A raíz de mi artículo de la semana pasada sobre el lanzamiento espacial del Crew Dragon por la empresa privada SpaceX y la NASA, un viejo amigo, Luis Alejandro Aguilar, abogado pero aficionado a la aviación, me preguntó sobre la potencia de los motores del cohete impulsor y su comparación con los motores de reacción de los aviones comerciales de pasajeros.

Por eso hoy les hago un breve recuento de las diferentes formas que han conseguido los científicos de resolver la necesaria propulsión aeroespacial.

Por un lado, vimos que la nave espacial Crew Dragon es impulsada por un cohete Falcon 9; de dos etapas. Este está provisto en su primera etapa de nueve motores Merlin del tipo semicriogénico con propelente de kerosén (RP-1) como combustible líquido, así como oxígeno en estado líquido como comburente. Cada uno de estos motores generan un máximo de 845 KN (190.000 Lbf) de empuje cada uno, para un total aproximado de 1,7 millones de Libras de empuje (Lbf) a nivel del mar. La segunda etapa tiene un solo motor Merlin de unos 220.500 Lbf de empuje. En términos mecánicos y de aviación, esto es una potencia descomunal.

Estos nueve motores Merlin y parte de su combustible son también usados para el aterrizaje controlado de esta primera etapa del cohete, a su vuelta a la Tierra, para poder ser reusado.

Como modelo de comparación, los motores más utilizados actualmente por las aeronaves comerciales como el Airbus 320 y el Boeing 737 son los turbofán de la serie CFM56, construidos por la empresa CFM International, unión de empresas entre Snecma, Francesa y la G.E Aviation de Estados Unidos, los cuales tienen un promedio de 33.000 Lbf de empuje.

La diferencia de fuerza de empuje descomunal necesaria para impulsar un cohete, que solo está diseñado para llevar unos 7 astronautas y en este primer vuelo solo llevaba 2, al compararla con un avión de pasajeros con capacidad para cientos de pasajeros es abismal. A que se debe esto, pues muy sencillo, la cantidad de combustible necesario para poder llevar a cabo la misión de alcanzar el espacio es inimaginable. Veamos por qué.

El motor a reacción de un avión de pasajeros toma el aire de la atmosfera conteniendo oxígeno, el cual es comprimido por un compresor axial de varias etapas, y luego mezclado con el combustible, normalmente un kerosén, en la cámara de combustión. En ella una chispa continua enciende esta mezcla convertida en vapor de combustible, lo cual produce una explosión continua y una expansión de gases. Estos gases, dependiendo del tipo de motor, impulsan directamente la aeronave hacia adelante o hacen girar unas ruedas en la sección de potencia o turbina, que motorizan cajas de engranajes que a su vez mueven propelas o rotores. Una vez que el motor comienza a girar, continuará funcionando hasta que se quede sin combustible o sin aire.

Pero los motores de los cohetes deben funcionar en el vacío del espacio, donde no hay el oxígeno o el comburente necesario para que sea posible la combustión, por tanto, sean de combustibles criogénicos como hidrógeno/oxígeno o semicriogénicos como kerosén/oxígeno, ambos hay que transportarlos. La potencia de los motores debe estar calculado para levantar toda la estructura y el peso del combustible necesario sea hidrógeno o kerosén, sino que también debe sumar el peso del oxígeno líquido (LOX), necesario para hacer posible la combustión.

Si recuerdan las imágenes del transbordador espacial, antes del despegue, el enorme tanque marrón-anaranjado, pegado a la barriga del transbordador era el principal tanque de combustible criogénico, conteniendo el hidrógeno y el oxígeno. Levantar todo ese peso requería gran cantidad de energía, que requiere más combustible, que a su vez requiere más espacio y peso; hasta que, en cierto punto, el uso de cohetes de combustible líquido se vuelve impráctico. Se puede apreciar en el tamaño de los cohetes Saturno V con el transbordador espacial, donde no guardan relación las cargas útiles disponibles con los tamaños y potencias requeridas.

Aquí es donde entran en juego los impulsores de cohetes de combustible sólidos. Los cohetes largos y relativamente delgados que flanquean el transbordador espacial son impulsores de cohetes sólidos. Los impulsores de cohetes sólidos están llenos de polvo de óxido de aluminio. Hay una pequeña sección de material de inicio en la parte inferior para comenzar la ignición, y una vez que comienzan, la reacción es continua e imparable.

Pero es allí donde radica el problema más infranqueable de los cohetes de combustible sólidos, no se pueden apagar. Los propulsores de combustibles sólidos tienen más potencia que los motores de combustible líquidos, pesan menos, son mucho más confiables, pero no se pueden apagar, hasta que todo el combustible sólido se haya consumido.

Por otro lado, el papel aerodinámico tiene un papel fundamental, a diferencia de los aviones de pasajeros que tienen las superficies aerodinámicas que permiten la sustentación, en los cohetes estas superficies aerodinámicas de sustentación no existen, solo existen algunas para control direccional. Por tanto, es pura fuerza bruta la que impulsa los cohetes de manera vertical directo hasta el espacio.

Los científicos de la NASA , tomando en cuenta la falta de oxígeno en el espacio, requerido para obtener la chispa de ignición de cualquier carburante sólido, criogénico, gasolina o kerosén, tuvieron que resolver la motorización del módulo lunar Eagle y del módulo de mando Columbia con cohetes o motores de reacción con combustibles del tipo hipergólicos, aquellos combustibles cuyos componentes hacen ignición al solo mezclarse.

Los combustibles criogénicos son altamente eficientes, pero uno de sus problemas es el poder mantener el hidrógeno en estado líquido, lo cual requiere temperaturas de -253 centígrados. En el caso de los hipergólicos como la Hidrazina es que son altamente tóxicos y cancerígenos.

Otro factor de los cohetes es que no tiene forma aerodinámica posible que lo ayude a sustentarse como los planos o alas de un avión. En el caso de la primera etapa del Falcon 9 es también a punta de puro empuje de sus motores, la posibilidad de aterrizarlo de forma vertical, sobre unas patas desplegadas desde el fuselaje.

En el caso del módulo espacial Crew Dragon, el regreso es como en las antiguas naves espaciales Apolo, después de una entrada orientada en la atmosfera para evitar el excesivo calentamiento y luego de una caída libre controlada, tendrá un descenso en el mar con la ayuda de cuatro paracaídas redondos y un barco de rescate.

Una gran diferencia en esta nueva etapa de los viajes espaciales es que gran parte de los cohetes serán reutilizables y esto definitivamente bajará los costos.

 


La democracia muere cuando hay censura. Hoy tú puedes ayudar a mantener el periodismo independiente solo con USD 3 al mes. ¡Aporta y sé parte de la solución!


amex logo Master Card logo PayPal logo Visa logo Zelle logo