Rumbo al cosmos (15 page)

Pero no era éste el único factor en contra. Además de su relativamente baja eficiencia, otra de las grandes desventajas del motor cohete de propulsante sólido es la ausencia de refrigeración para sus elementos. Mientras que en un motor líquido el propio propulsante puede utilizarse como refrigerante de la tobera y la cámara de combustión antes de inyectarse en ésta, en un motor sólido no tenemos ningún líquido a mano para realizar esta función, y añadirlo expresamente para eso sería un sobrepeso inaceptable. Esto limita el tiempo de funcionamiento de este tipo de motores al que puedan soportar los materiales de la tobera sin fundirse. El tiempo típico de funcionamiento es el que se da en los misiles de corto alcance, con encendidos de apenas unos segundos (después, el misil vuela por propia inercia, con su motor apagado).

Una nueva generación

La situación cambió con los motores de propulsante sólido de nueva generación, como los aceleradores sólidos del Space Shuttle o los del lanzador europeo Ariane V. Por una parte, se desarrollaron nuevos compuestos químicos que elevaron los valores de impulso específico del propulsante (aunque aún lejos de los propulsantes líquidos de tipo criogénico), y por otra parte se desarrollaron nuevos materiales cerámicos para las toberas capaces de aguantar tiempos de encendido de hasta más de dos minutos, algo revolucionario frente a lo habitual en años anteriores.

Estas mejoras unidas al bajo coste y a la capacidad de desarrollar grandes niveles de empuje durante poco tiempo, hicieron de los cohetes sólidos una buena elección como elementos auxiliares en los despegues de los grandes lanzadores, a modo de aceleradores (habitualmente colocados en posiciones laterales alrededor de la primera etapa) que ayudan a los motores principales a levantar a esos gigantes del suelo, siendo habitualmente sustituidos por motores líquidos en las siguientes fases del vuelo.

El futuro: Ares I

El actual programa Constellation de la NASA, encargado de definir los lanzadores que sustituirán al transbordador espacial en el futuro próximo, eligió la tecnología de propulsión sólida para desarrollar el futuro cohete Ares I que enviará a los astronautas norteamericanos al espacio. Se aprovechaba así la tecnología ya existente para el Space Shuttle, adaptando sus aceleradores laterales para desarrollar el nuevo cohete con una considerable reducción de coste y plazos frente a otras opciones alternativas… y de paso, según algunos, permitía conservar los empleos de un gran número de trabajadores actualmente involucrados en trabajos similares para el transbordador. El resultado sería un cohete casi totalmente impulsado por propulsante sólido, con sólo una pequeña etapa superior de propulsante líquido encargada de inyectar a la nave Orión en su órbita definitiva.

Imagen: El cohete Ares I, encargado de llevar a la órbita terrestre la nave tripulada Orión, sería el primer lanzador tripulado de la historia en utilizar propulsante sólido. (
Imagen: NASA
)

La realidad, no obstante, está demostrando que la adaptación no es tan inmediata como se preveía en un principio. Otro de los inconvenientes de los motores de propulsante sólido es que son propensos a las inestabilidades de combustión, pequeñas oscilaciones en la presión interna (debido a que la combustión no es perfectamente homogénea) que provocan vibraciones en el vehículo. En el caso del Ares I, la modificación de la longitud del motor cohete sólido ha provocado que estas vibraciones que eran reducidas en el Shuttle se acoplen ahora con un modo de vibración del cohete, entrando en resonancia y amplificándose a niveles muy superiores a los originales, lo que está causando serios quebraderos de cabeza a los diseñadores para intentar amortiguarlas. La suma de retrasos y sobrecostes que estos y otros problemas están suponiendo al proyecto, están dando alas a los críticos que desde un primer momento se opusieron al uso de propulsantes sólidos para este menester. Y es que, como hemos visto a lo largo de este artículo, casi todos los sistemas en ingeniería tienen sus ventajas y sus inconvenientes; lamentablemente, la perfección no existe.

Más de uno habremos oído hablar de los cohetes de agua, o hasta jugado con ellos: esas botellas de plástico llenas parcialmente de agua y de aire a presión, que pueden llegar a alcanzar alturas de varias decenas de metros. Pues bien, aunque de forma muy diferente, podríamos decir que algunos de los más potentes lanzadores también se impulsan con el mismo combustible: agua.

Naturalmente, hay una importante diferencia, y es que en los motores cohete de tipo criogénico, el agua se inyecta disociada en sus componentes, hidrógeno y oxígeno. Es su combustión la que, a la vez que genera vapor de agua, proporciona el enorme empuje necesario para enviar grandes cargas al espacio. Son quizás los motores más ecológicos que existen, al no emitir ningún tipo de contaminante a la atmósfera; pero, eso sí, su complejidad está a años luz de los cohetes de agua con los que nos divertimos en el jardín de casa.

De todas formas, aunque hemos comenzado hablando de los motores de propulsante líquido de tipo criogénico, aquellos alimentados por hidrógeno y oxígeno, existen diferentes tipos de motores cohete líquidos, en función tanto del propulsante utilizado, como del funcionamiento interno del propio motor. Para distinguirlos, veamos a grandes rasgos cómo funcionan.

