Resumen

Este trabajo tiene como propósito principal estudiar la base de la tecnología espacial. Analizamos los principios físicos aplicados a la navegación aeroespacial, desde las Leyes de Newton hasta la velocidad necesaria para salir del Sistema Solar, sin olvidarnos de la importancia de los sistemas de control y estabilidad durante el vuelo.

La parte más técnica del trabajo trata los diferentes tipos de propulsión y los cohetes más importantes de los últimos 60 años, desde cohetes de un solo motor hasta cohetes trifásicos como el Saturno V.

Una vez adquiridos los conocimientos tecnológicos básicos para comprender las prestaciones de los diferentes tipos de motores, realizamos un estudio de la historia espacial, desde sus orígenes militares en la China del siglo XI hasta cómo se convirtió en un medio de exploración del Universo desde mediados del siglo XX.

El trabajo concluye con un breve apartado en el que se citan conceptos futuristas, quizá un poco disparatados, pero que sirven para abrir la mente y sugieren nuevas metas y objetivos de la tecnología espacial.

ÍNDICE

1· Tecnología de la propulsión espacial. 4-27

1.1· Principios físicos. 4-10

1.2· Propulsión sólida y líquida. 11-23

1.3· Propulsión iónica. 23-24

1.4· Control de vuelo 24-27

2·Historia de la propulsión espacial. 28-40

2.1· Armas propulsadas históricas. 28-32

2.2· Carrera espacial a la Luna entre USA y URSS. 33-36

2.3· Sondas NASA y ESA del espacio profundo. 37-38

2.4· Construcción de la ISS y colaboración entre potencias. 39-40

3· Ideas de futuro en la propulsión espacial. 40-42

4· Construcción de un cohete casero de propulsión química. 43-47

5· Conclusión. 48

Tecnología de la propulsión espacial

1.1. Principios físicos

La forma más simple de ver un cohete es como una cámara de aire que contiene gas bajo presión. Esta cámara está dotada con una pequeña abertura llamada tobera en uno de sus extremos que permite la expulsión del gas, proporcionando un empuje que impulsa al cohete en dirección contraria.

Este concepto es fácil de entender con un ejemplo muy simple. Tenemos un globo con aire comprimido por las paredes de goma del mismo, el aire empuja hacia atrás para que las fuerzas de presión hacia el interior y hacia el exterior estén equilibradas. Cuando abrimos la boquilla del globo, el aire se escapa a través de ella y el globo es impulsado en la dirección opuesta.

Cuando pensamos en cohetes raramente los relacionamos con globos. Sin embargo la única diferencia significativa es la forma en la que el aire presurizado se obtiene. Todo el mundo sabe cómo hinchar un globo, pero obtener gas a presión dentro de un cohete es "un poco" más complicado. Exactamente se obtiene quemando combustible ya sea sólido o líquido, tema que profundizaremos en los siguientes apartados.

La ciencia de los cohetes se inició en 1687 con la publicación de un libro por el científico Inglés Isaac Newton (1642-1727). Su libro,

titulado Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, describió los principios físicos en la naturaleza. Newton declaró tres principios científicos importantes que gobiernan el movimiento de todos los objetos tanto en la Tierra como en el Espacio. Gracias al conocimiento de estos principios, los humanos hemos sido capaces de construir los modernos cohetes gigantes del siglo XX como el Saturno V y el transbordador espacial.

Un objeto en reposo permanecerá en reposo y un objeto en movimiento permanecerá en movimiento en una línea recta a menos que actúe sobre él una fuerza. Como se explicará en breve, las tres leyes son declaraciones muy simples de cómo se mueven las cosas, pero con ellas se pueden hacer las determinaciones más precisas para controlar la trayectoria de un cohete.

1ª Ley de Newton

2ª Ley de Newton

Esta ley de movimiento es simplemente la enunciación de una ecuación matemática, en la que las tres variables son la masa (m), la aceleración (a) y la fuerza (f).

𝐹=𝑚×𝑎

Esta primera versión de la ecuación se puede explicar con el siguiente ejemplo:

f = m (masa del cañón) × a ( aceleración del cañón)

f = m (masa de la bala) × a (aceleración de la bala)

Debido a que la fuerza (explosión de la pólvora) es la misma para las dos ecuaciones, se pueden combinar:

m (cañón) _× a (cañón) ₌ m (bala) × a (bala)

Vamos a aplicar este principio a un cohete. Sustituimos la masa de la bala del cañón por la masa de los gases que expulsa el motor del cohete. Reemplazamos la masa del cañón con la masa del cohete moviéndose en la otra dirección. La fuerza se origina a causa de la presión creada por la explosión controlada que tiene lugar en el interior de los motores del cohete. Esa presión acelera el gas en una dirección y al cohete en otra.

Con el cañón el impulso dura un momento, mientras que el empuje en un cohete continuará hasta que se termine la combustión en los motores. Además, la masa de los cohetes cambia durante el vuelo. Su masa es la suma de todas sus partes, que incluyen motores, tanques de combustible, carga, sistema de control, y propulsores. Al principio, la mayor parte de la masa del cohete pertenece a sus propulsores, pero esa cantidad disminuye a medida que los motores consumen el combustible. Esto significa que la masa del cohete se reduce durante el vuelo. Para que el lado izquierdo de la ecuación permanezca igualado con el lado derecho, la aceleración del cohete tiene que aumentar a medida que disminuye su masa. Por eso al principio un cohete avanza lentamente, pero va cada vez más rápido a medida que asciende hacia el Espacio.

3ª Ley de Newton

“Un cohete debe ejercer una fuerza desequilibradora para despegar desde la plataforma de lanzamiento, al igual que una nave en el espacio para cambiar de velocidad o dirección

(primera ley). La cantidad de empuje (fuerza) producida por un motor de cohete será

determinado por la masa de combustible del cohete que se queme y lo rápido que el gas se escape del cohete (segunda ley). La reacción, o movimiento del cohete es equivalente a la acción o empuje, desde el motor en la dirección opuesta (tercera ley)”.

Página web de la Nasa/educación (5)

Ley de la Gravitación Universal de Newton

Esta ley establece que la fuerza que ejerce una partícula puntual de mas m1 sobre otra de masa m2 es directamente proporcional al productor de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa:

𝑀1𝑀2

𝐹=𝐺 𝑟²

donde G es la constante de gravitación universal, con un valor aprox. de 6,674 × 10^–11 Nm²/kg².

Principio de conservación de la energía mecánica

La energía mecánica de un sistema permanece constante si las fuerzas que actúan sobre él son conservativas.

Se considera energía mecánica a la suma de la energía potencial y cinética. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo. La energía elástica también es considerada un tipo de energía potencial, sobretodo se aplica en el estudio de problemas de ingeniería y no de física.

Para sistemas formados por partículas que interactúan mediante fuerzas de tipo mecánico o mediante un campo conservativo la energía se mantiene constante a lo largo del tiempo.

𝐸𝑚𝑒𝑐=𝐸𝑐+𝐸𝑝=𝐾

Por otro lado, la energía mecánica no se conserva en aquellos sistemas de fuerzas no conservativas, como un sistema de partículas cargadas en movimiento, donde la energía mecánica se transforma en energía de campo electromagnético. El sistema de fuerzas no conservativas más frecuente en una ingeniería aeroespacial está formado por fuerzas disipativas como el rozamiento entre sólidos y fluidos, en este caso el aire. En dicho sistema, las fuerzas no se pueden consideras mecánicas ya que implican la conversión en energía calorífica.

La energía mecánica se transforma en calorífica, tratándose de un sistema no conservativo.

Gravedad y naves espaciales

Una vez vistos los conceptos básicos teóricos, veamos el funcionamiento de la navegación espacial. Cuando un cohete alcanza la velocidad de escape tiene suficiente energía para vencer la atracción de la gravedad y abandonar el planeta. Si no se alcanza esta velocidad, el cohete pasará a ser un satélite artificial en órbita elíptica al rededor de dicho astro o simplemente se estrellará contra el mismo al no tener energía suficiente. La potencia propulsora de de los cohetes de combustible líquido nos ha permitido alcanzar la velocidad de escape venciendo la fuerza gravitatoria terrestre y salir al espacio exterior o entrar en órbita.

Ilustración del razonamiento de Isaac Newton (16421727). Desde la Cima de una montaña, un cañón dispara proyectiles con cada vez más velocidad. Los proyectiles A y B caen en tierra. El proyectil C entra en órbita circular acoplándose a la curvatura de la Tierra y el D en órbita elíptica. El proyectil E se libera de la atracción terrestre. El dibujo muestra el cuerpo lanzado desde la cima de una montaña, pero el principio se aplica a cualquier plataforma de lanzamiento sea cual sea su localización.

El único modo de que un cuerpo venza la fuerza de atracción gravitatoria es confiriéndole velocidad. En astronáutica se consideran tres valores principales de velocidad:

donde: v= velocidad en km/s; R= radio de la Tierra; r= distancia al centro de la Tierra

La velocidad de escape que necesita un cuerpo depende de la energía potencial gravitatoria que deba superar el proyectil, porque a la hora de plantear el problema varía de un cuerpo celeste a otro.

