Guía básica sobre ciencia espacial: todo lo que hay que saber sobre los cohetes

Cohete despegando
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Cómo despegan los cohetes

Estos ingenios queman la mayor parte de su combustible en los primeros minutos de vuelo, mientras tratan de superar la gravedad de la Tierra.

Los escritores e inventores llevan soñando con explorar el universo más allá de la Tierra desde hace cientos de años, pero los verdaderos desafíos de viajar al espacio solo se hicieron evidentes en el siglo XIX. Los vuelos experimentales en globo mostraron que la atmósfera de la Tierra adelgaza rápidamente a grandes altitudes, por lo que, incluso antes de que el vuelo motorizado se hiciera realidad, los ingenieros ya sabían que las alas, hélices y otros dispositivos que crean una fuerza hacia adelante o hacia arriba empujando contra un medio circundante –como el aire– no sirven de nada en ese entorno.

Además, los motores de combustión –los motores de vapor y gasolina generan energía quemando combustible en el oxígeno de la atmósfera terrestre, en una reacción química llamada combustión– también fallarían en ausencia de aire.

Afortunadamente, ya se había inventado un dispositivo que resolvía el problema de generar fuerza en tales condiciones: el cohete.

Inicialmente usados como armas o para producir fuegos artificiales, los cohetes generan una fuerza en una dirección –el empuje–, según el principio de acción y reacción: los gases de escape liberados por sustancias químicas explosivas salen de su parte trasera a alta velocidad; como resultado, avanzan en la otra dirección, independientemente del medio circundante.

La clave para utilizar cohetes en el espacio consiste en transportar otro compuesto químico llamado oxidante. Este es capaz de desempeñar el mismo papel que juega el oxígeno en el aire de la Tierra, lo que permite que el combustible se queme.

La primera persona que estudió en detalle el potencial de los cohetes para los viajes espaciales fue un maestro de escuela ruso y científico aficionado llamado Konstantin Tsiolkovsky, que publicó sus conclusiones en 1903. Este investigador se percató de que el lanzamiento representaba uno de los mayores desafíos –el momento en el que el cohete acarrea todo el combustible y el oxidante que le permiten alcanzar el espacio–, ya que, en esas circunstancias, el peso del ingenio es el máximo posible y se necesita un gran empuje solo para que se mueva. No obstante, una vez que el cohete se pone en marcha, va perdiendo masa, por lo que su peso se reduce y la misma cantidad de empuje tiene un efecto mayor en términos de aceleración.

A Tsiolkovsky se le ocurrieron varios diseños, y concluyó que la configuración más eficiente era un vehículo que debía ser lanzado verticalmente y contara con varias fases. En esencia, cada una de ellas era un cohete autónomo que podía elevar las etapas situadas por encima de él durante un cierto tiempo, antes de agotar su combustible, separarse y caer. Esta estrategia, que todavía es ampliamente utilizada, reduce la cantidad de “peso muerto” que debe llevarse al espacio.

Tsiolkovsky ideó una compleja ecuación que reveló la fuerza de empuje que precisaría cualquier maniobra en este sentido, así como el impulso específico –esto es, cuánto empuje se genera por unidad de combustible– necesario para que un cohete alcance su objetivo. Así, se dio cuenta de que los propulsores de su época eran demasiado ineficientes para impulsar un cohete espacial, y argumentó que, en última instancia, los combustibles líquidos y oxidantes, como el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido, serían necesarios para alcanzar la órbita y más allá. Aunque no vivió para ver su trabajo reconocido, los principios de Tsiolkovsky todavía sustentan toda la cohetería actual.

Alzando el vuelo

Para atravesar la atmósfera terrestre y llegar al espacio, los cohetes deben equilibrar y controlar con delicadeza fuerzas poderosas.

Para que un cohete genere el empuje necesario, se aprovecha una explosión controlada que surge como consecuencia de una violenta reacción química entre un combustible y un oxidante. Los gases de la explosión en expansión se expulsan por la parte posterior del cohete a través de una boquilla. Esta canaliza el gas caliente a alta presión creado por la combustión en una corriente que escapa por su parte posterior a velocidades hipersónicas, más cinco veces la velocidad del sonido.

La tercera ley del movimiento de Isaac Newton establece que cada acción tiene una reacción igual y opuesta, por lo que la fuerza de acción que impulsa el escape de la boquilla del cohete debe equilibrarse con una fuerza igual y opuesta que empuje el cohete hacia adelante. En concreto, esta actúa sobre la pared superior de la cámara de combustión, pero dado que el motor es una parte integral de cada etapa, en realidad lo hace sobre todo el cohete.

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

A medida que el cohete gana velocidad, mantener la dirección de movimiento estrechamente alineada con la dirección de empuje es fundamental: se necesitan ajustes graduales para dirigir el cohete hacia una trayectoria orbital, pero una desalineación notable puede hacer que el cohete gire fuera de control. La mayoría de los cohetes, incluidas los de las series Falcon y Titan, así como el Saturno V, se dirigen utilizando motores de cardán, montados de modo que todo el motor del cohete pueda girar y variar la dirección de su empuje de un momento a otro. Otras opciones de dirección incluyen el uso de aletas externas para desviar los gases de escape a medida que salen del motor. Esto es más efectivo con cohetes de combustible sólido, que carecen de un motor complejo, y con motores auxiliares, es decir, pequeños cohetes propulsores montados a los lados de la etapa en cuestión.

Así funcionan los motores de un cohete

Los motores de los cohetes son máquinas muy complejas que están sometidas a un calor y una presión descomunales.

