con materiales ligeros reforzados por costillas (como en los aviones). Esto es una gran manera de ahorrar masa. El enfriamiento de los propelentes de hidrógeno y oxígeno hasta que se licuan reduce su volumen total. Eso significa que se pueden usar tanques más pequeños y menos masivos. Gimbaling engines (toberas direccionables) para control significa que las aletas pesadas pueden eliminarse.

Al diseñar nuevos cohetes, los científicos (e ingenieros) se preocupan por la fracción o relación de masa. La fracción masiva (MF) es una relación matemática inversa simple entre la masa de los propelentes del cohete y la masa total del cohete. Aunque hay margen de maniobra en esta ecuación, los cohetes más eficientes tienen fracciones de masa de alrededor de 0,91. Eso significa que, del cohete total, el propelente representa el 91% de su masa. La estructura del cohete y la carga útil comprenden el otro 9%. Como necesita la masa de los propelentes, los esfuerzos para ahorrar masa se centran principalmente en la estructura y la carga útil.

Un truco simple pero antiguo y efectivo es la construcción por etapas. Se comienza con un cohete grande, se apila encima uno más pequeño sobre él, se coloca un cohete aún más pequeño sobre el segundo y luego la carga útil sobre el tercer cohete. El cohete grande levanta su propia masa y la masa de las otras dos. Cuando el cohete grande (primera etapa) está vacío, se desprende y cae. El segundo cohete (segunda etapa) se dispara y se acelera a sí mismo y la tercera etapa con su carga útil a velocidades y altitudes más altas. Cuando está vacío, se desprende y cae la segunda etapa. La tercera etapa finaliza el trabajo de entrega de la carga útil. Por etapas, la masa del cohete se reduce en vuelo, haciendo que las etapas superiores sean más eficientes al hacer su trabajo.

Cohetes futuros

La parte divertida de la llamada "rocket science" es que siempre hay nuevas ideas y nuevas formas de hacer las cosas. Los cohetes sólidos y líquidos no son el único camino a seguir. Otros tipos de cohetes están en los tableros de dibujo de los ingenieros, o bien pasando por pruebas con prototipos o simplemente revoloteando en la imaginación de algunos soñadores. Los cohetes eléctricos existen desde la década de 1960. En lugar de quemar propulsores, los iones (átomos cargados eléctricamente) son expulsados ​​del motor del cohete utilizando fuerzas magnéticas. Al hacerlo, se imparte un pequeño empuje al cohete. (Las leyes de Newton todavía funcionan en este cohete). Los cohetes eléctricos, a veces denominados "de impulso iónico", son muy eficientes a la hora de convertir la energía eléctrica en empuje, pero como la masa de iones es muy baja, el empuje es muy pequeño. Solo tendrían la fuerza necesaria para empujar una nuez sobre una mesa. Entonces podríamos pensar: "¿Por qué molestarse?" La respuesta es que una unidad motriz de iones puede funcionar continuamente durante meses o incluso años seguidos. 

Puede comenzar despacio, pero después de meses y meses de empuje, un vehículo podría alcanzar velocidades más altas que un cohete químico que quema todos sus propulsores en pocos minutos. Otra cosa importante: la electricidad para los impulsores de iones puede provenir de la luz solar captada por paneles solares en la nave espacial. La energía nuclear también está siendo considerada para la propulsión de cohetes. Un reactor nuclear a bordo generaría mucho calor a través de la fisión nuclear (descomposición de átomos radiactivos). Un suministro de gas de hidrógeno sería calentado por el reactor, causando que las moléculas de gas se expandieran rápidamente y salieran de la tobera del motor. En este caso no se quemaría nada. Pensemos en este tipo de cohete como un globo de energía nuclear.

Otro concepto más atrevido sería transmitir o emitir un poderoso haz láser desde la Tierra hacia unos sistemas colectores de una nave espacial. La energía recibida se usaría así para calentar el suministro de gas para la propulsión. De esta forma, el reactor nuclear podría ser eliminado. Ya si miramos más adelante en el futuro, quizás las unidades de materia/antimateria, como las propuestas en Star Trek, podrían ser realmente posibles. Adónde vamos y cómo llegaremos, todo se reduce a los científicos e ingenieros aeroespaciales del futuro, que están sentados hoy en las aulas de nuestras universidades.

Propuesta de un motor termal de energía nuclear

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