Estas son las velocidades de escape aproximadas:

1.2. Propulsión sólida y líquida.

Los motores de cohete son de combustión interna, es decir que proporcionan un empuje mediante la expulsión a la atmósfera de gases que provienen de dicha combustión. La mayoría de los cohetes actuales operan con propulsores sólidos o líquidos. La palabra propulsor no significa simplemente combustible, sino la mezcla entre combustible y oxidante. El segundo reactivo, a diferencia de los aviones a reacción (Imagen 8), no se obtiene del aire circundante sino que los propios cohetes lo transportan en su depósito (Imagen 9- Oxidizer Tank) debido a que el cohete debe volar sobre todo en el vacío del Espacio, donde no hay oxígeno. Estos motores son los más potentes conocidos, y gracias a su relación peso/potencia son idóneos para naves espaciales. Ahora veremos tipos de motores y sus distintas prestaciones.

Propulsión Sólida

Los primeros cohetes eran de combustible sólido, tanto chinos, indios, mongoles como árabes los utilizaban ya en el siglo XIII en la guerra. Se usaron exclusivamente hasta el siglo XX, cuando los cohetes de propulsión líquida ofrecieron una alternativa más eficiente y controlable. Hoy en día se siguen utilizando en aplicaciones militares como misiles ya que pueden permanecer almacenados durante grandes periodos de tiempo y ser lanzados de forma fiable. Su rendimiento es menor que los de combustible líquido, por este motivo no se utilizan como sistema de propulsión primario en grandes vehículos de lanzamiento, sino como refuerzo para aumentar la capacidad de carga o como spin estabilizador en etapas que requieren mayor velocidad de la normal. El combustible y oxidante, normalmente poliuretano, un combustible plástico, con perclorato de amonio se mezclan conjuntamente en forma de un polvo sólido y compacto. Este polvo llamado grano, se acumula en la cámara de combustión adhiriéndose a las paredes, dejando un agujero cilíndrico en el centro. La ignición se lleva a cabo a través de un impulso eléctrico producido por un ignitor. Una vez iniciada la combustión, la quema del grano se produce de forma perpendicular a superficie de quemado. El diseño de la superficie o malla de propelente debe permitir el mayor área de combustión posible de acuerdo a la tabla de empuje-tiempo determinada.

Este concepto es ilustrado en la imagen, donde las líneas del contorno representan la forma del núcleo antes y en momentos sucesivos a la combustión. La curva de la gráfica empuje-tiempo cambia, con las líneas verticales correspondientes a los mismos instantes sucesivos durante el paso del tiempo. Se puede ver que el núcleo estrellado proporciona una combustión neutral, puesto que el área de superficie se mantiene constante a lo largo de la combustión. El hecho de que sea neutral provee de mayor eficacia a la creación del impulso total, de forma que la tobera opera eficientemente con una presión de cámara constante.

Cohetes Aceleradores Sólidos (transbordador espacial) o SRBs

Los cohetes aceleradores sólidos del transbordador espacial lo acompañan los dos primeros minutos de vuelo, hasta una altura aproximada de 45km. Están situados en extremos opuestos del tanque externo de combustible, normalmente de color naranja. Los SRBs proporcionan 1.485.000kg de fuerza al despegar cada uno, aproximadamente el 71,4% del empuje total. Hasta el año 2010 han sido los mayores cohetes de combustible sólido de la historia además de los primeros en ser usados como propulsión principal en misiones espaciales tripuladas. Tras alcanzar la altura máxima, caen al océano con ayuda de un paracaídas, de forma que puedan ser reutilizados una vez pulidos y recargados de combustible.

Los elementos primarios que forman los SRBs son el motor, que incluye la carcasa, propelente, carga de ignición y la boquilla, la estructura, los sistemas de separación, instrumental de vuelo, aviónica de recuperación, pirotecnia, sistema de desaceleración, control de empuje vectorial (TVC) y el sistema de destrucción de seguridad a distancia.

Cohetes Aceleradores Sólidos P238/241

Unidos a ambos lados del Ariane V, que profundizaremos en el siguiente apartado, se encuentran los cohetes de combustible sólido P241 o P238 (según la configuración), de 277 toneladas con el depósito lleno cada uno, y capaces de proporcionar 1100 toneladas de fuerza, aproximadamente el 92% del empuje total en el despegue. Tras 130s a una altura de 60km, unos dispositivos pirotécnicos separan los SRBs del módulo principal. A diferencia de los SRBs americanos, éstos no se recuperan tras su utilización a menos que se realice un análisis post-vuelo, dotándoles de paracaídas.

Cada acelerador de combustible sólido está compuesto de una carcasa de acero de 8mm de espesor capaz de soportar presiones de 64 bar, que contiene tres segmentos llenos de combustible unidos entre sí. El segmento del medio está provisto de 107,5 toneladas de propelente y el segmento inferior de otras 107 toneladas. El superior se carga con 23,5 toneladas de combustible en Italia, mientras que los dos segmentos restantes se llenan en el puerto espacial donde, además se juntan las tres partes y se ensamblan a la etapa criogénica principal en el puerto de lanzamiento. En la base de cada SRB se sitúa la tobera de 3,8m de largo y 3,1m de diámetro, capaz de modificar la dirección de empuje inclinándose hasta 7,3º.

Cohetes Aceleradores Sólidos H-IIA

El H-IIA es un lanzador japonés de dos etapas, capaz de colocar 10 toneladas en una órbita LEO (de baja altitud), 4 toneladas en una órbita geoestacionaria (GTO) o 2,5 toneladas en una misión interplanetaria. Este lanzador consta de cuatro versiones, dependiendo del número de aceleradores de combustible sólido que se acoplan a la primera etapa, constituida por el motor criogénico LEA7 de la misma categoría que el motor Vulcain del Ariane 5, que profundizaremos en el siguiente apartado de motores de combustible líquido. Los cohetes de combustible sólido SRB-A tienen una longitud de 15,1 m y un diámetro de 2,5 m, con una masa de 77 toneladas. Funcionan durante los primeros 56 s del vuelo y proporcionan un empuje de 2245 kN cada uno (comparados con los 6470 kN de los SRB del Ariane 5). queman una mezcla de polibutadieno compuesto.

Propulsión líquida

Los cohetes de combustible líquido llevan el combustible y oxidante en depósitos separados. Ambos se envían a través de una bomba a la cámara de combustión donde desarrollan el proceso químico al entrar en contacto, dando lugar a un potente flujo de partículas gaseosas. La combinación más empleada es la de hidrógeno líquido como combustible y oxígeno líquido como oxidante. Para que ambos compuestos se encuentren en estado líquido han de estar a temperatura criogénica, por lo que las operaciones de carga de los depósitos son sumamente complejas. Podemos encontrar más combinaciones combustible-oxidante, como la hidracina y el peróxido de nitrógeno, utilizados en los motores principales del transbordador espacial. También existen cohetes de combustión líquida que recurren al llamado monopropulsor, es decir, a un único compuesto químico que se hace pasar a través de un catalizador que los descompone en una mezcla gaseosa posteriormente quemada, como el peróxido de hidrógeno en contacto con un catalizador de platino.

A diferencia de los cohetes de propulsión sólida, el flujo de alimentación se puede interrumpir con una válvula, bloqueando la combustión. Este tipo de motor es el más utilizado en la exploración espacial debido a que logra un empuje mucho más alto que los de combustible sólido, alcanzando un 75% de utilización en la fabricación de cohetes. Estos motores pueden ser:

• Monopropelentes: constan de un solo componente puesto que el oxidante se añade previamente. Este tipo de mezclas, aparte de poseer un bajo poder calorífico, son peligrosos al tener probabilidad de que la combustión se desarrolle en el tanque de almacenamiento. Dependiendo de la moléculas de la mezcla hay tres tipos. Los catergoles son líquidos que contienen el combustible y oxidante en la misma molécula (p.e, peróxido de hidrógeno H₂0₂ o nitrometano CH₃NO₂); los monoergoles son líquidos compuestos por una disposición molecular inestable (p.e hidracina N₂₄H₄); aquellos compuestos cuya mezcla es sintética (p.e, nitrato de metilo mezclado con alcohol metílico CH₃ONO₂).

• Bipropelente: en ellos, los dos componentes se suministran de forma separada en la cámara de combustión, donde se mezclan en el caso de que no lo hagan en los inyectores. Estos se dividen en: hipergólicos o autoinflamables, que reaccionan nada más entrar en contacto sus compuestos; diergólicos o noautoinflamables, cuya combustión precisa de un ignitor para iniciarse.

