El cohete

Principios de cohetes

Un cohete en su forma más simple es una cámara que contiene un gas bajo presión. Una pequeña abertura en un extremo de la cámara permite que escape el gas y, al hacerlo, proporciona un empuje que impulsa el cohete en la dirección opuesta. Un buen ejemplo de esto es un globo. El aire dentro de un globo es comprimido por las paredes de goma del globo. El aire empuja hacia atrás para que las fuerzas de cada lado estén equilibradas. Cuando se suelta la boquilla, el aire escapa a través de ella y el globo es propulsado en la dirección opuesta.

Con los cohetes espaciales, el gas se produce quemando propulsores que pueden ser sólidos o líquidos o una combinación de ambos.

Primera Ley de Newton

La primera ley de Newton se puede expresar como:

Un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo y un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él.

Esta ley de movimiento es solo una declaración obvia de hecho, pero para saber lo que significa, es necesario comprender los términos reposo, movimiento y fuerza desequilibrada.

Si un objeto, como un cohete, está en reposo, las fuerzas sobre él están equilibradas. Se necesita una fuerza adicional para desequilibrar las fuerzas y hacer que el objeto se mueva. Si el objeto ya se está moviendo, se necesita una fuerza tan desequilibrada para detenerlo, cambiar su dirección de una trayectoria en línea recta o alterar su velocidad.

En el vuelo de un cohete, las fuerzas se equilibran y desequilibran todo el tiempo. Un cohete en la plataforma de lanzamiento está balanceado. La superficie de la plataforma empuja el cohete hacia arriba mientras que la gravedad intenta tirar de él hacia abajo. A medida que se encienden los motores, el empuje del cohete desequilibra las fuerzas y el cohete se desplaza hacia arriba. Más tarde, cuando el cohete se queda sin combustible, reduce la velocidad, se detiene en el punto más alto de su vuelo y luego vuelve a caer a la Tierra.

Segunda Ley de Newton

Esta ley de movimiento es esencialmente un enunciado de una ecuación matemática. Las tres partes de la ecuación son masa (m), aceleración (a) y fuerza (f). Usando letras para simbolizar cada parte, la ecuación se puede escribir de la siguiente manera:

F = ma

Apliquemos este principio a un cohete. La presión creada por la explosión controlada que tiene lugar dentro de los motores del cohete es una fuerza llamada empuje. Esa presión acelera el gas en un sentido y el cohete en el otro.

El empuje del cohete continúa mientras sus motores estén encendidos. Debido a que el propulsor se quema, la masa del cohete cambia durante el vuelo. Su masa es la suma de todas sus partes. Las partes de cohetes incluyen motores, carga útil, sistema de control, tanques de propulsores y propulsores. Con mucho, la mayor parte de la masa del cohete son sus propulsores. Pero esta masa cambia constantemente a medida que los motores se encienden, ya que los motores expulsan el combustible usado en la columna de escape. Por lo tanto, la masa del cohete es más pequeña durante el vuelo. Para que el lado izquierdo de nuestra ecuación permanezca en equilibrio con el lado derecho, la aceleración del cohete debe aumentar a medida que disminuye su masa. Es por eso que un cohete comienza a moverse lentamente y va cada vez más rápido a medida que sube al espacio.

La segunda ley de movimiento de Newton es especialmente útil cuando se diseñan cohetes eficientes. Para que un cohete ascienda a la órbita terrestre baja, debe alcanzar una velocidad superior a los 28.000 km por hora. Una velocidad de más de 40.250 km por hora, llamada velocidad de escape, permite que un cohete deje la Tierra y viaje al espacio profundo. Alcanzar velocidades de vuelo espacial requiere que el motor del cohete logre el mayor empuje posible en el menor tiempo. En otras palabras, el motor debe quemar una gran masa de combustible y empujar el gas resultante fuera del motor lo más rápido posible.

La segunda ley del movimiento de Newton se puede reformular de la siguiente manera: cuanto mayor sea la masa de combustible del cohete quemada y cuanto más rápido pueda escapar el gas producido del motor, mayor será el empuje hacia arriba del cohete.

Tercera Ley de Newton

La tercera ley de Newton se puede expresar como:

Cada acción tiene una reacción igual y opuesta.

