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Cohetes

A punto de despegar


Cohete

Estos vehículos han permitido al hombre salir de la Tierra para iniciar la gran epopeya de la exploración espacial. Conocido desde la antiguedad y utilizado durante siglos como instrumento de guerra, sólo desde hace relativamente poco tiempo el cohete ha sido tomado en consideración como pacífico medio de propulsión capaz de vencer la fuerza de atracción que nos mantiene unidos a nuestro planeta. Su desarrollo efectivo comenzó poco después de la última guerra mundial y después de haber sido, una vez más, empleado por el hombre como instrumento de muerte.

Características

Por cohete se entiende habitualmente un huso aerodinámico que contiene en su interior un motor a reacción, los depósitos para los propulsores y la llamada «carga útil» para transportar, y que es capaz de elevarse verticalmente o con una determinada inclinación desde el suelo o desde el aire. El corazón de un vehículo de este tipo es el motor a reacción o cohete, que está en condiciones de pro- porcionar el empuje necesario a su movimiento aprovechando el principio físico de acción y reacción. En base a este principio, enunciado por primera vez por Isaac Newton (1642-1727), a toda acción corresponde una reacción igual y contraria (tercera ley del movimiento). En este motor la acción está representada por un flujo de partículas producidas por medio de procesos químicos y/o físicos de diverso tipo, que son expulsadas a altísimas velocidades en una determinada dirección; la reacción, en cambio, está representada por el movimiento del vehículo en la dirección opuesta a aquella en que son expulsadas las partículas. (Conviene aclarar los conceptos porque así parecería que el principio de acción y reacción es una exclusividad del motor a chorro. En cambio, este principio está en la base de todos los movimientos incluso de nuestro caminar. En efecto, el roce de nuestros zapatos sobre el suelo, impulsa hacia atrás la tierra, acción, y, por consiguiente, nosotros avanzamos, reacción. Esta explicación podría parecer paradójica, pero es fácil comprobarla tratando de caminar sobre una superficie lisa como una pista de hielo para patinadores: sin el roce entre zapatos y suelo no logramos desencadenar el mecanismo de acción y reacción y efectuamos pasos en el vacío).

Muy esquemáticamente, un motor cohete, que puede ser de diferentes tipos según el proceso de funcionamiento en el que se basa, está constituido por una cámara donde se lleva a cabo la producción de las partículas a expulsar, por los aparatos necesarios para alimentar tal producción y por una válvula, o tobera de descarga, a través de la cual las partículas producidas son expulsadas a altísima velocidad. Para un cohete que parte de tierra, a nivel del mar, y que debe alcanzar en pocos minutos la extraordinaria velocidad de 28.000 km/h., necesaria para ponerse en órbita alrededor de la Tierra (en cambio, si se quiere salir de la Tierra directamente y dirigirse hacia un planeta exterior, esta velocidad debe ser de 40.000 km/h), es preciso un motor que expulse una gran masa de partículas lo más rápidamente posible, es decir, que ejerza una acción adecuada a la reacción que se quiere obtener. Esto se logra utilizando motores a reacción capaces de proporcionar elevados empujes. El empuje de un cohete se mide en kilogramos y, para un vehículo que parte verticalmente desde el suelo, debe resultar del 30 al 50 por cien superior al peso de todo el vehículo. Sin embargo, las altas velocidades requeridas para los vuelos astronáuticos que parten de tierra no pueden alcanzarse, habitualmente, con un solo cohete, aunque sea grande y potente. Se utiliza entonces la técnica del cohete multisecciones, es decir, dos o más cohetes colocados uno sobre el otro (o bien como en el caso del transportador que conduce al Space Shutte, dos cohetes auxiliares que están a los lados del principal), de manera que, agotado el empuje de la primera sección, se enciende la segunda y así sucesivamente. Naturalmente, las secciones siguientes a la primera, tendrán más ventajas porque partirán, en vez de con velocidad cero, con la velocidad final adquirida por la sección anterior Motor de cohete.

