Cómo funcionan los cohetes

Cómo funcionan los cohetes: una guía completa

Los cohetes de todo tipo siguen siendo nuestra única forma de llegar al espacio, pero ¿cómo funcionan exactamente?

El Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS) de la NASA lanzará astronautas a la Luna.

Los cohetes son la mejor manera que tiene nuestra especie de escapar de la atmósfera de la Tierra y llegar al espacio. Pero el proceso detrás de hacer que estas máquinas funcionen está lejos de ser simple. Esto es lo que necesita saber sobre cómo llevar un cohete al espacio.

Cómo despegan los cohetes

Los escritores e inventores han soñado con explorar el universo más allá de la Tierra durante siglos, pero los verdaderos desafíos de viajar al espacio solo se hicieron evidentes en el siglo XIX. Los vuelos experimentales en globo demostraron que la atmósfera de la Tierra se adelgaza rápidamente a gran altura, por lo que incluso antes de que los vuelos propulsados ​​se hicieran realidad, los ingenieros sabían que los dispositivos que crean una fuerza hacia adelante o hacia arriba al empujar contra un medio circundante como el aire, como alas y hélices, sería inútil en el espacio.

Otro problema era que los motores de combustión, máquinas como los motores de vapor o gasolina que generan energía quemando combustible en el oxígeno de la atmósfera terrestre, también fallarían en el espacio sin aire.

Afortunadamente, ya se había inventado un dispositivo que resolvía el problema de generar fuerza sin un medio circundante: el cohete. Utilizados inicialmente como armas de guerra o en fuegos artificiales, los cohetes generan una fuerza en una dirección, llamada empuje, por el principio de acción y reacción: los gases de escape liberados por los productos químicos explosivos son expulsados ​​por la parte trasera del cohete a gran velocidad y, como Como resultado, el cohete es empujado en la otra dirección, independientemente del medio circundante, explica la NASA en este manual (pdf).

La clave para usar cohetes en el espacio es llevar un químico llamado oxidante que puede desempeñar el mismo papel que el oxígeno en el aire de la Tierra y permitir que el combustible entre en combustión.

El diseño único del transbordador espacial canalizó el propulsor desde un tanque externo a los motores principales del transbordador durante el lanzamiento, mientras que dos grandes propulsores de cohetes sólidos le asisten.

La primera persona en estudiar seriamente el potencial del cohete para los viajes espaciales, el maestro de escuela ruso y científico aficionado Konstantin Tsiolkovsky, publicó por primera vez sus conclusiones en 1903. Identificó correctamente el lanzamiento como uno de los mayores desafíos: el momento en que el cohete tiene que transportar todo el combustible y oxidante que necesita para llegar al espacio, ya que su peso es máximo y se necesita una gran cantidad de empuje solo para que se mueva.

A medida que el cohete se pone en marcha, arroja masa a través de su escape, por lo que su peso se reduce y la misma cantidad de empuje tendrá un mayor efecto en términos de aceleración del resto del cohete. A Tsiolkovsky se le ocurrieron varios diseños de cohetes y concluyó que la configuración más eficiente era un vehículo lanzado verticalmente con varias "etapas", cada una de las cuales era un cohete autónomo que podía transportar las etapas por encima de él durante una cierta distancia antes de agotar su combustible, separarse y caer. lejos. Este principio, todavía ampliamente utilizado en la actualidad, reduce la cantidad de peso muerto que debe transportarse hasta el espacio.

Tsiolkovsky ideó una ecuación compleja que reveló la fuerza de empuje necesaria para cualquier maniobra de cohete dada, y el "impulso específico" (cuánto empuje se genera por unidad de combustible) necesario para que un cohete llegue al espacio. Se dio cuenta de que los propulsores de cohetes explosivos de su tiempo eran demasiado ineficientes para impulsar un cohete espacial y argumentó que los combustibles líquidos y los oxidantes, como el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido, serían necesarios en última instancia para alcanzar la órbita y más allá. Aunque no vivió para ver reconocido su trabajo, los principios de Tsiolkovsky todavía son la base de la cohetería moderna.

1 Gravedad

La fuerza de la gravedad atrae todo hacia el centro de la Tierra, ejerciendo una fuerza hacia abajo de 4,4 newtons por libra (9,8 newtons por kilogramo) en cada parte del cohete.

2 Arrastre

El aire de la Tierra puede ser delgado, pero puede ejercer una fuerte resistencia llamada arrastre contra un objeto que se mueve a alta velocidad. Afortunadamente, se reduce a medida que el aire se adelgaza en altitudes más altas.