Si alguna vez ha bajado de un bote pequeño que no ha sido amarrado correctamente a un muelle, sabrá exactamente lo que significa esta ley. ¡El barco avanza, tú retrocedes!

Un cohete puede despegar de una plataforma de lanzamiento solo cuando expulsa gas de su motor. El cohete empuja el gas, y el gas a su vez empuja el cohete. En los cohetes, la acción es expulsar gas del motor. La reacción es el movimiento del cohete en la dirección opuesta. Para permitir que un cohete despegue de la plataforma de lanzamiento, la acción o empuje del motor debe ser mayor que la masa del cohete. En el espacio, sin embargo, incluso pequeños empujes harán que el cohete cambie de dirección.

Uniendo las leyes del movimiento

Se debe ejercer una fuerza desequilibrada para que un cohete despegue de una plataforma de lanzamiento o para que una nave en el espacio cambie de velocidad o dirección (primera ley). La cantidad de empuje (fuerza) producida por un motor de cohete estará determinada por la masa de combustible del cohete que se quema y la rapidez con que el gas escapa del cohete (segunda ley). La reacción, o movimiento, del cohete es igual y en dirección opuesta a la acción, o empuje, del motor (tercera ley).

Motores de cohetes y sus propulsores

La mayoría de los cohetes actuales funcionan con propulsores sólidos o líquidos. La palabra propulsor no significa simplemente combustible, como se podría pensar; significa tanto combustible como comburente. El combustible es el químico que queman los cohetes, pero para que se produzca la quema, debe estar presente un oxidante (oxígeno). Los motores a reacción atraen oxígeno a sus motores del aire circundante. Los cohetes no tienen el lujo que tienen los aviones a reacción; deben llevar oxígeno con ellos al espacio, donde no hay aire.

Los propulsores sólidos para cohetes, que están secos al tacto, contienen tanto el combustible como el oxidante combinados en el producto químico mismo. Por lo general, el combustible es una mezcla de compuestos de hidrógeno y carbono y el comburente está formado por compuestos de oxígeno. Los propulsores líquidos, que a menudo son gases que se han enfriado hasta que se condensan en líquidos, se mantienen en recipientes separados: uno para el combustible y otro para el comburente. Luego, cuando el motor se enciende, el combustible y el oxidante se mezclan en el motor.

Otros motores de cohetes utilizan propulsores líquidos. Este es un motor mucho más complicado, ya que requieren válvulas y bombas sofisticadas para manejar el flujo de combustible. También requieren cámaras de mezcla especiales y líneas de alimentación de propulsor. Los propulsores líquidos, que a menudo son gases que se han enfriado hasta que se condensan en líquidos, se mantienen en recipientes separados: uno para el combustible y otro para el comburente. Luego, cuando el motor se enciende, el combustible y el oxidante se mezclan en el motor.

El combustible de un cohete de propulsante líquido suele ser queroseno o hidrógeno líquido; el oxidante suele ser oxígeno líquido. Se combinan dentro de una cavidad llamada cámara de combustión. Aquí los propulsores se queman y acumulan altas temperaturas y presiones, y el gas en expansión escapa a través de la boquilla en el extremo inferior. Para obtener la máxima potencia de los propulsores, deben mezclarse lo más completamente posible. Pequeños inyectores (boquillas) en el techo de la cámara rocían y mezclan los propulsores al mismo tiempo. Debido a que la cámara opera bajo altas presiones, los propulsores deben ser forzados al interior. Las potentes y livianas bombas de turbina entre los tanques de combustible y las cámaras de combustión se encargan de este trabajo.

Con cualquier cohete, y especialmente con cohetes de combustible líquido, el peso es un factor importante. En general, cuanto más pesado es el cohete, más empuje se necesita para despegar. Debido a las bombas y líneas de combustible, los motores líquidos son mucho más pesados ​​que los motores sólidos.