El aparato propulsor de un cohete, según el mecanismo empleado para la producción de las partículas que proporcionan el empuje, puede estar comprendido en una de las siguientes categorías: cohete químico, cohete nuclear, cohete a iones.

1 - Motor de propulsión química

Es el tipo más extendido. El proceso químico que lo alimenta es la combustión de determinados Propulsores que desarrollan las partículas gaseosas a alta temperatura y velocidades responsables del empuje. Mientras el propulsor que alimenta el motor de un avión a reacción está compuesto de un solo componente químico, el llamado combustible (en este caso específico se trata de queroseno) que se quema por el oxígeno que el motor extrae del aire, el propulsor que alimenta a un motor a cohete debe tener, además del combustible, también un oxidante (o comburente), es decir, un compuesto químico necesario para hacer quemar el combustible, debido a que el cohete debe volar sobre todo en el vacío del espacio, donde no hay oxígeno. Los cohetes de propulsión química, a su vez, pueden ser de dos tipos: de propulsor sólido y de propulsor líquido. En los cohetes de propulsor sólido, el combustible y el oxidante se mezclan conjuntamente bajo la forma de un polvo compacto y solidificado, llamado grano. Este se acumula en la cámara de combustión adhiriéndose perfectamente a las paredes y dejando un agujero cilíndrico central. La ascensión del grano se lleva a cabo por medio de un impulso eléctrico. Una de las combinaciones más utilizadas para propulsores sólidos es la mezcla de poliuretano, un combustible plástico, con perclorato de amonio como oxidante; aunque también se emplean otras mezclas (véase tabla). Los cohetes de propulsor líquido, por lo general, llevan el combustible y el oxidante en dos depósitos separados. Los dos líquidos son enviados por medio de una bomba a la cámara de combustión donde, al entrar en contacto, desarrollan el proceso químico que da lugar a un potente flujo de partículas gaseosas. Una de las combinaciones más empleadas para los cohetqs de propulsor líquido es la de hidrógeno líquido (combustible) con oxígeno líquido (oxidante). Esta ha sido la adoptada, por ejemplo, para alimentar algunos de los numerosos motores del Saturno V, que llevó a los americanos a la Luna. Naturalmente, gases como el hidrógeno y el oxígeno existen en estado líquido a temperaturas criogénicas (algunas decenas de grados por encima del cero absoluto): por lo que las operaciones para cargar los depósitos son sumamente complejas, tal como se contempla cuando se cargan los depósitos de un cohete de propulsor líquido que se halla en la rampa de lanzamiento. Otra combinación de propulsores líquidos es la de hidrazina (combustible) y peróxido de nitrógeno (oxidante), actualmente utilizada en los motores principales del Space Shuttle. También existen cohetes de propulsión líquida que recurren al llamado monopropulsor, es decir, a un único compuesto químico en estado líquido que se hace pasar a través de un catalizador, presente en el interior de la cámara de combustión, que tiene el poder de descomponerlo en una mezcla gaseosa que se quema. Tal es, por ejemplo, el peróxido de hidrógeno que, en contacto con un catalizador de platino, se descompone en oxígeno y vapor de agua sobrecalentado. Una característica que diferencia a los cohetes de propulsión sólida de los de propulsión química es que, en los primeros, la combustión y, por lo tanto, el empuje, dura hasta la extenuación del propulsor; en cambio en los segundos es posible bloquearla, interrumpiendo el flujo de alimentación del propulsor líquido contenido en los depósitos, por medio de una válvula.

