FUNCIONAMIENTO

¿Cómo funciona un Cohete Espacial?

Como sabemos un cohete está formado por una estructura con un motor de propulsión que es a reacción y a su vez tiene una carga útil, esa estructura es útil para proteger los tanques y la carga útil.

El funcionamiento del cohete se basa específicamente en un motor que usualmente es de propulsión a reacción así como obedeciendo la tercera ley de Newton de Acción y Reacción.

Solo tenemos que imaginar a una cámara cerrada donde exista la combustión de un gas y esta cámara no se moverá a ningún lado ni ninguna dirección porque las fuerzas en las paredes se anulan.

Ahora bien si se le hace a una abertura a la cámara, pueden ocurrir una serie de cosas, como por ejemplo que se le escapen los gases debido a la presión que se ejerce en la paredes sin producir fuerza.

Pero en ese caso, la presión es ejercida en la parte superior de la cámara, esta ocasionara un empuje pues no hay presión en la parte posterior, es decir, en el lado de abajo donde se encuentra abertura.

El funcionamiento del cohete está basado en un principio esencial en física, el de “acción y reacción” formulado por Newton en su tercera ley del movimiento:

“Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza igual pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo”.

Una forma más sencilla de expresar esta 3ª ley es “para cada acción existe una reacción igual y contraria” siempre y cuando el cuerpo esté en equilibrio. Esta forma de explicarlo puede inducir a confusiones ya que se puede pensar que primero existe una acción y después una reacción como consecuencia de aquella. Sin embargo la realidad es que se trata de una interacción mutua y simultánea.

Los motores cohete son esenciales en el desarrollo espacial ya que impulsan a los vehículos espaciales en las diferentes etapas de una misión. Existen muchos tipos de motores cohete, cada uno con características especiales que los hacen adecuados para distintas aplicaciones, por lo que es importante conocerlos. En esta ocasión estudiaremos los diferentes tipos de motores, así como su principio general de operación para entender su utilidad y sus distintas aplicaciones.

Principio de operación de los motores cohete

Los motores cohete son un tipo de motores a reacción. Los motores a reacción operan a partir del principio de la conservación del momentum lineal: que dice que en ausencia de fuerzas externas, en un sistema cerrado, la cantidad de movimiento o momentum del sistema es invariable, es decir que se conserva. En un instante dado, el momentum de un sistema es un vector que consiste en la suma vectorial de los momenta individuales de cada una de las partículas que lo conforman. Para el caso más elemental, el momentum de una partícula es el vector que resulta del producto de su masa por su velocidad. Así, el momentum tiene tanto magnitud como dirección.

                                              

Figura 1. Definición de momentum lineal de una partícula

Un motor a reacción es un sistema que expulsa masa - y por lo tanto momentum- por un lado y que, debido al principio de la conservación del momentum, se mueve en sentido opuesto. Por ejemplo, imaginemos una lancha en medio de un lago y que arrojamos objetos hacia fuera de la lancha: por el principio de conservación del momentum, la lancha se moverá en la dirección opuesta a los objetos que lanzamos.

Existen diferentes tipos de motores a reacción, hay algunos que emplean la materia del entorno a la cual le inyectan energía para impulsarse, como en el caso de la turbina de un avión. En ésta, el aire del entorno se emplea además como oxidante y al mezclarse con un combustible provoca una reacción química que genera energía térmica que acelera los productos de la combustión. Estos productos en forma de gases calientes se arrojan al exterior para proporcionar empuje.

El motor cohete se caracteriza por no usar materia del entorno para conseguir empuje, por lo que lleva su propio propelente. Llamaremos propelente a la sustancia que se expulsa al exterior de un motor cohete y que imparte momentum en la dirección opuesta. Dependiendo del tipo de cohete, el propelente puede ser, por ejemplo, una gas como el CO2 que almacenado a presión, se libera para proporcionar empuje. También son propelentes los gases acelerados producto de la combustión entre un combustible y un oxidante, y un haz de iones acelerado por un campo eléctrico. De esta manera, de acuerdo al tipo de propelente, los cohetes pueden ser químicos cuando usan la energía de una reacción química para impartir momentum a los productos de la reacción, o eléctricos cuando usan iones acelerados por un campo eléctrico.También se han propuesto los cohetes nucleares que expulsan un fluído al que le imparte energía térmica un reactor nuclear. Cada uno de estos tipos de cohetes tiene ventajas y desventajas, las cuales definen las condiciones donde es mejor emplearlos.

Hasta la fecha los cohetes químicos son los únicos que pueden proporcionar de manera práctica las cantidades de empuje que se necesitan para salir del campo de gravedad de la Tierra. En contraste, la propulsión eléctrica proporciona cantidades muy pequeñas de empuje pero tiene otras ventajas que la hacen apropiada para la realización de maniobras espaciales.

Cohetes químicos

En los cohetes químicos se realiza un reacción química en una cámara de combustión que libera energía térmica muy rápidamente y genera gases a temperaturas y presiones muy altas. Estos gases son entonces acelerados por una tobera y son expulsados a gran velocidad para producir el cambio de momentum que impulsa al cohete.

La reacción química puede ser realizada por una sola sustancia que se descompone al pasar por una catalizador, o bien al combinar por lo menos un par de sustancias, -un oxidante y un combustible-, las cuales, al reaccionar químicamente liberan la energía que acelera al producto de la reacción. En el primer caso se dice que el cohete es monopropelente, en el segundo, cuando reaccionan dos sustancias, el cohete se llama bipropelente. En principio pueden existir motores cohete que combinen más de dos sustancias para proporcionar la energía que se requiere para generar empuje.