Los cohetes híbridos combinan elementos de ambos tipos de cohetes. En un cohete híbrido, un oxidante gaseoso o líquido se almacena en un tanque separado del grano de combustible sólido. El principal beneficio de los cohetes sólidos sobre los cohetes híbridos (y también los sistemas líquidos) es su simplicidad. En los sistemas híbridos, entonces, parece que una mayor complejidad es el precio que se paga por un mejor rendimiento. Sin embargo, tenga en cuenta que el rendimiento de estos cohetes rivaliza con el de los sistemas líquidos. Además, tenga en cuenta que los sistemas de cohetes híbridos requieren soporte para un solo sistema de fluidos, incluidos tanques, válvulas, reguladores, etc. En otras palabras, aunque los cohetes híbridos son más complejos que los sistemas sólidos, se comparan en rendimiento con los sistemas líquidos y requieren solo la mitad de la plomería Esto reduce enormemente el peso y el costo general del sistema, al tiempo que aumenta su confiabilidad (habrá menos piezas que puedan fallar). Los sistemas de cohetes híbridos también son más seguros de producir y almacenar, pueden ser más seguros desde el punto de vista ecológico con la elección adecuada del propulsor y el grano combustible, al ser inerte, es más fuerte que los granos propulsores sólidos fabricados (para cohetes sólidos) y, por lo tanto, es más confiable.

Masa

La masa de un cohete puede marcar la diferencia entre un vuelo exitoso y simplemente revolcarse en la plataforma de lanzamiento. Como principio básico del vuelo de un cohete, se puede decir que para que un cohete despegue del suelo, el motor debe producir un empuje mayor que la masa total del vehículo. Es obvio que un cohete con mucha masa innecesaria no será tan eficiente como uno que se reduce a lo esencial. Para un cohete típico, la masa total del vehículo podría distribuirse de la siguiente manera:

De la masa total, el 90 por ciento son los propulsores; el 6 por ciento es la estructura (tanques, motores, aletas, etc.); y el 4 por ciento puede ser la carga útil.

Las cargas útiles pueden ser satélites, astronautas o naves espaciales que viajarán a la luna oa los planetas.

Al determinar la efectividad del diseño de un cohete, los ingenieros hablan en términos de fracción de masa (MF). La masa de los propulsores del cohete dividida por la masa total del cohete da la fracción de masa:

MF = (Masa de propelentes)/(Masa total)

La fracción de masa del cohete típico dado arriba es 0.80. A partir de la fórmula de la fracción de masa, uno podría pensar que un MF de 1,0 es perfecto, pero entonces todo el cohete no sería más que un trozo de propelente que simplemente se encendería en una bola de fuego. Cuanto mayor sea el número MF, menos carga útil puede transportar el cohete; cuanto menor sea el número MF, menor será su rango. Un número MF de 0,80 es un buen equilibrio entre la capacidad de transporte de carga útil y el alcance. El transbordador espacial tiene un MF de aproximadamente 0,82. El MF varía entre los diferentes orbitadores de la flota del transbordador espacial y con los diferentes pesos de carga útil de cada misión.

Actividades e Investigación

Contribución de Elizabeth Walker, MIT

1. Construye un modelo de cohete y lánzalo en un campo cercano.

2. Diseña y construye un dispositivo para medir la altitud de tu cohete.

3. Investiga un satélite o una nave espacial interplanetaria. ¿Qué tipo de vehículos de lanzamiento se utilizaron para lanzarlo? ¿Cuál era su misión? ¿Cuánto tiempo operó? ¿Qué información nos proporcionó?

Problemas

Contribución de Elizabeth Walker, MIT

1. Explique la diferencia entre el funcionamiento de un motor a reacción, como el descrito en Teoría del vuelo, y un motor de cohete. ¿Por qué no usamos motores a reacción en los cohetes?

2. Usando lo que sabes sobre fuerzas, explica si el cohete en las siguientes situaciones está balanceado o desbalanceado. Si está desequilibrada, describe qué fuerza es mayor que las otras. Usa un diagrama de cuerpo libre para ayudarte. a. Cohete durante el lanzamiento. b. Cohete durante el reingreso. C. Cohete en órbita a velocidad constante. d. Cohete acelerando en órbita. mi. Un módulo de excursión lunar (LEM) sentado en la luna.

3. ¿Por qué no usamos alerones, timones y elevadores para controlar la dirección del vuelo en el espacio?

4. Usando lo que has aprendido sobre Fracción de masa (MF), describe las características de los cohetes con los siguientes MF. ¿Volarán? Si es así, ¿cuánta carga útil pueden llevar? ¿En qué tipo de misiones se pueden utilizar? una.

a. 0.0

b. 0,27

c. 0,49

d. 0,77

e. 0,96