2 - Cohete nuclear

Se trata de un tipo de motor aún en estado de proyecto, en el cual no se llevan a cabo procesos de combustión, sino que los gases son llevados a las altas temperaturas necesarias para obtener el empuje del calor generado por un reactor a fisión nuclear (del mismo tipo de las centrales para la producción de energía eléctrica). Cuando el hombre esté en condiciones de dominar el proceso de Fusión nuclear se podrán realizar también cohetes a fusión. Los propulsores tomados en consideración para alimentar un motor de cohete a fisión nuclear son el hidrógeno líquido o, incluso, el agua; hechos pasar a través de un radiador de calor, alimentado por la pequeña central nuclear en miniatura, son transformados en gases y entonces expulsados, como en un motor de cohete químico, a través de la tobera de descarga. Una concepción distinta de cohete nuclear apunta sobre un mecanismo de empuje que se basa en las acciones dinámicas y térmicas desencadenadas por una pequeña sucesión de explosiones nucleares, precisamente como las producidas por un artefacto bélico. Esta línea de investigación fue iniciada en los años sesenta por un grupo de físicos americanos en el ámbito del proyecto Orión, pero no fue continuada. Aún hay que señalar el proyecto desarrollado por la British Interplanetary Society para cuando se alcance el objetivo de la fusión nuclear controlada: un cohete movido por un chorro de plasma generado a través de este tipo de proceso nuclear. La propia British Interplanetary Society ha presentado el esquema de una misión de exploración de algunas estrellas cercanas, por medio de una astronave a fisión nuclear bautizada Dédalo, que debería alcanzar una velocidad de 40.000 km/s, es decir, casi el 14 por 100 de la velocidad de la luz. Los cohetes nucleares, si bien los estudios y experimentos en el sector han comenzado a principios de los sesenta (ver Nerva), todavía no han encontrado aplicación práctica, tanto a causa de su elevado costo, como por los problemas de carácter ambiental provocados por la diseminación de sustancias radioactivas en la atmósfera terrestre. Es pro- bable que motores de este tipo operen en ambiente extraatmosférico.

3 - Cohete a iones

Aunque aún se encuentre en fase experimental, el cohete a iones parece muy prometedor, sobre todo para los viajes de larga duración. El fenómeno físico sobre el que se basa es precisamente la ionización, es decir, la posibilidad de que los átomos se carguen eléctricamente después de haberles quitado los electrones. El propulsor utilizado para este tipo de cohete es un metal alcalino, por ejemplo el cesio, cuyos átomos pueden ionizarse con facilidad haciéndolos pasar a través de una rejilla sobrecalentada. Inmediatamente después, los iones así formados son acelerados a alta velocidad por intensos campos eléctricos. Entonces, las partículas de cesio ionizadas y aceleradas son expulsadas por la tobera de descarga. Pequeños motoras de iones montados a bordo de satélites ya han sido experimentados con éxito, hasta el punto de que la NASA, a finales de los años setenta, proyectaba el envío de una sonda accionada por un motor de iones en un largo viaje hacia dos cometas: el Halley y el Tempel 2. Sin embargo, la empresa ha encontrado dificultades presupuestarias.

