Así es como los cohetes alcanzan el espacio

Los cohetes son nuestro mejor y único medio de transporte al espacio, nos abren las puertas a enviar satélites a órbita, sondas a otros planetas y, lastimosamente, mandar poderosas armas destructivas de un lugar del planeta a otro en cuestión de minutos.

Hay una famosa expresión, “Esto no es ciencia de cohetes” (This is not rocket science), usada cuando algún tema es muy complicado. A continuación, aprenderemos sobre los cohetes, su funcionamiento y aplicaciones, de una forma sencilla.

Foto de larga exposición del lanzamiento de un cohete Atlas V con la sonda Lucy camino a explorar los asteroides troyanos y griegos de Jupiter. Crédito: United Launch Alliance.

Propulsión: Leyes de Newton

Un cohete debe de ser capaz de trabajar en un ambiente muy dinámico, en menos de 15 minutos lograría ir desde la plataforma de lanzamiento hasta superar los 200 kilómetros de altura y viajando a 27 000 kilómetros por hora en un vacío casi perfecto, pasando por un vuelo supersónico y en algunos casos hipersónico. Deben soportar aceleraciones de varias veces la de la gravedad a estar ingrávido girando alrededor de un planeta.

Los aviones cuentan con grandes alas para mantener una sustentación durante el vuelo atmosférico. Además de ser apoyados con motores capaces de absorber aire, calentarlo y expulsar gas caliente para generar un impulso adicional y poder volar. El diseño de un cohete, por el contrario, no puede depender de alas para moverse debido al medio por el cual se moverá, donde no hay aire que logre mantenerlo en vuelo, sin embargo, podemos recuperar la otra parte, los motores.

El funcionamiento de los motores de los cohetes puede parecer de primeras contra intuitivo. Podemos entenderlo fácilmente recordando la tercera ley de Newton «A toda acción corresponde una reacción igual y opuesta», o, en otras palabras y en el caso de un motor, si lanzas algo con una cierta fuerza este objeto te empujará con la misma fuerza, pero en dirección contraria.

Los cohetes al mezclar oxígeno, o algún otro oxidante, con combustible logran generar una gran cantidad de calor, este calor a su vez permite disparar gases a gran velocidad. Estos, por la ley de acción-reacción empujarán al cohete en dirección contraria, lo único restante es asegurarse de tener la pluma (los gases) apuntando hacia abajo.

Prueba estática de un motor BE-4 del futuro cohete Vulcan y New Glenn, arranca a un 40% de empuje hasta alcanzar el 100%. Créditos: Blue origin.

Ahora, sabiendo cómo funcionan los motores podemos hablar de su forma. A excepción de algunos casos como el Transbordador Espacial, Buran y Polyus, podemos simplificar la forma de un cohete a varios tanques cilíndricos con una cofia en la parte superior, esta última sirviendo como protección para los satélites contra el aire en el vuelo atmosférico.

Cohetes de NASA a escala, de derecha a izquierda: Transbordador Espacial, Saturno Ib, SLS, Arex-Ix, Saturno V. Créditos @ThePrimalDino (Twitter).

Trepando a órbita

Si deseamos comprender como puede un satélite mantenerse en órbita podemos recurrir al experimento mental propuesto por Isaac Newton.

Sabiendo que la distancia horizontal que alcanza un objeto antes de caer contra el suelo es directamente proporcional a la velocidad con la que fue disparado, se podría esperar que exista una velocidad lo suficientemente grande tal que la Tierra se curve más rápido de lo que se curva la trayectoria del objeto, pero que no permita al objeto escapar por completo. es decir, con una velocidad menor a la velocidad de escape. En el caso de la Tierra y para una altura de 350 kilómetros hacen falta, 28100 kilómetros por hora en dirección paralela al suelo.

Cañón de Newton, entre mayor sea la velocidad inicial, más lejos caerá (a y b), superando cierta velocidad, puede entrar en órbita (c y d) o escapar (e).

Partiendo desde la plataforma de lanzamiento, los cohetes son cargados de combustible y todos los sistemas se revisan y comprueba exhaustivamente para evitar cualquier fallo que pueda llevar a la destrucción del cohete y consecuente perdida de la carga. Debido a la gran cantidad de gases y sonido producido durante un lanzamiento y posible caída de fragmentos, en caso de un fallo, se genera una zona de exclusión donde nadie puede entrar.

Cuando la cuenta regresiva alcanza el cero se encienden los motores y se realizan miles de evaluaciones para verificar un correcto desempeño, en caso de no satisfacer unos parámetros específicos pueden apagarse y cancelar el lanzamiento. Si todas las pruebas son superadas exitosamente, la plataforma de lanzamiento libera el cohete y finalmente podrá levantarse del suelo por su propio empuje.

El primer paso una vez despega es corregir la orientación, esto con el fin de preparar el cohete para las cargas aerodinámicas que encontrará en el vuelo atmosférico, así como poder dirigirse en la dirección correcta para la órbita planificada. Otra forma de reducir la presión en la estructura es bajar el empuje de los motores y por ende no viajar muy rápido en donde el aire tiene mayor densidad. El punto donde se combina una gran velocidad y una alta densidad es llamado «Max-Q», es la parte más peligrosa de todo el viaje.

 

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Durante el ascenso, el cohete debe de ir girando para conseguir más velocidad horizontal que vertical y alcanzar órbita. En cuestión de 10 minutos o menos superaría el borde del espacio, también conocido como el límite de Karman, y representa una línea imaginaria a 100 kilómetros de altura.

Cuando podremos dejar de necesitar cohetes

Los cohetes requieren cantidades absurdas de combustible para colocar cargas reducidas en órbita. Por eso se han propuesto alternativas , vehículos más eficaces y baratos para poder alcanzar el espacio. Por ejemplo, desarrollar un avión capaz de llegar a órbita o usar motores nucleares para reducir el consumo de combustible.

En el primer caso, por cuestiones de sobrecostes y muchas demoras se han cancelado varios proyectos de los llamados SSTO (Única etapa a órbita, por sus siglas en inglés), probablemente no veamos algo así durante las próximas décadas. Sin embargo, aún es una posibilidad muy llamativa. En el caso de los motores nucleares, para prescindir de los químicos, se tiene la idea errónea de que pueden operar en cualquier ambiente, cuando en realidad solamente son útiles en el vacío, además de no generar suficiente empuje para levantar su propio peso en velo y mucho menos el de todo un cohete y carga.

En los últimos años, muchas pequeñas y medianas empresas privadas han surgido para buscar alternativas para llevar satélites al espacio, es solo cuestión de tiempo para que todos podamos algún día ver la Tierra desde arriba.

Francisco Andrés Forero Daza