Cohete Acelerador Líquido Saturno V

El Saturno V consta de tres fases compuestas por motores de combustible líquido:

• S-IC: La primera etapa estaba impulsada por cinco motores F1, uno de los motores más potentes jamás construidos, capaces de proporcionar 690.000 kg de fuerza cada uno. Se disponían cuatro en la parte exterior y uno en el medio, además, estaban dotados de un mecanismo hidráulico que proporcionaba estabilidad al cohete. El oxígeno líquido y el petróleo refinado se inyectaban a la cámara de combustión a través de una turbobomba, capaz de soportar temperaturas entre 816ºC de los gases de entrada y -184ºC a los que se encontraba el oxígeno líquido. Esta etapa consumía alrededor de 8000 litros de propelente por segundo a lo largo de 2,30 minutos y hasta una altura de 70km, alcanzando una velocidad de 1500m/s. (Imagen 19)

• S-II: La segunda etapa, constituida por cinco motores J2 propulsados por oxígeno e hidrógeno líquido, era capaz de generar una fuerza de 448.800kgf durante 6min hasta una altura de 174km. La disposición de los cinco motores es igual a los de la primera fase, pero su fabricación fue más complicada al querer reducir al máximo el peso. Como resultado se sustituyeron los dos depósitos de oxígeno e hidrógeno por un único compartimento separado en dos partes por una capa de aluminio y aislante térmico, puesto que las temperaturas a las que se encuentran el oxígeno e hidrógeno líquido no son iguales. Se consiguió reducir el peso 3.6 toneladas con esta mejora. (Imagen 20)

• S-IV B: La tercera fase del Saturno V está formada solamente por un motor J2 alimentado con el mismo combustible que la etapa anterior. Este motor fue programado para ser encendido dos veces, primero para entrar en órbita aproximadamente durante 165s y a continuación, con una duración de 335s para realizar la inyección translunar donde el módulo lunar es impulsado hacia la Luna con una fuerza de 102.000kgf, alcanzando una velocidad cercana a la de escape terrestre (11,2 km/s). Una vez alcanzada la órbita lunar y transcurridos 40 minutos, la tercera fase se separa de la carga útil para alunizar. (Imagen 21)

Las tres partes se ensamblaban en Cabo Cañaveral en el Vehicle Assembly Building. A causa del elevado peso de las etapas S-IC y S-II, se transportaron en barco desde California hasta Florida atravesando el Canal de Panamá. La tercera etapa se transportó en avión debido a su reducido tamaño.

Cohete Acelerador Líquido Atlas V

El cohete acelerador Atlas V ha sido lanzado 12 veces desde el 2002 hasta el 2011, cuya última misión fue enviar a Marte el robot de exploración Curiosity de la NASA. El cohete está formado por dos etapas:

• Motor principal RD-180: es una combinación de innovación y rendimiento, alimentado por oxígeno y queroseno líquido, desempeña 390 toneladas de fuerza en el despegue durante 5,2 minutos de forma continua. Está dotado de un sistema hidráulico capaz de cambiar la dirección de los motores, y por consiguiente del empuje. Hay misiones que requieren un empuje adicional al despegar. El Atlas V integra entre tres y cinco propulsores de combustible sólido que desempeñan 172.000 kgf cada uno durante 88 segundos.

• Etapa superior: esta etapa también llamada Centaur, está dotada del sistema de propulsión RL10 alimentado con hidrógeno líquido de alta energía junto oxígeno líquido, que proporciona 10.000kgf y cuenta con un sistema de control de precisión y capacidad de reinicio para colocar cargas útiles críticas en órbita.

Cohete Acelerador Líquido Delta IV

La familia de vehículos de lanzamiento Delta IV combina simplicidad de diseño, eficiencia de fabricación y aerodinámica para poner en órbita satélites actualmente y en el futuro. El sistema de lanzamiento Delta IV está constituido por cinco configuraciones distintas: el Delta IV medio (23), tres variantes del Delta Medio + (24) , y el Delta IV pesado (25). Cada configuración está dotada de un núcleo de refuerzo común, una etapa superior criogénica y, dependiendo de la carga útil, una cofia de 4 o 5 metros de diámetro.

• Motor principal: la capacidad y rentabilidad definen el motor principal Rs-68A, el más grande alimentado por hidrógeno y oxígeno líquido, que proporciona una fuerza de 320 toneladas durante 5,46 minutos. El RS - 68A es un motor criogénico de refuerzo que utiliza un ciclo básico generador de gas, que conduce las turbinas de dos turbobombas que se encargan de alimentar la cámara de combustión. Esta está dotada de un sistema de refrigeración básico, que consiste en un forro interior y exterior soldados a los separadores intermedios, creando un canal en el medio por el que pasa un flujo de hidrógeno que enfría la cámara, mientras la tobera utiliza ablativo de refrigeración a través de una capa ablativa que se quema lentamente durante su funcionamiento. Para aquellas misiones que requieren un empuje adicional en el despegue, las configuraciones Delta IV+ utilizan entre dos y cuatro motores de combustible sólido MER, que proporcionan 127 toneladas de fuerza cada uno durante 90 segundos. La separación se lleva a cabo mediante el inicio de unos propulsores de artillería, que se deshacen de los MER aplicando un empuje radial que los aleja de la primera etapa.

• Segunda etapa: al igual que el Atlas V, la segunda etapa del Delta IV está propulsada por un motor RL10 alimentado con oxígeno líquido e hidrógeno líquido de alta energía que proporciona 11 toneladas, cuya tobera de carbono es la más larga jamás construida. El procedimiento de arranque del motor RL10, al igual que el resto de misma combustión se logra mediante el uso de la diferencia de presión entre la alimentación de combustible y el vacío en la cámara, que obliga a que el combustible pase a través del sistema. A continuación la válvula de cierre de combustible se abre y permanece en esa posición para evitar que se cale la bomba LH2 del motor en el arranque. En las etapas iniciales de puesta en marcha, el calor del metal ambiente es suficiente para generar gas de hidrógeno para comenzar a conducir las turbobombas e iniciar el proceso de combustión en la cámara, el calentamiento de la cámara y la boquilla a los niveles operativos. Para el arranque, la válvula de control de Oxidante está parcialmente cerrada para asegurar una ignición rica en combustible, lo que limita presión de la cámara a fin de mantener una diferencia de presión en el sistema de combustible hasta que las turbobombas pueden acelerar. Cuando las bombas están en la velocidad de vuelo, la presión neumática se utiliza para cerrar la válvula de tiempo de reutilización de combustible y abrir la válvula de control de oxidante para conseguir las propiedades de descarga de la bomba LOX planificadas.

• El carenado, puede medir 5,2 /5,4m de diámetro y 14,3 metros de altura en el caso del Delta IV+ y 19,1m tratándose del Delta IV pesado.

Rendimiento de cada configuración

GTO: órbita geoestacionaria.

LEO: órbita de baja altitud.

Cohete Acelerador Líquido Ariane V

Al igual que la NASA, la ESA (Agencia Espacial Europea) tiene su propia lanzadera espacial, el Ariane 5, que consta de diferentes configuraciones según su misión. El cohete encargado de situar satélites de telecomunicaciones en órbitas geoestacionarias (GTO) es el Ariane 5 ECA, mientras que el Ariane 5 ES está dotado para enviar al ATV o módulo de acoplamiento europeo a la ISS (Estación Espacial Internacional).

Ariane 5 ECA Ariane 5 ES

La etapa criogénica principal del Ariane V lleva una carga propulsora de 132,27 toneladas de oxígeno líquido y 25,28 toneladas de hidrógeno líquido, para alimentar el motor principal Vulcain durante 10 minutos, proporcionando 142 toneladas de fuerza en el vacío. Esta etapa, una vez finalizada la misión regresa a la atmósfera para amerizar en el océano.

Cohete Acelerador Líquido Soyuz

El cohete acelerador líquido Soyuz se ha utilizado como lanzador de las naves tripuladas Soyuz y actualmente, se encarga de transportar la nave de suministro Progress hasta la Estación Espacial Internacional, además de lanzamientos comerciales. El cohete está compuesto por tres etapas:

 La primera etapa está formada por cuatro propulsores cónicos, los cuales incorporan cada uno su propio motor RD-108/118 alimentado por oxígeno líquido y queroseno junto helio y peróxido de hidrógeno, que a la vez formado por cuatro cámaras de combustión y un equipo de turbobombas. Dependiendo del modelo, la masa y empuje varía. En el caso del Soyuz estándar y Soyuz U, los motores de la primera etapa proporcionan un empuje de 813KN en el despegue, los motores del Soyuz ST proporcionan 838KN, y por último, tratándose del Soyuz FG dan lugar a 775KN

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 La tercera etapa está formada por dos variantes, el Bloque 1 está formada por un motor RD-0110 que proporciona 298KN, mientras que el Bloque-1 mejorado lo constituye un motor RD-0124 capaz de generar 294KN. Ambos motores están alimentados por oxígeno líquido y queroseno. La tercera etapa se separa de la segunda a los 282 segundos del despegue, y su combustión dura aproximadamente 240 segundos.

1.3. Propulsión Iónica

La propulsión iónica es la más avanzada y eficiente de todas en el espacio, actualmente se puede usar este tipo de energía en misiones de larga duración a otros planetas asegurando una duración mínima de cinco años. A medida que se vayan mejorando los motores iónicos las naves serás capaces de ir más rápido y lejos. Este tipo de propulsión consiste en un haz de iones (moléculas o átomos con carga eléctrica) que se expulsan a mucha velocidad por una boquilla. Se rocía una cámara con xenón mientras un cañón de cátodos similar al de las televisiones dispara electrones (-) contra los átomos de xenón (+), creando un plasma de iones negativos y positivos. Los iones positivos se dispersan en la parte inferior de la cámara donde las rejillas del acelerador altamente cargadas captan los iones y los expulsan fuera del motor, creando un empuje. La energía necesaria para este proceso se obtiene a través de los paneles solares o por un generador termoeléctrico de radioisótopos,

es decir, una batería nuclear. Este tipo de propulsión proporciona una empuje de 0,5 newton, comparado con los cientos de miles que originan los propulsores químicos. Entonces, ¿qué es lo que hace a estos motores tan interesantes?. Su rendimiento es más de diez veces mayor que el resto de propulsores, poniéndolos a la cabeza de los viajes de larga duración, donde el rendimiento es el factor más importante. En las condiciones espaciales de ingravidez son capaces de alcanzar velocidades inalcanzables por otros motores, aunque debido a su mínimo empuje requiere más de 10.000 horas (417 días) para conseguir la velocidad necesaria para alcanzar el cinturón de asteroides, a 250 millones de kilómetros. La velocidad máxima alcanzada hasta ahora es de 321.000km/h.