Un sistema para determinar las prestaciones de un cohete, con relación al empleo que se pretende darle, es el de tomar en consideración dos parámetros fundamentales: su peso total y su impulso específico. El primer término no necesita ninguna explicación; aun bastará con decir sólo que cuanto mayor es el peso complexivo, mayor es el empuje que debe ejercer el motor para levantarlo de tierra. Por lo tanto, un requisito importante para un cohete consiste en recurrir a estructuras, motores y propulsores que sean lo más livianos posibles. El impulso específico es la fuerza de empuje en k que un k de propulsor está en condiciones de proporcionar por segundo. Tratándose de una relación k/k/s, se deduce fácilmente que el impulso se mide en segundos. Dicho esto, podemos comparar los diferentes tipos de propulsión a cohete ilustrados. El cohete químico es lo mejor que, con la tecnología actual, se puede lograr con el fin de superar la gravedad terrestre. En efecto, proporciona impulsos específicos mediocres y, sin embargo, adecuados con respecto al peso total que debe levantar. Los propulsores líquidos proporcionan en promedio un impulso específico mayor que los sólidos y, por lo tanto, son más utilizados para las secciones principales de los misiles que deben elevarse de tierra. Los mejores propulsores líquidos alcanzan hoy un impulso específico de aproximadamente trescientos ochenta segundos; en cambio, los mejores propulsores sólidos sólo de doscientos cincuenta segundos Si bien en el futuro podrán experimentarse propulsores químicos aún más eficientes, no parece en el actual estado de los conocimientos que pueda superarse el umbral de los cuatrocientos segundos de impulso específico. Sin embargo, la limitación más grave del motor químico, en general, es su escasa autonomía. Un cohete, tanto de propulsión líquida como sólida, consume sus propulsores en el plazo de pocos minutos. Es adecuado por lo tanto para escapar de la gravedad terrestre, pero después debe realizar su viaje por inercia con los motores apagados, aprovechando la velocidad ya adquirida y, eventualmente, los campos gravitacionales de otros cuerpos celestes. Este es el motivo por el cual, aún hoy, los viajes interplanetarios tienen una duración de meses o de años. En cambio, si se pudiera disponer de un motor cohete que estuviera encendido durante largos periodos, los tiempos de vuelo entre un planeta y otro se reducirían drásticamente. Si se quisiera mantener encendido un cohete químico durante períodos muy largos, sería necesario dotarlo de una reserva de propulsores tan pesada que el vehículo no lograría jamás despegar de Tierra. Podrían enviarse separadamente decenas de depósitos y ponerlos en órbita terrestre, para después unir los todos juntos en el espacio construyendo así la reserva necesaria para un encendido prolongado; sin embargo, los costos de una operación de este tipo serían prohibitivos. El cohete de propulsión nuclear garantiza en cambio una larga autonomía de la principal fuente de calor (debe pensarse que, con un pequeño cartucho de material fisionable como el uranio, un reactor puede funcionar durante años) y también una transferencia de calor al propulsor, tan eficiente como para hacerle alcanzar altas velocidades de expulsión de partículas gaseosas. Se calcula que llevando a unos 3.000 grados centígrados propulsor del tipo del hidrógeno, se obtendría un impulso específico de más de mil segundos. Por estas razones, el cohete a propulsión nuclear surge como una perspectiva muy prometedora tanto en EE.UU como en la URSS, donde se trabaja en estos proyectos con mucho empeño y en gran secreto.