3 Empuje

El cohete genera una fuerza hacia arriba llamada empuje para vencer tanto la gravedad como la resistencia. Lo hace quemando combustible y expulsando gases de escape en dirección descendente que empuja el cohete hacia arriba.

4 Comienzo lento

En el lanzamiento, el peso de un cohete es máximo. Incluso con los cohetes produciendo el máximo empuje, apenas producen la potencia suficiente para levantar el cohete del suelo.

5 Etapas de cohetes

La mayoría de los cohetes están diseñados con dos o más unidades apiladas llamadas etapas. La etapa más baja enciende sus motores hasta que se agotan, luego se separa y cae para reducir la masa total que se transporta más hacia el espacio.

6 Cambio de altitud

A medida que el cohete gana velocidad y altitud, se inclina lentamente hacia una trayectoria paralela a la superficie de la Tierra, que se convertirá en una órbita si gana suficiente velocidad.

7 Desprendimiento de masa

A medida que el cohete continúa quemando combustible, su peso se reduce, por lo que aunque la fuerza de empuje de sus motores permanece constante, tiene un mayor efecto acelerador.

8 carga útil

La etapa superior del vehículo de lanzamiento, puesta en órbita, se conoce como carga útil. Esto puede consistir en un satélite o una nave espacial, a menudo con una etapa de cohete separada para maniobras adicionales.

Tomando vuelo

Los cohetes deben equilibrar delicadamente y controlar poderosas fuerzas para atravesar la atmósfera de la Tierra hacia el espacio.

Un cohete genera empuje mediante una explosión controlada cuando el combustible y el oxidante experimentan una violenta reacción química. Los gases en expansión de la explosión son expulsados ​​por la parte trasera del cohete a través de una tobera. La boquilla es un escape de forma especial que canaliza el gas caliente a alta presión creado por la combustión en una corriente que escapa por la parte posterior de la boquilla a velocidades hipersónicas, más de cinco veces la velocidad del sonido.

La tercera ley del movimiento de Isaac Newton

establece que cada acción tiene una reacción igual y opuesta, por lo que la fuerza de "acción" que expulsa el escape de la tobera del cohete debe equilibrarse con una fuerza igual y opuesta que empuja el cohete hacia adelante. Específicamente, esta fuerza actúa sobre la pared superior de la cámara de combustión, pero debido a que el motor del cohete es parte integral de cada etapa del cohete, podemos pensar que actúa sobre el cohete como un todo.

El núcleo de la primera etapa del cohete Delta II fue asistido por nueve propulsores de cohete sólido separados durante el lanzamiento.

Aunque las fuerzas que actúan en ambas direcciones son iguales, sus efectos visibles son diferentes debido a otra de las leyes de Newton, que explica cómo los objetos con mayor masa necesitan más fuerza para acelerarlos en una cantidad determinada. Entonces, mientras que la fuerza de acción acelera rápidamente una pequeña masa de gas de escape a velocidades hipersónicas cada segundo, la fuerza de reacción igual produce una aceleración mucho menor en la dirección opuesta en la masa mucho mayor del cohete.

A medida que el cohete gana velocidad, es fundamental mantener la dirección del movimiento estrechamente alineada con la dirección del empuje. Se necesitan ajustes graduales para dirigir el cohete hacia una trayectoria orbital, pero una desalineación severa puede hacer que el cohete gire fuera de control. La mayoría de los cohetes, incluidas las series Falcon y Titán y el cohete lunar Saturno V, utilizan motores con cardán, montados de modo que todo el motor del cohete pueda pivotar y variar la dirección de su empuje de un momento a otro. Otras opciones de dirección incluyen el uso de paletas externas para desviar los gases de escape a medida que escapan del motor del cohete (más efectivo con cohetes de combustible sólido que carecen de un motor complejo) y motores auxiliares, como pequeños cohetes propulsores montados a los lados de la etapa del cohete.

Cómo funcionan los motores de un cohete

Los motores de cohetes modernos han recorrido un largo camino desde los fuegos artificiales, los primeros en la historia de los cohetes. Los cohetes sólidos relativamente simples, que se utilizan con mayor frecuencia como propulsores para proporcionar un empuje adicional en el lanzamiento, aún se basan en el mismo principio básico de encender un tubo que contiene una mezcla combustible de combustible y oxidante. Una vez encendido, un cohete sólido continuará ardiendo hasta que se agote el combustible, pero la velocidad a la que se quema el combustible, y por lo tanto la cantidad de empuje, se puede controlar cambiando la cantidad de superficie expuesta a la ignición durante diferentes momentos en el cohete. vuelo.

