Arcos: el primer motor español para cohetes con 30 toneladas de empuje

Pangea Aerospace se postula como una de las candidatas para desarrollar el primer cohete orbital español. Para cumplir con los requisitos del CDTI (Centro de Desarrollo Tecnológico e Industrial) se hizo necesario subir la apuesta con su motor principal Arcos. Este monstruo de 300 kilonewtons de empuje será capaz de propulsar las dos etapas del Meso y una carga útil de hasta 800 kilogramos a órbita heliosíncrona.

Introducción

Pangea Aerospace centra sus esfuerzos en desarrollar los mejores motores del mundo y después venderlos. Esto ahorra costes de desarrollo a las empresas que están desarrollando cohetes simplificando la parte más complicada de estos.

Aun así, está compuesto por muchas partes diferentes, y esto se ve en el desarrollo del primero de los barceloneses, el Meso. Contarán con la colaboración de una gran cantidad de proveedores que se encargarán solo de la propulsión e integración. Entre los proveedores se encuentran algunas de las empresas españolas más importantes del sector de defensa y aeroespacial. Varias de ellas cuentan con presencia internacional. Y facturaciones anuales que opacan las recaudaciones de capital multimillonarias de las cabezas de cartel, Pangea y PLD Space en el contrato del CDTI.

Como ellos se centran en el apartado de propulsión durante la visita de AstroAventura a la sede de Pangea nos centramos en Arcos. Este motor cohete dispondrá, por primera vez en España de una turbobomba.

Introduciendo este complejo mecanismo en el delicado entramado de tuberías, cámaras de combustión y válvulas permite aumentar notablemente potencia y eficiencia a la vez.

Pero realmente la clave de las turbobombas, es que permiten crear motores más grandes. La primera se inventó durante la segunda guerra mundial cuando el Dr. Verner von Braun se dio cuenta de que simplemente su motor para el V2 no tenía combustible suficiente que quemar. Esto habilitó la carrera espacial y acabó convirtiendo al V2 en el padre de la cohetería moderna.

¿Qué es una turbobomba y por qué es tan compleja?

Simplificando, una turbobomba es un compresor que permite inyectar grandes cantidades de propelentes a un motor. Este puede ser de cohete o de aviación (más complejas).

Una de las dudas que arrastraba la empresa diseñando este motor era si usar turbo maquinaria eléctrica. Una de las mayores revoluciones de los últimos años en el panorama espacial, pues, simplifica notablemente el sistema. Sin embargo, los requerimientos del gobierno español obligaron al Meso a crecer y con él Arcos, que finalmente incorpora una más convencional.

Hay muchos retos a la hora de diseñar una, por lo que es esencial determinar qué características va a tener. Por ejemplo, la potencia que desarrollará, en este caso, dos megavatios. Cada una, porque se empleará una para el oxidante, oxígeno líquido y otra para el combustible propiamente dicho, bío metano líquido.

El mecanismo que la empuja este sistema es una de las maravillas de la propulsión de un cohete. Es el funcionamiento del propio ciclo del combustible el que impulsa la turbobomba. ¿Como si es necesaria está para el funcionamiento del motor y sin él no hay flujo? Sin querer entrar en lo complicado que es el arranque de un motor cohete, ni abordando las múltiples soluciones que hay a este problema, hablemos del sistema de ignición de Arcos.

Pangea ha decidido usar el sistema llamado augmented spark igniter. Este consiste en un pequeño lanzallamas alimentado por los propelentes del cohete pero en estado gaseoso dentro de las cámaras de combustión del motor. Además, hace falta otro más para empujar las turbobombas. Este encendedor a base de gases acelera las turbobombas que empiezan a girar e inyectan más combustible al circuito. Y así se retroalimenta hasta que se alcanza la velocidad de giro necesaria para desarrollar la potencia del motor, 300 kN.