El cohete de propulsión iónica, por último, es el que puede proporcionar el máximo de impulso específico --miles de segundos-- y el mínimo de empuje. Las partículas alcanzan altísimas velocidades, pero son muy livianas. Esto significa que un motor de iones no tendrá nunca la fuerza de levantar un cohete desde la Tierra y deberá emplearse a partir del espacio. Sin embargo, garantizando e! funcionamiento del motor sin interrupción durante años, podrá ir acelerando poco a poco hasta alcanzar las elevadas velocidades necesarias para los largos viajes interplanetarios o interestelares La historia. Parece que el cohete fue inventado en China entre el primer y el segundo milenio después de Jesucristo En efecto, los chinos conocían la pólvora, como se desprende de la lectura de un antiguo manuscrito fechado en el 1040 d. J.C., el Wu Cling Tsung Yao, donde viene la fórmula. Los primeros cohetes no eran otra cosa que rudimentarios cilindros de cartón u otro material, cerrados por un extremo y llenos de pólvora. Eran encendidos con una mecha y más que nada servían para sembrar el pánico en las filas de los adversarios. Dos siglos más tarde, en 1232, los historiadores comentan que durante el asedio de Kai Fung Fu los chinos recurrieron a cohetes. Incendiarios similares a fuegos de artificio. Casi al mismo tlempo, estas temibles flechas chinas, como se llamaban en Occidente, fueron introducidas en Eu ropa, donde tuvieron un gran éxlto tanto como fuegos artificiales como Instrumentos bélicos. Después de estos primeros, rudimentarios intentos, el empleo del cohete no conoció grandes progresos hasta finales del siglo X\/ll. En aquel periodo, en electo, los hindúes utilizaron con tal éxito baterías de pequeños cohetes de combustible sólido contra los Ingleses, que un oficial del Imperio británico, Willam Congreve, decidió estudiar profundamente las posibilidades de desarrollo de este Instrumento bélico. Experimentó entonces con cohetes de propulsión sólida de gran precisión y fiabilidad, que fueron adoptados por la artillería inglesa y tuvieron un amplio empleo durante las guerras napoleónicas Uno de los cohetes de Congreve estaba constituido por un tubo de hierro de un metro de largo que llevaba una vara estabilizadora; esta lo hacía desplazar en la dirección deseada logrando un alcance de 1.800 metros. En el transcurso del siglo XIX, el cohete se difundió del ejército inglés a todas las fuerzas armadas de los otros países europeos. Los pioneros. Mientras tanto, aparte del uso bélico, la idea del cohete como medio de propulsión para los viajes más allá de nuestro planeta, se iba abriendo camino gracias a los estudios de los primeros pioneros de la astronáutica. Konstantin E. Tsiolkowsky (18571935), ruso, se dedicó hacia finales del siglo XIX a establecer las fórmulas fundamentales que gobiernan el funcionamiento del motor a cohete; intuyó que los motores de propulsión líquida serían más eficientes que los de propulsión sólida, desarrollando la teoría de los transportadores de varias secciones y previendo que el cohete se convertiría en el único vehículo con el cual el hombre podría vencer la fuerza de gravedad y abandonar la Tierra. Más tarde, en Alemania, Hermann Oberth (1894) junto con otros apasionados fundaba la sociedad alemana para los viajes espaciales, continuando el desarrollo de los principios teóricos del cohete y del vuelo espacial. En América, mientras tanto, el americano Robert H. Goddard (1882-1945) hacía volar, en 1926, el primer rnisil alimentado con propulsor líquido. Llegamos así a nuestros días y al hombre que constituye el puente entre los intentos de los primeros pioneros del vuelo misilístico y la conquista espacial: Werner von Braun (1912-1977). Alumno de Oberth, este joven ingeniero alemán trabajó, en los años inmediatamente anteriores a la segunda guerra mundial, en un polígono militar sobre la costa báltica, Peenemunde, donde eran experimentadas las V-2, los mortíferos misiles que la Alemania nazi envió a millares sobre Londres. Caído en las manos de los americanos en el transcurso de los hechos que acompañaron la ocupación y la rendición alemana, von Braun llevó a los EEUU la competencia y la tecnología de la misilística alemana. Trabajó de 1945 a 1950 en Fort Bliss, Texas; después en el Redstone Arsenal de Alabama, donde continuó construyendo misiles similares a la V2, pero de dimensiones mayores, que se convertirían en los primeros ICBM americanos, es decir, en los primeros transportadores intercontinentales de cabezas nucleares. En aquellos años, la obra más importante de von Braun fue la construcción del misil Redstone y de un derivado de éste, el Jupiter C. Cuando von Braun se dio cuenta que tenía a su disposición transportadores de suficiente potencia, preguntó a las autoridades políticas si podía emplearlos para poner en órbita un satélite artificial, pero la respuesta fue negativa. En el ínterin, se desarrollaba una historia paralela en la URSS. También en este país habían convergido cerebros y tecnologías alemanas, pero los rusos se encontraron en ventaja, ya sea porque durante la guerra habían empleado extensamente misiles a propulsor sólido, o porque en épocas sucesivas, desarrollando bombas atómicas de grandes dimensiones y peso (al contrario de los americanos que habían logrado producir artefactos más livianos y compactos), habían sido forzados a producir misiles balísticos intercontinentales más potentes. Nacían así, por obra de un grupo de expertos, constituido por Friedrich Tsander, Sergei Korolev, Mikhail Tikhonravov, los transportadores del tipo A. El 4 de octubre de 1957 uno de estos misiles, gigantescos con respecto a los americanos, puso en órbita al Sputnik, el primer satélite artificial. Los EEUU dieron de inmediato carta blanca a von Braun que, superando la envidia y competencia internas en la burocracia militar americana, logró poner en órbita alrededor de la Tierra, gracias a un Jupiter C, el primer y pequeño Explorer: era el 31 de enero de 1958. La relación de potencia entre los primeros misiles americanos y soviéticos era, en aquellos tiempos, de uno a diez. Sin embargo la carrera había apenas comenzado y los americanos superarían rápidamente la desventaja que llevaban. La US Air Force desarrollaba, en efecto, los más potentes Atlas, Thor y Titan, mientras la URSS continuaba asombrando al mundo con el lanzamiento de grandes astronaves tripuladas, del tipo Vostok, Voskhod y Soyuz, por medio de transportadores cada vez más potentes del tipo A1 y A2. En 1965 hizo su aparición el Proton, aún más potente que los A2, que transportó al satélite soviético homónimo. Mientras esto ocurría, von Braun trabajaba en la realización del gigantesco Saturno V de tres secciones, que llevaría los primeros hombres a la Luna. En condiciones de operar en 1957, tenía una potencia de empuje total de 3.500.000 kg, más del doble que el Proton soviético: la supremacía, diez años después, pasaba a los americanos. Los soviéticos realizaron después lo que en Occidente se llama convencionalmente Supermisil G-2, aún más potente que el Saturno, serviría de transporte para las grandes estaciones espaciales orbitales. Después desapareció la exigencia de realizar gigantescos misiles. En efecto, en los años ochenta, se abrió camino una nueva concepción de transporte espacial, la de la lanzadera o Space Shuttle. Se trata de un verdadero transbordador espacial reutilizable que se pone en órbita por medio de un cohete convencional. Las estaciones orbitales del futuro, en lugar de ser lanzadas de una sola vez con grandes supermisiles, serán montadas en órbita con los materiales transportados por esta nave. El futuro. Ya se ha hablado de las prometedoras perspectivas de desarrollo del cohete nuclear y del de iones. Sin embargo existen otros tipos de propulsión hoy en estudio. Algunos pueden parecer de cien cia ficción, como parecían por otra parte los estudios de Tsiolkovsky en el siglo XIX, pero no debe excluirse que de ellos nazca el sistema de propulsión de un lejano mañana.

