SpaceX: así aterriza un edificio que viene del espacio

El Falcon 9 se ha convertido rápidamente en un referente popular en el vuelo espacial. Buena parte de la culpa la tiene su espectacular reutilización.

Las similares, pero aún más espectaculares imágenes del Falcon Heavy han ayudado a agrandar este mito.

Fuente: Glenn Beltz flickr

Los principios, nunca son fáciles.

Hasta llegar a una tasa de éxito de reutilización tan alta como tienen ahora mismo en SpaceX el error ha sido necesario.

Las primeras pruebas de SpaceX para alcanzar la reutilización se realizaron con un modelo a escala del Falcon 9. Esta curiosa plataforma se llamaba Grasshopper (saltamontes en inglés)

El prototipo Grasshopper realizando la ignición de su motor Merlin. Credito: SpaceX

El Grasshopper empleaba un motor Merlin 1-D. El mismo que luego emplearía el Falcon 9. Aunque, el cohete, como su nombre indica, posee 9 de estos motores. Con este prototipo se afinaron cosas como el control del vehículo a velocidades bajas, pero también supersónicas. O como controlar el cohete justo antes del aterrizaje. Este es un punto muy delicado porque los gases del motor pueden desequilibrar al cohete en esta delicada fase. De hecho, esto es una causa relativamente habitual de accidente en helicópteros.

El Falcon 9 originalmente no era capaz de la reutilización. La primera versión de este, conocida como Block 1 carecía de la mayor parte de los elementos que la permiten. Otro punto importante se debía a la extraña configuración en que estaban dispuestos los motores en la primera etapa.

Esta disposición malla impedía un movimiento correcto de los motores para dirigir el cohete. Condición necesaria para el aterrizaje. Aunque, en versiones posteriores, unas rejillas aerodinámicas han aportado mucha mayor precisión en el guiado sin necesidad de emplear propulsores de gas frío o incluso los motores principales.

La forma ortoedrica es la empleada en el Block 2 (V1.2) del falcon 9, siendo la lineal la de la primera versión. Fuente: Wikicommons (De Craigboy - trabajo propio)

La versión Block 2, también llamada V1.1 Fue la primera con la que se intentó recuperarla primera etapa. Para ello se incorporó la nueva geometría para los motores. Se le añadieron cuatro patas que se desplegarían una vez el aterrizaje fuera inminente. Y, además, se incorporó por primera vez las rejillas aerodinámicas de titanio.

Aunque habitualmente se ha señalado esto como una más de las revoluciones de SpaceX esto no es así. Las cápsulas tripuladas rusas Soyuz ya incluían este sistema desde hace mucho tiempo.

En el caso de la Soyuz rusa las rejillas aerodinámicas estas sirven para estabilizar la cápsula en caso de que se active el sistema de aborto al lanzamiento. No tiene función de guía como tienen las del Falcon 9. Aun así, esta innovación de los ingenieros soviéticos fue asumida, también, para la misma función en las cápsulas Gaganyaan del ISRO y Shenzou de China.

La combinación que hace aterrizar al Falcon 9 es muy delicada y compleja.

En función de si se aterriza en barcazas, en el mar o en tierra, se realizan 3 o 2 encendidos de los motores principales. En caso de aterrizar en tierra se efectúa un encendido inmediatamente después de liberar la segunda etapa. Este sirve para redirigir la etapa hasta la zona de aterrizaje, que está situada cerca de la plataforma de lanzamiento.

Detalle durante una reentrada de las rejillas y un propulsor disparándose en ese momento. Fuente: SpaceX

Después, el cohete empieza a caer a capas cada vez más profundas de la atmósfera. Por ello, despliega las rejillas aerodinámicas de titanio. Para ayudar en el guiado se utilizan propulsores de nitrógeno frío que dirigen al cohete y se ven como chorros de gas blanco en las imágenes.

Pero, nada de esto serviría de nada, sin el escudo térmico que posee el cohete.

Es poco conocido que el Falcon 9 posea un escudo térmico, esto es debido a que rara vez se ve. Este está situado en la sección de motores, entre las toberas de los 9 Merlin que propulsan al cohete.

Aun así, estas losetas ablativas son insuficientes por si solas para salvar al cohete de la reentrada. Por eso se realiza un encendido en la reentrada. Este emplea los gases de los motores para generar una pantalla que desvía y separa del cohete el plasma de la reentrada. Además, obviamente frena al cohete en una fase muy delicada del vuelo atmosférico.

Imagen de Marcus Cote que muestra el encendido de reingreso de la atmósfera.

Por último se realiza lo que se llama guiado fino. En este punto del vuelo la velocidad cae dramáticamente por un fenómeno llamado velocidad terminal. Este es el límite de velocidad que tiene un objeto cayendo que se ve frenado por una atmósfera. 

La masa es la del objeto que reentra. La gravedad, la del planeta. Y dividiendo tenemos la densidad de la atmósfera, a la altura a la que esté el objeto. La densidad de una atmosfera aumenta cuanta menor sea la altura. El área es del objeto, pero solo de la sección que “choca” con el aire. Por último, tenemos un número adimensional, el coeficiente de resistencia aerodinámico. Este número se calcula con otra fórmula y explica la resistencia que ejerce el objeto al movimiento, siendo 0 nula la resistencia.

El guiado fino es como se conoce a la parte final de un vuelo parabólico guiado y su dirección hasta el destino final. En este punto el objeto suele volar a velocidad terminal, aunque el Falcon 9 no frena tanto. Las rejillas aerodinámicas y el uso como cuerpo sustentador del cohete guia aproximadamente hasta la barcaza o hasta la zona de aterrizaje. Pero el guiado fino se realiza con los motores principales.

Un solo motor Merlin 1 se encarga de frenar el cohete definitivamente. Usando el cabeceo del motor, que es la mejor herramienta en este punto del descenso dirige de forma definitiva al cohete hasta la plataforma de aterrizaje y aterriza.

El proceso de recuperación empieza entonces liberando la presión de los tanques de combustible. Después, en caso de estar en las plataformas marinas, un sistema de anclaje se sitúa bajo el cohete y fija el cohete a la plataforma. Este anclaje desarrollado por SpaceX es tan avanzado que permite que se replieguen las patas incluso en alta mar. Seguidamente, el cohete es alzado a tierra y puesto en posición horizontal para su transporte por carretera.

Martín Morala Andrés