Desde 1964 hasta la fecha se han puesto en marcha un total de ocho misiones con propulsor iónico. La sonda Dawn fue lanzada el 27 de Septiembre de 2007 para explorar el asteroide Vesta, que llegó en 2011. Un año más tarde partió del asteroide para dirigirse a su nuevo objetivo, el planeta enano Ceres. Su llegada se produjo el 6 de marzo de este año tras un viaje de 4900 millones de kilómetros. La sonda se encargará de estudiar el planeta y los distintos cuerpos del Cinturón de Asteroides para obtener información acerca de los primeros tiempos de la formación del Sistema Solar.

1.4. Control de vuelo

La construcción de un motor cohete eficiente es sólo una parte del problema para que un cohete sea estable. Para que su trayectoria no sea errática su dirección tiene que ser suave y estable, de lo contrario caería o cambiaría de dirección.

Hacer que un cohete sea estable requiere algún tipo de sistema de control, ya sea pasivo o activo como veremos más adelante. La materia, dependiendo de su tamaño, masa o forma tiene un punto interior llamado centro de masas (CM), es importante para el vuelo de un cohete debido a que es alrededor de este punto donde un cohete inestable cae. El hecho es que cualquier objeto en vuelo tiende a caer. El centro de gravedad es el punto exacto donde toda la masa del objeto está equilibrada. El acto de girar o volteo es una forma de estabilizar el vuelo. Un disco volador va donde uno quiere sólo si lo lanzas con un giro deliberado. Si consigues lanzar un disco volador sin hacerlo girar, verás que el disco volador vuela en una trayectoria errática y está muy por debajo de su marca. En vuelo, girar o voltear se lleva a cabo alrededor de uno, dos o tres ejes. Se les llama balance, cabeceo (pitch) y guiñada (yaw). El punto donde estos tres ejes se cruzan es el centro de masas. Los ejes de cabeceo y guiñada son los más importantes, ya que cualquier movimiento en cualquiera de estas dos direcciones puede hacer que el cohete se salga de su curso.

El eje del balanceo es el menos importante puesto que su movimiento no afecta a la trayectoria de vuelo. De hecho, ayuda a estabilizar el cohete.

Movimientos inestables sobre los ejes de cabeceo y guiñada harán que el cohete deje el curso previsto. Para evitar esto, se necesita un sistema de control para minimizar estos movimientos. Además de centro de masa, hay otro centro importante dentro del cohete que afecta a su vuelo. Este es el centro de presión (CP). El centro de presión existe sólo cuando el aire está fluyendo en torno al cohete en movimiento. Este flujo de aire, frotando y empujando contra la superficie exterior del cohete, puede causar que empiece a moverse alrededor de uno de sus tres ejes. Si pensamos por un momento en una veleta formada por un palo y situada en un tejado, sirve para indicar la dirección del viento. La flecha está unida a una varilla vertical que actúa como un punto de pivote. La flecha está equilibrada para que el centro de masa esté justo en el punto de giro. Cuando sopla el viento la cabeza de la flecha apunta en la dirección que lleva el viento. La razón de esto es que la cola de la flecha tiene un área de superficie mucho más grande que la punta de flecha. El aire que fluye imparte mayor fuerza a la cola de la cabeza, y por lo tanto la cola se aparta. Hay un punto en la flecha donde el área superficial es el mismo en un lado como del otro. Este lugar se llama el centro de presión. El centro de presión no está en el mismo lugar que el centro de masa. Si lo fuera, entonces ninguno de los extremos de la flecha se ve favorecida por el viento y la flecha no apuntaría. El centro de presión se encuentra entre el centro de masa y el extremo de cola de la flecha. Esto significa que el extremo de la cola tiene más superficie que el extremo de la cabeza.

Es extremadamente importante que el centro de presión en un cohete se encuentre hacia la cola y el centro de masas hacia la punta superior. Si están en el mismo lugar o muy cerca unos de otros, entonces el cohete será inestable en vuelo. El cohete entonces girará alrededor del centro de masa en los ejes de cabeceo y guiñada, produciendo una situación peligrosa. Con el centro de presión ubicado en el lugar correcto, el cohete se mantendrá estable.

Los sistemas de control de los cohetes están destinados a mantener un cohete estable en vuelo y para dirigirlo. Los cohetes pequeños por lo general sólo requieren un sistema de control de estabilización, mientras que los cohetes grandes requieren un sistema que no sólo estabiliza el cohete, sino que también le permiten cambiar de rumbo durante el vuelo. Los controles de cohetes pueden ser activos o pasivos.

Los controles pasivos son dispositivos que mantienen al cohete estabilizado con su presencia fija en el exterior. Los controles activos pueden moverse mientras que el cohete está en vuelo para estabilizar y dirigir la nave. El más simple de todos los controles pasivos es un palo. Las flechas incendiarias chinas eran un simple cohete montado en el extremo de un palo. El palo mantiene el centro de presión detrás del centro de masa. A pesar de esto, las flechas incendiarias eran notoriamente inexactas.

Una mejora importante en la cohetería vino con la sustitución de los palos por grupos de aletas ligeras montadas alrededor del extremo inferior cerca de la boquilla. Las aletas podrían ser de materiales ligeros, dándole a los cohetes una apariencia de dardo. La gran superficie de las aletas mantiene fácilmente el centro de presión detrás del centro de masa.

Con el inicio de la cohetería moderna en el siglo XX , se 37 buscaron nuevas formas de mejorar la estabilidad del cohete y al mismo tiempo reducir el peso total. La respuesta a esto fue el desarrollo de controles activos. Sistemas de control activos incluyen paletas, aletas móviles, bulos, boquillas angulares, cohetes vernier, inyección de combustible y cohetes de control de actitud. Las aletas de inclinación y canards son bastante similares entre sí en apariencia, la única diferencia real entre ellos es su ubicación. Los Canards están montados en el extremo frontal del cohete mientras que las aletas de inclinación se encuentran en la parte trasera. En vuelo, ambos se inclinan como timones para desviar el flujo de aire y hacer que el cohete cambie de rumbo. Los sensores de movimiento en el cohete detectan cambios de dirección no planificados , y las correcciones se pueden hacer por una ligera inclinación de las aletas y canards. La ventaja de estos dos dispositivos es el tamaño y peso. Son más pequeños y más ligeros y producen menos resistencia que las aletas grandes.

Otros sistemas de control activos pueden eliminar aletas y 38 canards completos. Al inclinar el ángulo en el que el gas de escape sale del motor se producen cambios de rumbo durante el vuelo. Se pueden utilizar diferentes técnicas para cambiar la dirección de escape. Los vanes son pequeños dispositivos parecidos a un aspa que se sitúan en el flujo de gases expulsados por el motor. La inclinación de las aspas desvían los gases de escape, y por acciónreacción el cohete responde señalando el camino opuesto. Otro método para cambiar la dirección de escape es inclinando la tobera en cualquier dirección, normalmente hasta 7,5º al rededor de los 360º de movilidad.

Este proceso influye en la dirección del cohete a medida que los gases pasan a través de la tobera. Por la inclinación de la misma en la dirección correcta , el cohete responde cambiando curso.

Los cohetes Vernier también se puede utilizar para cambiar de dirección. Estos son pequeños cohetes montados en el exterior de la gran motor. Cuando es necesario un cambio de rumbo, éstos se encienden variando la dirección del cohete.

En el espacio, solamente haciendo girar el cohete lo largo del eje de rodillo o con controles activos que implican el escape del motor del cohete se puede cambiar su dirección o simplemente estabilizarlo.

Sin aire, las aletas y canards no influyen en el cohete. Los tipos más comunes de control activo utilizado en el espacio son los cohetes de control de actitud. Se trata de pequeños grupos de motores que se montan en todo el vehículo. Al disparar la combinación correcta de estos pequeños cohetes el vehículo puede girar en cualquier dirección.

Hay otro factor importante que afecta el rendimiento de un cohete. La masa puede marcar la diferencia entre un vuelo exitoso y una misión fallida. Como principio básico de vuelo del cohete, el motor tiene que producir más empuje que el peso del cohete. El peso es igual a la masa del cohete por la aceleración de la gravedad. Es obvio que un cohete con una gran cantidad de masa innecesaria no será tan eficiente como uno que se recorta a sólo lo esencial. Para un cohete ideal, la masa total del vehículo se debe distribuir según esta proporción: 91% deben ser los propulsores, 3% los tanques, aletas, motores, etc. Y por último la carga útil (satélites, naves tripuladas, astronautas...) debe pesar el 6% del total. Para determinar la eficacia del diseño se habla de fracción de masa (masa de los propulsores entre el total de la masa del cohete). La fracción de masa ideal es de 0,91. Varía según la misión, por ejemplo la MF del Space Shuttle era de 0,82.

Los cohetes grandes, capaces de llevar una nave hasta el 39

Espacio tienen graves problemas de peso. Para llegar al Espacio y alcanzar velocidades orbitales adecuadas, se necesita una gran cantidad de propelente; por lo tanto, los tanques, motores, y el hardware asociado se hacen más grandes. Hasta cierto punto, los cohetes más grandes vuelan más lejos que los cohetes más pequeños, pero cuando llegan a ser demasiado grandes sus estructuras les pesan demasiado, y la fracción de masa se reduce a un número imposible. Una solución al problema de los cohetes gigantes que pesan en exceso es adjuntar pequeños cohetes a la cima de los grandes. Cuando se agotan, la carcasa de éstos se desprenden de la etapa principal. Hoy en día esta técnica de la construcción de un cohete se llama estadificación.