Una posibilidad muy sugestiva la constituye el cohete de fotones. En su motor se generaría un haz de fotones, después expulsado en cierta dirección. Los fotones, o quantos de luz, son las partículas portadoras de la radiación electromagnética. Tienen una masa realmente pequeña, pero son las partículas más veloces del Universo (300.000 km/s) y en ellas hay una cierta cantidad de movimiento. La expulsión de un haz concentrado de fotones de un motor a cohete determinaría un contraempuje y, en largos periodos, una aceleración del vehículo hasta altísimas velocidades. El problema, que no es fácil de resolver, es el de encontrar un método eficaz de conversión de la materia en energía fotónica. El Sol podría ser la fuente primaria para dos tipos diferentes de propulsión solar en estudio: uno consiste en convertir su energía en calor y calentar así un fluido de trabajo que sea expulsado bajo forma gaseosa y proporcione el empuje necesario; otro consiste e aprovechar la presión de la radiación solar para im pulsar a la astronave en una determinada dirección. En este último caso, más que de un motor a cohete es conveniente hablar de vela solar: en efecto, el vehículo se desplazaría, ni más ni menos como un nave a vela empujada por el viento. Se han diseñado vehículos de vela solar con superficies de 1.000 metros cuadrados, capaces de ir de un planeta a otro en tiempos relativamente cortos (del orden de algunos meses). Uno de estos había sido diseñado para un "rendez-vous" con el cometa Halley, que se llevaría a cabo en 1986, pero se ha suspendido porque el sistema aún no ofrece suficientes garantías y parecía arriesgado confiarle un paquete de instrumentos de altísimo valor, como el requerido para un análisis desde sus cercanías de un cometa; de todos modos será estudiado por la sonda Giotto de la ESA.

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