Afortunadamente, una combinación de factores muy inusual en una start up los ha llevado a tener bastante avanzado este complicado sistema. Específicamente, Pangea ya ha realizado la llamada PDR (revisión preliminar de diseño por sus siglas en inglés). Esto es, el desarrollo de la turbobomba está tan avanzado que ya pueden empezar a fabricar piezas para probarlas y validar sus previsiones de cara a la versión final. Esto es algo que sucederá en próximas fechas, pero de momento se encuentran en pruebas de CFD (simulación de Dinámica de Fluidos Computarizada). Aunque sabiendo que el tiempo para llevar este complejo mecanismo a la revisión preliminar fue de solamente tres meses, es toda una declaración de intenciones.

Simplicidad, pero de alto rendimiento

Hablando con Federico Rossi, jefe del departamento de propulsión, nos quedó una cosa clara. En esta empresa son capaces de hacer mucho más de lo que están haciendo hoy por hoy. Pero, empezar la casa por el tejado no es una buena idea. Un claro caso lo podemos encontrar en Blue Origin. Esta es propiedad del billonario Jeff Bezos y sigue a día de hoy incapaz de lanzar su cohete New Glenn. Tienen los medios humanos, materiales y sobre todo económicos con cerca de mil millones de dólares anuales inyectados en la empresa por su fundador. Pero, su complejo motor BE4 resultó una pesadilla para los ingenieros y apenas este 2023 se espera que propulse el cohete Vulcan de United Launch Alliance, con bastantes años de retraso ya a sus espaldas.

Aparte de la complejidad técnica, en España no es fácil lograr la financiación. Aunque lo primero es necesario para llevar a cabo estos proyectos sin dinero, no hay forma de llevarlos a término tampoco. Por eso optar por una solución dentro de lo complejo que es diseñar un cohete Pangea opta por opciones sencillas.

Arcos pierde en rendimiento contra el mismo motor pero de ciclo cerrado, y eso lo tienen claro en el equipo de diseño. Pero las estrictas condiciones temporales y las limitaciones económicas tanto de las empresas como del contrato obligan a optar por un ciclo abierto. Que es más fácil de desarrollar y por lo tanto, más barato y rápido.

Pero en el departamento de propulsión no les preocupaba la decisión por dos factores determinantes. El combustible y la tobera aerospike.

Porcentaje a porcentaje mejorando lo existente

La complejidad de los motores aerospike se ve justamente recompensada a la hora de compararlos a un motor tradicional.

Debido a su forma toroidal han logrado reducir las estructuras de refuerzo para unirlo al cohete y mejorado la transmisión del empuje.
Gracias a su modularidad, los costes de producción se pueden reducir al producir en serie varios componentes.
El diseño de la refrigeración que impone la tobera permite una recuperación sin materiales extraños. Esto reduce el peso y simplifica la puesta en marcha tras un lanzamiento cara al siguiente.
El uso de bio metano es mucho mejor a la hora de obtener una combustión perfecta, dejando incluso un 100% menos de partículas en el motor. Comparado a un motor de kerolox, que quema queroseno y oxígeno líquido y que empleará PLD Space en su Miura 5.
15% de mejora en todas las altitudes del impulso específico. Esta es la métrica empleada para medir la eficiencia de un motor cohete.

Cualquiera que inicie una aventura de I+D en España no lo tiene fácil. Sin embargo, la calidad de las universidades y la potencia de los centros de investigación hace que cualquiera que se atreva tenga una pieza importante. La otra es la que más suele faltar, dinero, y en Arcos hay decisiones que claramente están afectadas por este problema. Pese a ello, en caso de que el cohete que el CDTI determiné como el mejor para el país sea el de la propuesta de Pangea se atraerán miradas de todo el mundo. Tras la primera prueba de Demo P1 en 2021 ya lo hicieron y ahora amenazan con batir a la NASA en lanzar al espacio el primer motor aerospike con Arcos.