Historia de la propulsión espacial

Gracias a más de mil de años de investigación y desarrollo tanto de cohetes como

2.1. Armas propulsadas históricas

Un arma de fuego es un dispositivo que propulsa uno o varios proyectiles mediante la presión generada por la combustión de un propelente. Desde el siglo XI d.C ya se conocía, especialmente en China mezclas pirotécnicas de salitre, carbón y azufre. Dos siglos más tarde estas mezclas se utilizaron en armas de bambú, a la vez que la pólvora y el conocimiento de su empleo llegaba a Europa a través de científicos árabes. El empleo de las armas de fuego aumentó considerablemente en la segunda mitad del siglo XIV, cuando se desarrollaron armas personales portátiles. Al principio las armas de fuego eran poco fiables e inseguras, pero han ido evolucionando hasta alcanzar un nivel de utilidad y practicidad que las han convertido en uno de los medios para herir, asesinar o cazar más eficaces.

Entre 1766 y 1769 la Primera Guerra AngloMysore, disputada entre la Compañía Británica de las Indias Orientales y el Reino Mysore fue el primer conflicto armado que se desencadenó en la India. A lo largo de esta guerra las tropas de Tipu Sultán atacaban a las tropas inglesas con cohetes de largo alcance (para la época), construidos con una carcasa de hierro e introducidos en cañas de bambú. El sultán Tipu y su padre Hyder organizaron 24 brigadas Cushoon, compuestas cada una por 200 coheteros encargados de bombardear hasta que se saturaran las tropas británicas.

Sr William Congreve, miembro de la Cámara de los Lores, estaba a cargo del armamento nacional británico. Su padre, fue el que inició varios proyectos para mejorar la pólvora británica tras su poca eficacia durante la Guerra de los Siete Años, modernizó el procedimiento de extracción de los elementos que componen la pólvora y desarrolló dos nuevos tipos , uno para mosquetes y otro para cañones más pesados.

Congreve copió el diseño del cilindro de hierro relleno de pólvora añadiéndole una cabeza cónica. Para que el cohete no describiese un comportamiento errático, como se explica en el apartado de control de vuelo, le añadió al cuerpo cilíndrico una guía de madera. La ojiva estaba rellena entre 450g y 11kg de explosivos o cargas incendiarias. Estos cohetes eran capaces de atinar su objetivo a un máximo de 3km, pudiendo variar la distancia manipulando la estructura de lanzamiento, que se trataba simplemente de un caballete en forma de A.

Con todas las mejoras implementadas en estos siglos, se apreciaba el poder de esta artillería durante los conflictos bélicos. En las guerras napoleónicas se equiparon con nueva artillería grandes navíos de la armada británica. Entre principios de 1806 y 1807 se bombardearon ciudades como Boulogne-Sur-Mer y Copenhague con el nuevo armamento, provocando miles de muertes de soldados y civiles. En 1812 Estados Unidos declaró la guerra a los británicos, fracasando ante el poder de sus nuevos cohetes en la batalla de Blandesburg. Los años siguientes el Imperio Británico atacó con cohetes Congreve en Baltimore, y contra los maoríes en Nueva Zelanda al- rededor de 1850. La siguiente mejora la incorporó William Hale, que eliminó la guía y consiguió que éstos girasen sobre un eje para mejorar su alcance y puntería. El ejército estadounidense no incorporó oficialmente los cohetes Congreve

hasta 1867, tras haberlos utilizado en la guerra contra México entre 1846 y 1848.

Tras las guerras napoleónicas apareció el obús, un arma semejante al cañón pero que permitía un tiro indirecto, ya que era capaz de inclinarse hasta 45º y acertar en objetivos ocultos tras muros, etc. Junto al obús, se comenzó a rayar el ánima (parte interior del cañón) de algunas piezas para mejorar su precisión. A pesar de ser más precisos, los cañones de bronce rayados tenían una vida útil muy corta debido al desgaste y presión, por lo que se empezaron a poner en práctica cañones de hierro fundido con doble capa interior para soportar dichas condiciones sin acortar su tiempo de utilidad. El alcance de estos cañones no superaba los 4km, por lo que se incorporó

munición cilíndrica para mejorar su alcance.

En el siglo XIX, gracias a las técnicas de fundición del acero modernas, la artillería experimenta una revolución en la que los tubos rayados pasan a ser de acero, la base deja la madera por nuevas varas de acero laminado más resistentes. Los cañones empezaron a recargarse por detrás gracias al desarrollo de un nuevo cierre. La munición aparece encapsulada junto con su carga en un único elemento. Todos estos avances supusieron un aumento de distancia a la hora de disparar, alcanzando los 10km.

Unos años más tarde, en 1897 se añadió un sistema hidráulico compuesto por resortes de acero y

líquido, cuyo objetivo principal era absorber la fuerza de retroceso del cañón. Esta innovación, denominada freno de artillería se incorporó al resto de armamento. El tiro indirecto se generalizó mediante mapas topográficos gracias a la mejora del control de tiro, en el que intervenían unos observadores que tenían el objetivo a la vista y proporcionaban información por radio al mando de artillería. Todas las armas terrestres pasan a ser cañón-obús, capaces de disparar de 0º a 90º de inclinación. La artillería naval continúa empleando el cañón tradicional, pero aumentando su calibre y potencia hasta 460mm en la Segunda Guerra Mundial, donde el acorazado Yamato (nunca mejor dicho) era capaz de mandar un proyectil de una tonelada a 40km de distancia.

En la Primera Guerra Mundial se llevaron a cabo bombardeos de artillería a más de 20km de distancia, e incluso a ciudades al rededor de los 100km con cañones especiales que tenía los fustes montados sobre vías de ferrocarril. Se desarrolló la munición explosiva, de fragmentación e incendiaria, que dotaban de una potencia de fuego jamás vista anteriormente.

En periodo de entreguerras aparecen nuevos tipos de artillería, destacando los cañones antiaéreos, cuya munición estaba dotada de una espoleta de tiempo que se encargaba de detonar el proyectil a una altura determinada, de forma que si no impacta en el objetivo por lo menos causa daños graves al explotar en su proximidad. Otro cañón destacable es el antitanque, que disparaba proyectiles a una velocidad muy alta para atravesar el blindaje. Un ejemplo es el cañón antiaéreo/antitanque alemán de 80mm, ya sea montado en tanques o en una plataforma, que destruyó miles de aviones y tanques durante la Segunda Guerra Mundial. Los alemanes y los soviéticos diseñaron artillería de asalto compuesta por cañones montados sobre vehículos oruga blindados, que se encargaban de acompañar a la infantería y a los carros. Otro cañón que se perfeccionó durante la Primera Guerra Mundial fue el mortero, compuesto por un tubo ligero sobre una placa y sujeto por un bípode. Era fácil de mover, siendo útil para el apoyo a la infantería.

En la Segunda Guerra Mundial apareció la artillería de cohetes. Éstos carecían de sistema guiado tras su lanzamiento, por lo que se utilizaban como arma de saturación, arrasando con cabezas de alto explosivo o incendiarias una zona determinada. Para ello se situaban los cohetes en un sistema de guiado mediante raíles o tubos sobre una plataforma móvil, con la que se apuntaba el área objetivo y mediante un sistema eléctrico se disparaban todos a la vez. Dentro de estos cohetes destaca el katyusha soviético, disparado desde un camión y que se sigue utilizando hoy en día en una versión más moderna que incorpora un sistema de guiado tras el lanzamiento (misiles).

Tras la guerra, Estados Unidos y la URSS recopilaron diseños alemanes, con los que construyeron el cohete R-7 en los años 50. En 1957 los rusos, por primera vez, pusieron en órbita el satélite artificial Sputnik con un misil capaz de llegar hasta América. Este suceso aceleró la carrera para obtener un misil intercontinental balístico (ICBM). Ese mismo año los americanos desarrollaron su primera lanzadera espacial Atlas, comenzando la carrera espacial contra la Unión Soviética. Los ICBM soviéticos R-7 y R-9, y los estadounidenses Atlas y Titan-1 utilizaban como combustible propergoles criogénicos, dificultando su almacenamiento ya que dicho combustible solo puede almacenarse cortos periodos de tiempo. La siguiente mejora fue sustituir dicho combustible por uno sólido hipergólico (profundizado en combustibles sólidos), que habilitaba los misiles para ser almacenados a temperatura ambiente largos periodos de tiempo. Durante la carrera espacial de la Guerra Fría los ICBM fueron el comienzo de los sistemas de lanzamiento de los ingenieros espaciales. De hecho, muchos de ellos se siguen utilizando actualmente para situar satélites en órbita, con diferentes combustibles y sistemas electrónicos de navegación más modernos.

2.2.

La carrera espacial a la Luna de EEUU y la Unión Soviética

Tras el lanzamiento del Sputnik 1 comenzó la carrera espacial. Un mes más tarde los soviéticos colocaron al primer ser vivo en órbita, la perra Laika, que murió por estrés y a causa de las altas temperaturas tras llegar al espacio. Esto se percibió en todo el mundo como un ensayo para enviar un hombre al espacio. Tres años más tarde, las perras rusas Belka y Strelka orbitaron la Tierra y regresaron satisfactoriamente. Por parte americana, enviaron a dos chimpancés al espacio antes de enviar al primer ser humano.