Los motores de los cohetes modernos han recorrido un largo camino desde que sus antecesores empezaran a usarse hace siglos, para hacer fuegos artificiales. No obstante, los cohetes sólidos, relativamente simples, que se utilizan con mayor frecuencia como impulsores para proporcionar un empuje adicional en el lanzamiento, aún se basan en el mismo principio: encender un tubo que contiene una mezcla de combustible y oxidante. Una vez encendido, un cohete sólido continuará ardiendo hasta que se agote su combustible, pero la velocidad a la que este se quema y, por lo tanto, el empuje obtenido, se puede controlar cambiando la cantidad de superficie expuesta a la ignición durante diferentes momentos del vuelo. Esto se puede hacer empaquetando la mezcla de combustible y oxidante con un espacio hueco en el centro, a lo largo del cohete. Dependiendo del perfil de ese espacio –puede ser circular o tener forma de estrella, por ejemplo– la citada cantidad de superficie expuesta cambiará mientras el vehículo se desplaza.

Los cohetes de combustible líquido suelen ser más complejos. En general, poseen un par de tanques –para el combustible y el oxidante– conectados a una cámara de combustión a través de un auténtico laberinto de tuberías. Las turbobombas de alta velocidad, accionadas por sus propios motores independientes, se utilizan para suministrar combustible líquido a la cámara a través de un sistema de inyección. La tasa de suministro se puede aumentar o reducir, y el combustible se puede inyectar como un chorro o una fina pulverización.

Dentro de la cámara de combustión, se utiliza un mecanismo de encendido para iniciarla. Puede ser un chorro de gas a alta temperatura, una chispa eléctrica o una explosión pirotécnica. La ignición rápida es fundamental: si se acumula demasiada mezcla de combustible y oxidante en la cámara de combustión, una ignición retardada puede generar suficiente presión como para hacer estallar el cohete, un suceso que los ingenieros denominan desmontaje rápido no programado o, simplemente, un comienzo difícil.

El diseño de una etapa de cohete líquido puede variar, en función del combustible y otros requisitos. Algunos de los propelentes más eficientes son gases licuados, como el hidrógeno líquido, que solo es estable a temperaturas muy bajas, de alrededor de -253 ºC. Por ello, deben almacenarse en tanques fuertemente aislados. Algunos cohetes evitan los mecanismos de encendido, y usan combinaciones hipergólicas, que se encienden espontáneamente al entrar en contacto entre sí.

Viajes interplanetarios

Los cohetes son necesarios para explorar el Sistema Solar, pero ¿cómo pueden pasar de la órbita terrestre al espacio profundo?

La primera etapa de cualquier vuelo espacial implica llevar a cabo el lanzamiento de un vehículo desde la superficie de la Tierra hasta alcanzar una órbita relativamente baja, a unos 200 kilómetros de altura, por encima de la mayor parte de la atmósfera. Aquí, la gravedad es aparentemente tan fuerte como a nivel del mar, pero la fricción de la atmósfera superior de la Tierra es muy baja, por lo que si la etapa más alta del cohete se mueve lo suficientemente rápido, puede mantener una trayectoria circular o elíptica estable. En ella, la fuerza de la gravedad y la tendencia natural del ingenio a volar en línea recta se anulan entre sí.

Muchas naves espaciales y satélites no viajan más allá de esta órbita terrestre baja, llamada LEO. No obstante, aquellos destinados a explorar el Sistema Solar necesitan un empujón adicional para, así, alcanzar la velocidad de escape, aquella en la que la fuerza de la gravedad de nuestro planeta no tiene efecto sobre la nave. La velocidad de escape en la superficie de la Tierra –11,2 kilómetros por segundo– es aproximadamente un 50 % mayor que las velocidades típicas de los objetos situados en la posición LEO, si bien se reduce a una mayor distancia de la Tierra.

Las sondas que viajan al espacio interplanetario a menudo se insertan primero en órbitas alargadas o elípticas mediante una ráfaga de empuje cuidadosamente cronometrada ejercida por un propulsor situado en etapa superior del cohete que las acarrea. Este puede permanecer conectado a la sonda espacial durante el resto de su vuelo interplanetario. En una órbita de este tipo, la distancia de las naves a la Tierra puede oscilar entre cientos y miles de kilómetros, y su velocidad también variará, aunque será mayor cuando la nave esté más cerca de la Tierra, en un punto llamado perigeo.

Sin embargo, sorprendentemente, el impulso necesario para alcanzar el espacio interplanetario suele darse cuando la nave espacial está cerca del mismo. Ello se debe al llamado efecto Oberth, una propiedad inesperada de las ecuaciones que gobiernan el movimiento de los cohetes que viene a decir que estos son más eficientes cuando se mueven a mayor velocidad. Por ejemplo, la quema del combustible de una nave espacial no solo permite que el motor aproveche su energía química, sino también su energía cinética, que es mayor a velocidades más altas. En resumen, el empuje adicional del cohete necesario para que este alcance la velocidad de escape desde una altitud baja si se desplaza a alta velocidad es menor que el que se requeriría para escapar de una altitud elevada si se moviera a una velocidad más baja.

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

Enviar una nave de un planeta a otro con requisitos mínimos de Delta-v implica situarla en una órbita elíptica alrededor del Sol, llamada órbita de transferencia de Hohmann. La sonda viaja a lo largo de un segmento de la trayectoria elíptica que se asemeja a una senda en espiral entre las órbitas de los dos planetas, y no requiere más empuje a lo largo de su viaje. Al llegar a su objetivo, puede usar exclusivamente la gravedad para ingresar en su órbita final, o puede requerir una ráfaga de cohete en la dirección opuesta. Para ello, por lo general simplemente se hace girar la nave en un punto en el espacio y se enciende el motor antes de que pueda alcanzar una órbita estable.

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