El motor de propulsante líquido

Aunque en sentido estricto podríamos empezar dividiendo los motores de propulsante líquido en los de monopropulsante o bipropulsante, vamos a centrarnos aquí en los segundos, los que utilizan dos líquidos que se combinan en una cámara de combustión para proporcionar empuje. Los de monopropulsante, principalmente utilizados para el control de actitud, podrán ser objeto de un artículo posterior.

En la cámara de combustión de un cohete de este tipo se combinan, como decimos, dos líquidos: un combustible y un comburente, o, dicho en terminología química, un oxidante y un reductor. En motores de tipo atmosférico, el oxidante lo aporta el aire exterior, con su oxígeno, pero en un cohete hay que llevarlo a bordo, siendo precisamente el oxígeno líquido el compuesto más típicamente utilizado como oxidante. Entre los combustibles podemos encontrar keroseno, metano o hidrógeno, entre otros. Sin embargo, en ocasiones no se utiliza oxígeno como oxidante: se trata de los propulsantes de tipo hipergólico, donde dos compuestos químicos se combinan espontáneamente en una reacción de tipo casi explosivo. En estos casos, el oxígeno forma parte de la composición de alguno de los componentes, que actúa así como oxidante; un ejemplo típico es la combinación de hidracina con óxidos de nitrógeno o ácido nítrico.

Sean cuales sean los componentes del propulsante, tienen que ser inyectados en la cámara de combustión a una alta presión, por encima de la existente en el interior para poder mantener el flujo de alimentación del motor; y el motor se diseña para que esta presión de cámara (provocada por la expansión de los gases al arder) sea muy elevada porque así se mejora la eficiencia. Ello obliga a utilizar potentes bombas para tomar el propulsante de los depósitos e inyectarlo en el motor a esas enormes presiones. Por poner un ejemplo, una sola de las bombas que alimentaban de propulsante a un motor F-1 de la primera etapa del Saturno V tenía tanta potencia como 30 locomotoras.

Evidentemente, bombas de esta magnitud tienen también un enorme consumo, mantenido durante todo el periodo de funcionamiento del motor. Alimentarlas con baterías eléctricas queda descartado, y ya desde los orígenes del motor cohete de propulsante líquido se vio que la mejor solución sería utilizar turbobombas, accionadas por turbinas movidas por los gases de escape del propio motor.

La primera idea de utilizar turbobombas en los motores de propulsante líquido fue desarrollada en secreto por Robert Goddard en los Estados Unidos a comienzos de los años 40, y de forma casi simultánea por Von Braun y su equipo en Alemania, que la implementarían con éxito en su famosa V-2. Pero en aquellos días las turbobombas operaban en un ciclo secundario, alimentado incluso por diferentes propulsantes; era otro motor para accionar el motor.

Hoy en día, lo normal es que los mismos propulsantes que alimentan el motor principal se utilicen también para mover las turbinas que accionan las bombas. Pero existen dos alternativas para hacerlo, que podríamos denominar ciclo abierto, o ciclo cerrado.

En el ciclo abierto (llamado técnicamente “ciclo de generador de gas”), el accionamiento de las bombas se produce en paralelo al funcionamiento del motor principal: una porción del propulsante de los depósitos se desvía a una pequeña cámara de combustión donde se generan los gases que moverán las turbinas, siendo estos gases luego expulsados al exterior. El resto del propulsante, impulsado por las bombas, se envía a la cámara de combustión principal para generar los gases que escaparán por la tobera provocando el empuje del motor.

Imagen: Esquema de funcionamiento del motor cohete líquido con ciclo de generador de gas. (
Esquema: J.Casado
)

En el ciclo cerrado (denominado formalmente “combustión escalonada”), en cambio, los gases resultantes de la primera combustión (la que mueve las turbinas) se inyectan en la cámara de combustión principal, contribuyendo también al empuje del motor. De esta forma la eficiencia aumenta, al no desperdiciarse nada de propulsante, pero a costa de aumentar enormemente la complejidad del motor. Efectivamente, no sólo es complicado técnicamente inyectar a enorme presión en la cámara principal los gases calientes (ya no líquidos) resultantes de la primera combustión, sino que además la presión y temperatura de combustión en dicha cámara también aumentan, con grandes exigencias para los materiales. Ello ha hecho que sólo los más sofisticados y potentes motores cohete opten por esta solución, como es el caso de los SSME (motores principales del Space Shuttle) o los rusos RD-0120 del Energiya.

Imagen: Esquema de funcionamiento del motor cohete líquido con ciclo de combustión escalonada. (
Esquema: J.Casado
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Una tercera opción para mover las turbinas es utilizar simplemente parte del propulsante que se ha utilizado para refrigerar la tobera y la cámara, sin someterlo a combustión. En este proceso, el refrigerante se ha expandido, aumentando su presión, y sirviendo para mover las turbinas; a la salida de éstas, se expulsa al exterior. Este ciclo, denominado de “sangrado de refrigerante”, es el más sencillo pero menos eficiente de los tres.

Imagen: Esquema de funcionamiento del motor cohete líquido con ciclo de sangrado de refrigerante. (
Esquema: J.Casado
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