A los cuatro meses del lanzamiento del Sputnik 1 y tras varios despegues desastrosos, Estados Unidos situó por primera vez un satélite artificial en el Espacio, el Explorer 1, lanzado por un cohete Juno 1 desde Cabo Cañaveral. Tanto el Explorer 1 como el Sputnik 1 tenían un fin científico, el cual, en el primer caso era estudiar el cinturón de radiación de Van Allens, y el segundo estudiar la densidad de la atmósfera superior. Para reducir la supremacía de los soviéticos en la carrera espacial, los americanos crearon la Administración Nacional Aeronáutica del Espacio, conocida como la NASA, formada por 8000 científicos y técnicos. Los estadounidenses comenzaron el programa Pioneer, cuyo objetivo era enviar una sonda a la Luna. Por otra parte, los soviéticos con su programa Luna, enviaron la sonda Luna 1 el 4 de enero de 1959 con éxito. A parte del programa Pioneer, los americanos llevaban a cabo los programas Ranger, Lunar Orbiter y el programa robótico Surveyor cuyo objetivo era buscar lugares de alunizaje para el programa posterior Apolo.

En 1959 los soviéticos fotografiaron la cara oculta de la Luna con el satélite artificial Luna 3. Dos años más tarde, el 12 de Abril de 1961 conmocionaron al mundo entero. Yuri Gagarin, a bordo de la nave Vostok consiguió por primera vez en la historia entrar en órbita y volver satisfactoriamente.

Tras este acontecimiento, el presidente Kennedy prometió que antes de que terminara esa década, los americanos llevarían un hombre a la Luna y de forma que vuelva sano y salvo. 23 días después de la hazaña soviética, Alan Shepard a bordo de la cápsula Mercury realizó una misión suborbital, proclamándose el primer americano en el espacio.

Este hecho lo precedió John Glenn, alcanzando el nivel soviético de realizar una misión orbital. En 1963 Valentina Tereshkova a bordo de la nave Vostok 6, pilotada por Valeri Bikovsky se convirtió en la primera mujer en visitar el cosmos. Tras esta misión se sustituyeron las cosmonaves Vostok por Soyuz y Voskhod, aunque su modelo se sigue empleando en satélites artificiales, como el Fotón.

El primer paseo espacial lo llevó a cabo el cosmonauta Alexei Leonov, a bordo de la Voskhod 2, lanzada por la URSS en 1965. La misión estuvo a punto de fracasar puesto que el cosmonauta era incapaz de meterse en la cápsula ya que el traje espacial se había dilatado en exceso. Finalmente lo consiguió, pero a la hora de aterrizar se desvió más de 1600km de su objetivo, pudiendo acabar en desastre. Korolev, el diseñador jefe de la Agencia Espacial Rusa, anunció sus naves Soyuz y el motor de lanzamiento N-1, con capacidad suficiente para alunizar. A causa de los numerosos fracasos en lanzamientos y la muerte de Korolev, los planes de alunizaje sufrieron grandes retrasos y por último, su cancelación. Mientras tanto los americanos, diseñaron el plan que les llevaría a la Luna mediante acoplamientos en órbita. Estos acoplamientos se ensayaron entre las naves Gemini 6, 7 y 8. El primer alunizaje lo consiguió la sonda no tripulada Lunik 9, que se encargó de fotografiar panorámicamente la superficie lunar durante 3 días.

1967 fue el año más oscuro de la carrera espacial, en el que Virgil Grissom, Edward White y Roger Chaffee murieron a causa de un incendio durante una prueba en tierra, y por parte soviética Vladimir Komarov murió tras un aterrizaje accidentado. Tras el siniestro, los americanos rediseñaron la nave Apolo, con nuevas medidas de seguridad. Una vez realizados todos estos cambios, la nave Apolo 8 despegó el 21 de diciembre de 1968. Su tripulación fue la primera en conseguir alcanzar la velocidad parabólica (11,2km/s). Frank Borman, Jim Lovell y Bill Anders fueron los primeros seres humanos que vieron la cara oculta de la Luna con sus propios ojos. Esta misión fue el primer lanzamiento del Saturno V.

Un año más tarde el Apolo 9 se encargó de probar el módulo lunar, poco después el Apolo 10 realizó una misión parecida a la anterior pero situando el módulo lunar en una órbita próxima a la Luna.

10 años después del lanzamiento del Sputnik 1, un 16 de Julio 55 de 1969, el Apolo 11 tenía como objetivo pisar la superficie lunar por primera vez. Como era de esperar se utilizó el cohete acelerador líquido más grande de la historia, el Saturno V, que llevaría a Neil A. Armstrong, Michael Collins y Edwin E(Buzz) Aldrin a la Luna.

Todas la fases de lanzamiento e inserción en órbita terrestre funcionaron correctamente. En el periodo que estuvieron orbitando la Tierra se realizaron comprobaciones de que todo funcionara correctamente tras el lanzamiento. En la segunda órbita al planeta llega el momento en el que hay que trasladarse a una órbita translunar (Tierra-Luna). Una vez que se llegó a dicha órbita, el motor J2 de la tercera etapa del Saturno V acelera la nave hasta una velocidad de 39800km/h, con la que viajaría durante 66h hasta alcanzar su objetivo.

Durante el viaje de ida y vuelta la nave tiene que ir girando poco a poco sobre su eje longitudinal de forma que no se caliente en exceso una zona a causa de los rayos solares. A las 6:17 del día 17 se corrigió la trayectoria para incorporarse a una órbita híbrida, que favorece la entrada en órbita lunar con el mínimo gasto de combustible. 23 horas más tarde, la nave Apolo alcanzó su velocidad mínima (3280km/h).

Entró en la esfera de influencia del campo gravitatorio lunar, aumentado su velocidad de forma progresiva. Cuando se situó en el antípodo (extremo opuesto de un cuerpo celeste), sin poder comunicarse, el módulo de servicio encendió su motor durante seis minutos hasta situarse en una órbita elíptica, para pasar a una circular a continuación, con un periodo orbital de 2h. El día 20, a las 19:46 desde el módulo lunar Buzz Aldrin y Armstrong se separaron del módulo de servicio. Tras un descenso balístico (sin motor de descenso encendido) y una alarma de saturación del ordenador de a bordo consiguieron alunizar el módulo lunar de forma manual.

6 horas después de alunizar Armstrong abrió la escotilla del módulo lunar y salió de ella agachado pues no medía más de un metro de alto. Al incorporarse sobre la plataforma elevadora contempló la hermosa vista a 3m de altura y montó una polea para subir muestras lunares. Mientras bajaba los peldaños de esta plataforma tiró de una anilla que hizo que el compartimento de las herramientas se abriera, con una cámara de video 59 en directo incorporada, que inmortalizó la escena para la historia. Sus primeras palabras mientras bajaba la escalerilla fueron “Estoy al pie de la escalerilla. Las patas de aterrizaje sólo se hunden en el suelo 1 o 2 centímetros, aunque de cerca la superficie parece muy, muy finamente granulada. Casi como polvo. Muy fina”. Cuando dio el primer paso sobre la Luna formuló la famosa frase de “Un

pequeño paso para un hombre, un gran salto para la Humanidad ”

Diez minutos más tarde Buzz Aldrin bajó del módulo lunar. Una anécdota de la misión fue cuando Aldrin se propuso batir el record de salto en la Luna, cayendo sobre la mochila (obviamente sin querer) y dejando al control de Tierra paralizados al creer que habían perdido a su astronauta, que finalmente resultó ileso. El resto del tiempo se dedicaron a colocar una placa conmemorativa con la firma de los tres astronautas y el presidente Nixon, una bandera americana y a recoger muestras de suelo lunar, 21kg de materiales concretamente.

A la hora de volver a la Tierra, el circuito de encendido del motor de ascenso tenía un interruptor roto, de forma que con un bolígrafo consiguieron ponerlo en marcha haciendo contacto entre la punta de metal del mismo y el circuito. A las 3,5h del despegue se encontraron con el módulo de servicio, y 20h después, en el antípodo lunar se encendió el motor para entrar en una órbita transterrestre, retomando tras un largo periodo las comunicaciones con Houston.

A los 14 minutos de la reentrada, el módulo de servicio se separa del módulo de mando para entrar en la atmósfera. 20 minutos después se abrió el paracaídas que ralentizó la cápsula hasta 30km/h, amerizando en el Océano Pacífico.

Al Apolo 11 lo sucedieron las misiones Apolo 12,13 (sin éxito),14,15,16, y 17.

