¿Cómo funcionan los cohetes? Una explicación básica

La tecnología de los cohetes es anterior a la exploración espacial en casi mil años, y aunque los vehículos de lanzamiento computarizados de varias toneladas de hoy son mucho más capaces que las flechas asistidas por pólvora del siglo XI, algunas facetas nunca cambian. Un cohete es esencialmente una explosión controlada: cuando funciona, toda la energía sale de un extremo e impulsa el vehículo hacia adelante. Cuando no es así, bueno, sigue siendo un tubo de material explosivo. ¿Arriesgado? Claro, pero los cohetes son ideales para el transporte en condiciones donde otras formas de locomoción nunca funcionarían, como el vacío estéril del espacio exterior. Analicemos cómo funciona.

La gravedad no compromete

La atracción gravitacional de la Tierra nos mantiene a todos arraigados de forma segura en nuestro planeta de origen, pero ¿qué pasa si quieres dejar el planeta? ? Se necesita una energía tremenda para acelerar incluso una masa pequeña y escapar de la velocidad, que probablemente sea más rápida de lo que cree. Para escapar de los amargos lazos de la Tierra, un objeto necesita alcanzar una velocidad de 6,9 ​​millas por segundo (11,2 km/s), o 24.840 millas por hora.

La reacción química que tiene lugar en la mayoría de los cohetes tiene los mismos elementos constituyentes que un fuego: hay combustible, un oxidante y una fuente de ignición. El problema de viajar a lo alto de la atmósfera (y al espacio) es que no podrás utilizar el oxígeno atmosférico como oxidante, como lo hace, por ejemplo, un motor de combustión interna. Por eso los cohetes tienen que llevar tanques de combustible y oxidante. Los motores Merlin del SpaceX Falcon 9 utilizan combustible de queroseno apto para cohetes (RP-1) con oxígeno líquido como oxidante. El Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA se basa en combustible de hidrógeno líquido y oxidante de oxígeno líquido. Algunos cohetes utilizan propulsores hipergólicos, que se queman espontáneamente cuando se combinan, pero la mayoría requiere ignición.

Cuando se enciende un motor de cohete químico, es la expresión más pura de la Tercera Ley del Movimiento de Newton: para cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Entonces, el combustible en rápida expansión que sale de la boquilla empuja el cohete y el cohete empuja hacia atrás. El resultado es suficiente empuje para vencer la fuerza de gravedad.

Naturalmente, esto supone una gran carga para el vehículo. A medida que acelera a través de la atmósfera, alcanzará la parte más peligrosa de cualquier lanzamiento, conocida como presión dinámica máxima o q máx. En este punto, la aceleración y la presión atmosférica provocan la mayor tensión mecánica. Los ingenieros deben planificar esto al diseñar cohetes si quieren llegar al espacio.

Arriba, arriba y lejos

Todos hemos visto imágenes de cohetes que no logran llegar al espacio y, a menudo, giran fuera de control hasta que se desintegran. La mayoría de las veces, la primera señal de una catástrofe inminente es una creciente precesión, la ligera oscilación que se produce en los objetos que giran. Los cohetes giran alrededor de su eje longitudinal para aumentar la estabilidad, pero la precesión incontrolada puede hacer que el eje de rotación se incline hasta que el vehículo ya no esté recto hacia arriba. Cuando un cohete todavía está en la atmósfera y acelerando, una ligera inclinación puede provocar una voltereta, y la voltereta provoca una gran tensión mecánica que eventualmente destrozará el vehículo. Hoy en día, muchos cohetes tienen sistemas de aborto remoto que pueden destruir un vehículo fuera de control, algo que vimos en acción durante la primera Starship de SpaceX. intento orbital (ver más abajo).

Para mantener un cohete apuntando hacia el espacio, los ingenieros utilizan elementos de diseño como aletas y motores con cardán (móviles). Hay dos tipos generales de motores, y ambos tienen su uso para mantener un cohete estable y moviéndose en la dirección correcta. Hoy en día, el mayor interés está en los motores de cohetes de combustible líquido como el SpaceX Merlin y el Blue Origin BE-4, pero todavía hay lugar para los propulsores de cohetes sólidos también.

Los sistemas de combustible líquido mantienen el combustible y el oxidante en tanques, a menudo enfriados a temperaturas muy bajas y almacenados a alta presión. Con una potente turbobomba, la cámara de combustión puede recibir más o menos combustible para cambiar la potencia de empuje. Se debe controlar perfectamente la mezcla de combustible y comburente. Si se acumula demasiado combustible u oxidante en la cámara, el cohete puede volar en pedazos.

A veces se utilizan propulsores de cohetes sólidos para darle a un cohete un poco más de empuje al nivel del mar. El SLS de la NASA utiliza dos SRB, los más potentes jamás construidos. Los SRB no tienen tanques de combustible; como su nombre lo indica, el combustible y el oxidante se combinan en un bloque de combustible sólido. A diferencia de los diseños de combustible líquido, los SRB queman todo su combustible después de encenderse, sin forma de alterar el empuje según sea necesario. Sin embargo, es posible “programar” un propulsor sólido al darle forma al combustible para proporcionar más o menos superficie para que se produzca la reacción mientras se quema.

Los lanzamientos de cohetes son sólo un medio para llevar una carga útil mucho más pequeña al espacio. Por lo tanto, no hay razón para mantener todos los componentes del cohete unidos a la carga útil después de que hayan dejado de ser útiles. Los propulsores de cohetes sólidos suelen ser las primeras piezas que se desechan, pero la mayoría de los cohetes también tienen al menos una etapa principal para lanzar. En el caso de SpaceX, la primera etapa se lleva a tierra propulsivamente para su reutilización, pero todos los demás cohetes activos hoy en día simplemente arrojan las etapas gastadas al océano. Un vehículo de etapa única a órbita (SSTO) es el sueño, pero todavía no tenemos la tecnología para hacerlo realidad.

El futuro de la propulsión

Los científicos han propuesto innumerables alternativas a los cohetes químicos, pero pocas se están investigando seriamente y aún menos se han utilizado en la vida real. Si bien los lanzamientos de cohetes seguirán siendo el ámbito de los cohetes energéticos basados ​​en productos químicos, algunas naves espaciales han cambiado a formas de propulsión más eficientes y de bajo empuje, como el motor de iones. Por ejemplo, la reciente misión Dawn de la NASA para estudiar el planeta enano Ceres se basó en motores de iones, que utilizan una carga eléctrica para acelerar la salida de los iones. el motor. Esto produce un empuje pequeño pero continuo que puede hacer que una sonda se mueva bastante rápido, si se le da suficiente tiempo en el entorno sin fricción del espacio.