Esto se puede hacer empaquetando la mezcla de combustible/oxidante con un espacio hueco en el centro, a lo largo del cohete. Dependiendo del perfil de este espacio, que puede ser circular o en forma de estrella, por ejemplo, la cantidad de superficie expuesta cambiará durante el vuelo.

Los cohetes de combustible líquido más extendidos son mucho más complejos. Por lo general, involucran un par de tanques propulsores, uno para el combustible y otro para el oxidante, conectados a una cámara de combustión a través de un complejo laberinto de tuberías. Se utilizan turbobombas de alta velocidad impulsadas por sus propios sistemas de motores independientes para suministrar propelente líquido a la cámara a través de un sistema de inyección. La tasa de suministro se puede acelerar hacia arriba o hacia abajo según los requisitos, y el combustible se puede inyectar como un chorro simple o como un rocío fino.

Dentro de la cámara de combustión se utiliza un mecanismo de encendido para iniciar la combustión, que puede ser un chorro de gas a alta temperatura, una chispa eléctrica o una explosión pirotécnica. El encendido rápido es crítico: si se permite que se acumule demasiada mezcla de combustible/oxidante en la cámara de combustión, un encendido retardado puede generar suficiente presión para hacer estallar el cohete, un evento catastrófico al que los ingenieros de cohetes se refieren lacónicamente como un "arranque difícil". o "desmontaje rápido no programado" (RUD).

El diseño detallado de una etapa de cohete líquido puede variar mucho según su combustible y otros requisitos. Algunos de los propulsores más eficientes son gases licuados como el hidrógeno líquido, que solo es estable a temperaturas muy bajas, alrededor de menos 423 grados Fahrenheit (menos 253 grados Celsius). Una vez cargados a bordo del cohete, estos propulsores criogénicos deben almacenarse en tanques fuertemente aislados. Algunos cohetes evitan la necesidad de un mecanismo de encendido utilizando propulsores hipergólicos que se encienden espontáneamente al contacto entre sí.

1 potenciadores

Los cohetes sólidos son impulsores ideales para usar durante el despegue. Atados alrededor de una primera etapa central de combustible líquido, se caen cuando se agotan.

Sistema de 2 bombas

Un sistema de turbobomba extrae combustible y oxidante de los tanques a alta velocidad y lo inyecta en la cámara de combustión.

3 tanques de combustible

El interior de cada etapa está lleno de grandes tanques propulsores para combustible y oxidante; los combustibles como el hidrógeno líquido pueden ser eficientes, pero también son voluminosos.

4 Adaptador entre etapas

Las etapas de los cohetes están separadas por "espaciadores" vacíos llamados etapas intermedias, equipados con pernos explosivos que los empujan fuera del alcance antes de que se dispare la siguiente etapa.

5 Sistema de encendido

Una chispa eléctrica, una carga explosiva o un chorro de gas caliente enciende la mezcla de combustible/oxidante.

6 Carenado de carga útil

Un estuche aerodinámico llamado carenado protege la carga útil de la misión de la atmósfera durante el lanzamiento y luego se cae en el espacio.

7 Etapa superior

Los cohetes de la etapa superior son más pequeños pero a menudo más complejos que los de las etapas inferiores, con la capacidad de apagarse y volverse a encender en diferentes momentos.

8 Cámara de combustión

El combustible y el oxidante experimentan una combustión violenta, creando gases en expansión que son forzados a salir a través de una boquilla con forma en la parte inferior. Esto genera un empuje hacia arriba en el propio motor del cohete.

Viaje interplanetario

Los cohetes son la clave para explorar nuestro sistema solar, pero ¿cómo van de la órbita al espacio profundo?

La primera etapa de cualquier vuelo espacial implica el lanzamiento desde la superficie de la Tierra a una órbita relativamente baja a unas 124 millas (200 km) de altura, por encima de la gran mayoría de la atmósfera. Aquí la gravedad es casi tan fuerte como en la superficie, pero la fricción de la atmósfera superior de la Tierra es muy baja, por lo que si la etapa superior del cohete se mueve lo suficientemente rápido, puede mantener una trayectoria estable, circular o elíptica donde la atracción de la gravedad y la tendencia natural del vehículo a volar en línea recta se anulan entre sí.