2.3. Sondas NASA y ESA del espacio profundo

La exploración espacial es peligrosa, por ello se emplean sondas automáticas que, no solo son menos costosas, sino que ofrecen siempre mejores resultados científicos que las misiones tripuladas. Estas sondas no tripuladas se encargan de explorar mundos inhóspitos y permitir a los científicos que adquieran información sobre un lugar de forma segura, antes de que los humanos lo hagan por sí mismos. En los 50 años de Era espacial se han lanzado más de cien sondas para explorar el Sistema Solar, comenzando por la Lunik 2 soviética en 1959. Desde entonces se ha llegado cada vez más lejos, impactando en Venus en 1965, Marte en 1971, el asteroide Eros en 2001 y Titán en el 2005, junto una serie de misiones orbitales alrededor de los planetas más cercanos como Venus, Marte, Júpiter o Saturno. La primera sonda en visitar los planetas exteriores fue la sonda automatizada Pioneer 10, que sobrevoló Júpiter en 1973. Pioneer 11 visitó Saturno en 1979 y poco después las sondas Voyager 1 y Voyager 2 visitaron los dos planetas anteriores entre 1979 y 1981. Ambas sondas se encuentran actualmente más allá de la órbita de Plutón, superando la heliopausa (límite del Sistema Solar). Una misión bastante actual y ya descrita en el apartado de propulsión iónica es la sonda New Horizons de la NASA, lanzada en 2007 y que hace menos de 2 años alcanzó el asteroide Ceres. Actualmente, las sondas más importantes que se encuentran activas explorando el Sistema Solar son:

• Amanecer: es una sonda japonesa que estudiará el planeta Venus complementando la información obtenida por la sonda europea Venus Express, siendo la vigésimo cuarta nave científica del Instituto de Ciencia del Espacio y Astronáutica (ISAS), y la agencia espacial japonesa (JAXA). La nave tiene un peso total de 480 kilogramos, de los cuales 34 kilogramos corresponden a los instrumentos científicos. Su tamaño es de 1,6 x 1,6 x 1,25 metros con dos paneles solares con una superficie total de 2,8 metros cuadrados que proporcionan 1.200 vatios en la cercanía de Venus.

• Cassini: La misión de la sonda Cassini es el estudio del planeta Saturno, su sistema de anillos y sus satélites. En el lanzamiento iba acompañada de la sonda de descenso europea Huygens que aterrizó posteriormente en Titán, el mayor satélite del planeta y el más interesante desde el punto de vista científico y biológico de todo el Sistema Solar. Este proyecto es fruto de la cooperación entre la agencia espacial norteamericana NASA y la agencia espacial europea ESA y es el mayor proyecto jamás emprendido por ambas agencias. Las naves fueron las mejor equipadas y preparadas de todas las lanzadas hasta la fecha de lanzamiento y se diseñaron y construyeron para disminuir al mínimo las posibilidades de fallos de componentes. El número de piezas mecánicas es mínimo y la mayoría han sido sustituidas por elementos fijos y que no requieran mecanismos, dado que son los que mayores fallos presentan.

Su peso en el lanzamiento era de 5.600 kg. de los cuales 2.500kg corresponden a la nave en sí y el resto es combustible. Sus dimensiones son 6,8 metros de altura y 4 metros de ancho. Para la propulsión posee dos motores de 450N de empuje cada uno.

• Mars Express: El objetivo principal de la misión era la búsqueda de agua en el subsuelo de Marte desde la órbita y restos de la vida desde la superficie, puesto que posee siete instrumentos científicos para ayudar a localizar agua, junto la sonda de descenso Beagle 2 que trabajaría desde la superficie. Las dimensiones totales de la nave son de 1,5x1,8x1,4 metros y su peso total con el Beagle 2 y el combustible incluido no llegan a los 1,100 kg. La electricidad la proveen dos paneles solares con una superficie de 11 m2. Durante el recorrido se hicieron ajustes a la órbita con unas pequeñas toberas que posee la sonda a su alrededor y el motor principal, que es capaz de desarrollar una fuerza de 400N y posee dos tanques con 267 litros de propelente impulsados por helio.

• Messenger: es la séptima misión del programa Discovery de la NASA y su objetivo es el planeta Mercurio. Para disminuir velocidad, primero sobrevoló la Tierra, realizó dos sobrevuelos sobre el planeta Venus, para dirigirse más tarde a su destino. Una vez allí, ha sobrevolado dos veces el planeta Mercurio, y entró en órbita alrededor del planeta más cercano al sol en marzo de 2011. El primer viaje de la NASA a Mercurio en 30 años comenzó el 2 de agosto del 2004 con el lanzamiento de la sonda Messenger desde Cabo Cañaveral. La sonda Messenger realizará un estudio en profundidad del vecino más cercano al Sol y el menos explorado de los cuerpos ‘terrestres’ que incluyen además a la

Tierra, Venus y Marte. El programa incluye tres sobrevuelos de Mercurio en los años 2008 y 2009 así como un año en órbita alrededor del planeta a partir de marzo de 2.011 (Nota de Sondas: en realidad estaba previsto que llegase antes al planeta pero los aplazamientos de varios meses en el desarrollo de la misión han causado un retraso de varios años en la llegada final).

• SOHO (Solar Heliospheric Observatory): es un proyecto de colaboración internacional entre ESA y NASA para estudiar el Sol desde su núcleo profundo de la corona exterior y el viento solar. SOHO fue lanzado el 2 de diciembre 1995. Los doce instrumentos a bordo fueron proporcionadas por científicos europeos y americanos. Continúa en funcionamiento tras más de quince años en el espacio. Actualmente es la fuente principal de datos del Sol en tiempo real, tan necesarios para la predicción del tiempo espacial. Se encuentra en la vecindad del punto L1, uno de los famosos Puntos de Lagrange. Dicho punto se define como aquel en que la gravedad de la tierra contrarresta la del sol, por lo que una sonda en dicho lugar quedaría en equilibrio dinámico, por tanto la órbita será mucho más estable. Dicha estabilidad se consigue exactamente en el punto L1, pero en realidad SOHO orbita alrededor del punto L1 cada once meses, para favorecer las comunicaciones.

2.4. La construcción de la Estación Espacial Internacional y la colaboración tecnológica entre potencias.

La Estación Espacial Internacional nació en el programa espacial "Freedom" desarrollado por EEUU. En 1984 el presidente Ronald Reagan estableció oficialmente la intención de desarrollar una estación orbital permanente, que después se conocería como Estación Espacial Freedom. Se invitó a fuerzas como Canadá, Europa y Japón a unirse a este proyecto y los acuerdos llegaron con la Agencia Espacial Canadiense (CSA) y la Agencia Espacial Europea (ESA) en septiembre de 1988, y con el gobierno de Japón (GOJ) en marzo de 1989. Sin embargo, en respuesta a sucesivas restricciones presupuestarias y protestas sobre una estructura administrativa inmanejable, la administración de la presidencia y el administrador de la NASA Dan Goldin pidieron un rediseño de la estación en un plazo comprendido entre primavera y verano de 1993. Se desarrollaron tres alternativas para el programa espacial, de las cuales fue escogida la primera, bautizada por Clinton como Estación Alfa, una versión simplificada del proyecto Freedom. Esta opción se convirtió posteriormente, en la Estación Espacial Internacional (ISS).

En septiembre de 1993, se construyó un plan de desarrollo del programa (PIP) pensado para la nueva ISS. El PIP fue coordinado con el acuerdo de todas las partes comprometidas en aquel momento. Sobre este plan, la NASA alcanzó una resolución con el gobierno y el congreso de los EEUU, por el cual, la ISS sería desarrollada con un presupuesto de $2.1 billones por año, hasta un total de $17.4 billones. Por su parte, la NASA se comprometió a que el proyecto se desarrollaría con los $2.1 billones anuales, sin necesidad de presupuestos adicionales que pudieran surgir. A cambio, el programa no sufriría otros posibles rediseños. La administración y el congreso aceptaron.

Mientras tanto las negociaciones entre los gobiernos de EE.UU. y Rusia continuaron sobre el tema de la cooperación, una vez superado el final de la guerra fría. En el proceso de esta negociación se sugirió la participación por parte de Rusia en el programa de la estación espacial. El 6 de diciembre de 1993 se formuló una invitación oficial a Rusia para participar como un miembro más en el proyecto espacial y, poco más tarde, Rusia aceptó la invitación conjunta de Japón, Europa y Canadá. Con el propósito de supervisar estos acuerdos, la agencia norteamericana formó una nueva oficina para este nuevo programa, situada en el Centro Espacial Johnson. Actualmente en el proyecto de la ISS trabajan 16 países: EEUU, Canadá, Rusia, Japón, Italia, Bélgica, Holanda, Dinamarca, Noruega, Francia, España, Alemania, Gran Bretaña, Suecia, Suiza y Brasil. El 20 de noviembre de 1998, un cohete ruso Protón colocó en órbita el primer módulo de la futura ISS, el módulo ruso Zarya, diseñado para dotar a la Estación de la energía y propulsión iniciales. Poco después se le unió el Nodo 1 (Unity). Otros módulos vinieron después y la primera tripulación permanente llegó en el año 2000. Actualmente es un centro de investigación en la órbita terrestre, cuya administración, gestión y desarrollo está a cargo de la cooperación internacional.

El proyecto funciona como una estación espacial permanentemente tripulada, en la que rotan equipos de astronautas e investigadores de las cinco agencias del espacio participantes: la NASA, la Agencia Espacial Federal Rusa, la Agencia Japonesa de Exploración Espacial, la Agencia Espacial Canadiense y la Agencia Espacial Europea (ESA). Está considerada como uno de los logros más grandes de la ingeniería.

Ideas de futuro en la propulsión espacial en los próximos 100 años.

Hace algo más de un siglo, volar era para los humanos un sueño imposible. Un día, en 1903 los hermanos Wright emprendieron el vuelo, abriendo una nueva era en la historia de la humanidad. Esta parte del trabajo es, como dice el resumen: conceptos futuristas y puede que un poco disparatados, pero que sirven para abrir la mente y poner nuevas metas y objetivos a la tecnología espacial.