De acuerdo al estado físico de las sustancias que se emplean para realizar la reacción química en la cámara de combustión de un cohete químico, los cohetes pueden ser de propelente sólido, de propelente líquido, o híbridos.

Cohetes de propelente sólido

Los cohetes de propelente sólido utilizan una mezcla de oxidante y combustible en estado sólido. La mezcla es generalmente estable a temperatura ambiente hasta que es encendida por un aumento rápido de temperatura como el proporcionado por una chispa o una llama; en ese momento la mezcla entra en combustión y libera la energía que expulsa los gases que imparten momentum al cohete.

                                                       

Figura 3. Diagrama esquemático de un cohete de propelente sólido

Son cohetes de propelente sólido los que usan en las ferias y emplean pólvora como propelente. Para las aplicaciones espaciales, se han desarrollado muchos tipos de propelentes sólidos y cada uno de ellos tiene sus ventajas en cuanto a costo, facilidad de manejo, desempeño, etc.

Los cohetes de propelente sólido tienen la ventaja de su simplicidad, ya que el compartimiento donde se almacenan funciona como cámara de combustión. Sin embargo tienen la desventaja de que una vez que se encienden no pueden ser apagados, por lo que se usan una sola vez. Es por esto que la aplicación principal de los cohetes de propelente sólido es funcionar como impulsores para lanzar cargas desde la superficie de la Tierra. Los impulsores de propelente sólido generalmente proporcionan empujes muy grandes y funcionan como cohetes auxiliares en los lanzadores en coordinación con cohetes de propelente líquido.

Una ventaja adicional de los cohetes de propelente sólido es que pueden permanecer cargados de propelente por largos periodos, ya que, en general, éste no se degrada con el tiempo. Esto los hace muy atractivos para aplicaciones como funcionar como misiles en aplicaciones militares.

Cohetes de propelente líquido

Los cohetes de propelente líquido emplean un oxidante y un combustible en estado líquido que al combinarse en la cámara de combustión liberan la energía para impulsar al cohete. Estos cohetes son más complejos que los cohetes de combustible sólido ya que requieren de sistemas de almacenamiento separados para el combustible y el oxidante. Asimismo requieren de tuberías, válvulas, bombas, inyectores y sistemas de encendido, entre otras cosas; sin embargo, tienen la ventaja de que pueden ser encendidos y apagados múltiples veces y se puede regular la rapidez con la que expulsa el propelente, lo cual los hace controlables y les da mucha versatilidad para la realización de maniobras espaciales.

Un ejemplo de un cohete de propelente líquido es el cohete alemán V2 utilizado en la Segunda Guerra Mundial como se nota en la figura siguiente.

                                            

Figura 4.  Componentes principales de un cohete V2 de combustible líquido utilizado en la Segunda Guerra Mundial.

El cohete V2 utilizaba alcohol etílico (etanol) como combustible y oxígeno líquido (LOX) como oxidante. Al combinarse los líquidos en una cámara de combustión se genera una reacción que libera grandes cantidades de energía y produce empuje. El V2 empleaba a su vez una turbobomba impulsada por la energía liberada por los gases provenientes de la descomposición de peróxido de hidrógeno, para conducir el oxígeno líquido y el etanol a la cámara de combustión. Asimismo, el etanol cumplía con la función adicional de enfriar la cámara de combustión al hacerlo circular alrededor de la tobera del cohete, previo a su ingreso a la cámara de combustión.

Una desventaja adicional de los cohetes de propelente líquido respecto a los de propelente sólido, particularmente los que utilizan sustancias criogénicas como el oxígeno líquido, es su manejo, ya que los líquidos criogénicos, al estar a temperaturas muy bajas, se evaporan con facilidad si los recipientes que los contienen están en contacto con un ambiente a temperatura más alta como el que existe en la Tierra. Esto hace que los líquidos criogénicos se carguen hasta el último momento del lanzamiento y que los tanques que los contienen requieran de válvulas de alivio para evitar que la evaporación aumente peligrosamente la presión.

Existen muchos tipos de combustibles que se emplean en los cohetes de propelente líquido. Ya hemos mencionado el etanol, pero se pueden emplear otros hidrocarburos, tales como el keroseno y la gasolina. Cada combustible tiene propiedades distintas como costo, eficiencia, facilidad de manejo, toxicidad, densidad, etc., que le dan ventajas y desventajas en distintas aplicaciones. El hidrógeno líquido, por ejemplo tiene la característica de proporcionar la mayor cantidad de empuje para un flujo volumétrico dado, pero tiene las desventajas de ser criogénico y de poseer muy baja densidad, lo que requiere de grandes tanques de almacenamiento para una masa dada, en comparación con otras opciones.

Cohetes híbridos

Los cohetes híbridos son un tipo de cohetes químicos en los que uno de los componentes del propelente, el combustible o el oxidante, se mantiene en estado líquido para combinarse con el otro componente en estado sólido que reside en la cámara de combustión. Estos cohetes tienden a combinar las ventajas de los cohetes de propelente sólido y de propelente líquido, ya que son menos complejos que éstos últimos y pueden encenderse y apagarse, aunque la combustión no se puede controlar de la misma manera que en los cohetes de propelente líquido.