Muchas naves espaciales y satélites no viajan más allá de esta órbita terrestre baja.

(LEO), pero aquellos destinados a abandonar la Tierra por completo y explorar el sistema solar más amplio necesitan un aumento adicional en la velocidad para alcanzar la velocidad de escape, la velocidad a la que la gravedad de nuestro planeta nunca podrá atraerlos.

La velocidad de escape en la superficie de la Tierra, 6,9 millas por segundo (11,2 km/s), es aproximadamente un 50% más rápida que las velocidades típicas de los objetos en LEO. Se vuelve más bajo a mayor distancia de la Tierra, y las sondas destinadas al espacio interplanetario a menudo se inyectan primero en órbitas alargadas o elípticas mediante una ráfaga de empuje cuidadosamente sincronizada desde un cohete de etapa superior, que puede permanecer unido a la nave espacial por el resto del tiempo. su vuelo interplanetario. En tal órbita, la distancia de la nave espacial a la Tierra puede oscilar entre cientos y miles de millas, y su velocidad también variará, alcanzando un máximo cuando la nave espacial está más cerca de la Tierra, un punto llamado perigeo, y disminuyendo la velocidad más lejos.

Los cohetes térmicos nucleares son una forma hipotética de generar grandes cantidades de empuje durante períodos sostenidos; algún día podrían acortar el tiempo de viaje a otros planetas.

Sorprendentemente, sin embargo, el encendido crítico del cohete que se usa para escapar al espacio interplanetario generalmente se realiza cuando la nave espacial está cerca del perigeo. Esto se debe al llamado efecto Oberth una propiedad inesperada de las ecuaciones de los cohetes que significa que un cohete es más eficiente cuando se mueve a mayor velocidad.

Una forma de entender esto es que quemar el combustible de una nave espacial permite que el motor utilice no solo su energía química, sino también su energía cinética, que es mayor a velocidades más altas. En general, el empuje adicional del cohete necesario para alcanzar la velocidad de escape desde una altura baja a una velocidad más alta es menor que el necesario para escapar desde una altura alta cuando se mueve a una velocidad más baja.

Los ingenieros de vuelos espaciales y los planificadores de misiones a menudo se refieren al "Delta-v requerido para realizar una maniobra de vuelo específica, como un cambio en la órbita. Estrictamente hablando, el término Delta-v significa cambio en la velocidad, pero los ingenieros lo usan específicamente como una medida de la cantidad de impulso, o fuerza de empuje a lo largo del tiempo, necesaria para lograr una maniobra En términos generales, las misiones se planifican en torno a un "presupuesto Delta-v": cuánto empuje pueden generar durante cuánto tiempo utilizando los suministros de combustible a bordo de la nave espacial.

Enviar una nave espacial de un planeta a otro con requisitos mínimos de Delta-v implica inyectarla en una órbita elíptica alrededor del sol, llamada órbita de transferencia de Hohmann.

La nave espacial viaja a lo largo de un segmento de la trayectoria elíptica que se parece a una pista en espiral entre las órbitas de los dos planetas, y no requiere más empuje a lo largo de su viaje. Al llegar a su objeto objetivo, puede usar la gravedad únicamente para entrar en su órbita final, o puede requerir una ráfaga de empuje del cohete en la dirección opuesta, generalmente lograda simplemente girando la nave espacial en el espacio y encendiendo el motor, antes de que pueda alcanzar una órbita estable.

1 órbita terrestre baja

Inmediatamente después del lanzamiento, una sonda espacial generalmente ingresa a una órbita terrestre baja aproximadamente circular a más de 100 millas sobre la Tierra.

2 Elipse alrededor de la Tierra

Uno o más arranques de cohetes sincronizados con precisión empujan a la nave espacial hacia una trayectoria más elíptica que varía en distancia de la Tierra.

3 Acelerando la velocidad

En una órbita de transferencia elíptica, la sonda se mueve más lentamente a mayor distancia de la Tierra y mucho más rápido alrededor de su aproximación más cercana.

4 Cerrar ignición

El efecto Oberth permite que los cohetes de una nave espacial entreguen más empuje por una cantidad determinada de combustible cuando ya se está moviendo a alta velocidad y cerca de la Tierra.

5 órbita de transferencia de Hohmann

Un encendido final permite que la sonda se libere de la Tierra en una trayectoria que parece una espiral desde nuestro punto de vista, pero que en realidad es un segmento de una órbita elíptica alrededor del sol.