 Navegación solar: este tipo de propulsión espacial fue introducido por el conocido astrofísico y divulgador científico Carl Edward Sagan (1934 - 1996). Se trata de un método alternativo a los motores, puesto que la energía se obtiene de una fuente externa como es el Sol. Dependiendo de la malla que despliega puede ser fotónica o de plasma. En el primer caso, la vela solar está formada por una láminas reflectantes muy ligeras, que aprovechan la presión producida por la radiación solar. En el segundo caso la malla crea un campo magnético que intercepta el plasma del viento solar, obteniendo un impulso.

Como es lógico, este tipo de propulsión solo sirve una vez en el espacio, por lo que requiere un cohete de combustible líquido para superar el campo gravitatorio terrestre, por no hablar de su mínimo empuje, menor incluso que los motores iónicos. El campo de la propulsión solar está en fase de desarrollo, actualmente se han enviado algunas sondas en fase de pruebas como el pequeño satélite LightSail. Pero algún día poseeremos un propulsor capaz de llevarnos más allá de nuestra propia estrella, con energía ilimitada y aceleración hasta la velocidad de la luz prácticamente, sin alcanzarla (respetando la teoría de la relatividad).

 Motor de curvatura: este tipo de motor, teóricamente es capaz de propulsar una nave a más velocidad que la luz (3x10^8 km/s). Esta propulsión está basada en la creación de ondas gravitacionales lo suficientemente grandes como para impulsar una nave. La única forma de crear dichas fluctuaciones producidas en la curvatura del espacio-tiempo es a partir de un núcleo de curvatura, basado en una reacción energética entre materia y antimateria capaz de provocar una distorsión espaciotemporal. La reacción se controla mediante los denominados cristales de dilitio, además de estar rodeada de un campo magnético que permite contener la antimateria y evitar las reacciones con la materia de la nave. Este concepto lo podemos encontrar en Star Trek, donde la tripulación del ISS Enterprise viaja más rápido que la luz y recorre el Universo en busca de civilizaciones desconocidas. Sin duda, si tuviéramos capacidad tecnológica para construir un motor de esta complejidad , nuestro radio de exploración aumentaría considerablemente al recorrer tanta distancia en un periodo de vida humano. Desde mi punto de vista esta teoría es fascinante, capaz de hacerte creer que Star Trek es posible hoy en día, pero no deja de ser eso, ciencia ficción.

Un artículo publicado por la revista Physical Review D en el que entrevistan a físicos de CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) desmiente la viabilidad de este tipo de motores:

"Los autores calcularon cómo se comportan las fluctuaciones cuánticas en ambos horizontes cuando la burbuja se acerca a la barrera de la luz, y han hallado dos efectos que impiden el viaje. En ambos casos, el escollo se encuentra en el vacío del Universo. Según la teoría cuántica, en este estado la energía no es equivalente a cero, sino que de forma constante nacen y se aniquilan parejas de partículas tan rápido que resulta imposible detectar su presencia, y por ello se conocen como partículas virtuales. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, como una fuerte distorsión del espacio tiempo, esas partículas pasan a ser reales. Esto es lo que ocurre en ambos horizontes de la burbuja ideada por Alcubierre, con consecuencias negativas.

En el horizonte negro, el astronauta se toparía con la radiación de Hawking, enunciada por Stephen Hawking en 1974. Se trata de un efecto conocido en los agujeros negros debido a la creación y destrucción de parejas de partículas: el enorme campo gravitatorio del agujero negro puede romper el par y absorber una de las partículas, mientras que la otra escapa. Así se produce un resplandor que procede del horizonte y que, en el caso de la burbuja, depende del grosor de la pared: una pared fina, más fácil de obtener en teoría, presentaría temperaturas muy altas que podrían destruir la nave que viajara en su interior.

Pero, aunque pudieran construirse paredes tan gruesas que la temperatura producida por la radiación de Hawking no fuera un obstáculo, el horizonte blanco supone un impedimento insalvable, según la investigación. La contracción del espacio tiempo en la parte delantera produciría igualmente la ruptura de pares de partículas, con la diferencia de que irían amontonándose en la pared. “Este fenómeno provocaría un crecimiento exponencial de energía incontrolable, y hace inconsistente la construcción porque tiende a autodestruirse”, apunta Barceló. “O inventamos una manera de contrapesar esa energía con una energía inversa, lo cual parece inverosímil, o simplemente hay que admitir que no podemos superar la velocidad de la luz por razonables periodos de tiempo”, añade el investigador del CSIC.

Otra opción consiste en no atravesar la barrera de la luz, de modo que no se produjeran horizontes, ni radiación de Hawking, ni altas temperaturas. Como los autores señalan al final del artículo, “quizá viajar al 99% de la velocidad de la luz no esté tan mal, después de todo”.

Physical Review D. Fuente: CSIC

Construcción de un motor cohete casero de combustión química.

MATERIALES EMPLEADOS

• Tubo de PVC o cartón de 1,5mm de grosor como mínimo

• Arcilla

• Nitrato de potasio (KNO₃)

• Azúcar ( C₁₂H₂₂0₁₁)

• Cable de cargador de móvil

• Una batería o pilas de amperaje superior a 500mA

• Cerillas

• Cinta adhesiva

• Listones y tablas de madera/contrachapado

• Tirafondos de tamaño relativo, dependiendo de las tablas y del tamaño de la plataforma de pruebas.  Cola de montaje

OPTIMIZACIÓN DE LA MEZCLA DE COMBUSTIBLE

El combustible empleado, tanto por su potencial energético como por su fácil obtención, está compuesto de nitrato de potasio (KNO₃) y azúcar (C₁₂H₂₂O₁₁). La proporción idónea entre ambos compuestos es de 60% Kno₃ y 40% azúcar.

Para facilitar la reacción de combustión se molerán ambos compuestos hasta el punto de que la parte superior se escape levemente en forma de polvo muy fino. Gracias a este proceso la superficie de reacción aumenta, favoreciendo la combustión.

Una vez introducidos ambos en un recipiente (respetando la proporción ideal), podremos meter en el motor directamente el combustible en forma de polvo, o cocinarlo lentamente durante 10 minutos aproximadamente hasta que pase a ser una mezcla líquida de color marrón (proceso de caramelizado del azúcar).

Dato importante: Cocinar a fuego lento, evitar a toda costa que se inicie la reacción en casa. Cuanto más se caramelice la mezcla peor será la reacción.

48 KNO₃ + 5 C₁₂H₂₂O₁₁ = 36 CO₂ + 55 H₂O + 24 K₂CO₃ + 24 N₂

La mezcla sin cocinar da lugar a una reacción instantánea, que en un motor de 22cm (15 de combustible) dura aproximadamente 22s, de los cuales el empuje máximo se mantiene desde el segundo 2 hasta el 7, y que baja progresivamente hasta terminar.

La mezcla caramelizada da lugar a una combustión de lenta ignición. Son necesarios más de 4s para que el empuje alcance su máximo, con una duración estable de 10s pero de menos fuerza que el anterior. La reacción dura aproximadamente 37s.

PROCESO DE FABRICACIÓN

Conclusión

Cualquier conjunto de elementos capaz de crear un empuje para desplazarse hacia delante es de un sistema de propulsión. La fabricación de sistemas espaciales constituye uno de los campos tecnológicos más complejos que existen.

Los cohetes son el único medio capaz de llevarnos más allá de la atmósfera terrestre, creando inmensas cantidades de energía a cambio de toneladas y toneladas de combustible. Para construirlos necesitamos en muchos casos llevar la tecnología al límite, de forma que soporte cantidades desorbitadas de empuje durante largos periodos de tiempo, con la resistencia necesaria para aguantar temperaturas extremas y grandes vibraciones.

El principio físico de los motores, ya sea en el Espacio o en la atmósfera consiste en expulsar gas a altas velocidades y en consecuencia, obtener un empuje en el sentido opuesto ( tercera ley de Newton). Dicho gas se obtiene gracias a la reacción de combustión que se produce entre el combustible y oxidante. En el caso de los cohetes de combustible sólido ambos componentes se encuentran mezclados en estado sólido y su reacción se produce en el propio depósito de combustible, mientras que en los líquidos tanto combustible como oxidante están dispuestos en tanques separados, de forma que la reacción se produce en una cámara entre las turbobombas y la tobera. Este tipo de propulsión es imprescindible para escapar del campo gravitatorio terrestre, pero una vez superado, ¿es necesario transportar tanta masa para alcanzar cuerpos celestes lejanos?, la respuesta es no. En los últimos treinta años se han desarrollado nuevos tipos de propulsión basados en propiedades electromagnéticas como los motores iónicos o los solares, capaces de alcanzar velocidades superiores a 30km/s partiendo de un empuje mínimo.

La industria espacial es tan apasionante como cara, tanto que por causas económicas nuestra mayor hazaña sigue en la Luna, esperando a ser superada. El día que se valore desde el colegio el espíritu pionero que poseemos como humanos, no solo aumentará el número de ingenieros y científicos, sino que todos los que se dediquen a la política potenciaran económicamente aquellos proyectos que nos definen como especie, aquellos que nos hagan llegar más lejos y superar nuestras propias barreras. Y como dice Cooper...

"We've always defined ourselves by the ability to overcome the impossible. And we count these moments. These moments when we dare to aim higher, to break barriers, to reach for the stars, to make the unknown known. We count these moments as our proudest achievements. But we lost all that. Or perhaps we've just forgotten that we are still pioneers. And we've barely begun. And that our greatest accomplishments cannot be behind us, because our destiny lies above us."

Interestellar (película de Cristopher Nolan)