Cohete

La mayor parte del cohete contiene el combustible líquido y un agente oxidante líquido. Combustible y agente oxidante se mezclan y arden en la cámara de combustión. La presencia del agente oxidante asegura que el combustible arda con mayor eficacia que si sólo dispusiera del oxígeno del aire circundante.

Cohete, término general que se aplica a cualquier dispositivo propulsado a reacción por la expulsión de los gases generados en una cámara de combustión (véase Propulsión a chorro). Dado que el combustible propulsor contiene carburante y un oxidante, el cohete puede propulsarse con independencia de su entorno, al contrario que otros motores a reacción, que utilizan el oxígeno presente en la atmósfera para quemar el carburante que transportan (véase Combustión). El motor de un cohete, por tanto, es autocontenido y resulta el único adecuado para propulsar vuelos dirigidos al espacio exterior.

El impulso para propulsar un cohete se basa en la tercera ley de la mecánica de Isaac Newton. Esta ley afirma que para cada acción existe una reacción de la misma intensidad y dirección opuesta. Puede entenderse el principio de funcionamiento del motor de un cohete si se piensa en el ejemplo de un recinto cerrado lleno con un gas comprimido. Dentro del recinto, el gas ejerce una misma presión sobre todos los puntos de las paredes. Pero si se hace un agujero en la parte inferior del recinto, el gas escapa por él y la presión que el gas ejerce sobre la parte de arriba ya no se ve contrarrestada por la de abajo. Entonces, la presión interna del gas empuja el recinto hacia arriba como reacción al chorro de aire que se escapa por debajo. La cantidad de empuje que desarrolla un motor de cohete depende, sobre todo, de dos factores: la velocidad a la que los gases abandonan la cámara de combustión y la masa de los gases que quedan en el interior.

Los cohetes se pueden dividir en dos tipos: los de carburante sólido, como los misiles balísticos intercontinentales (intercontinental ballistic missiles, ICBM), y los de carburante líquido, como el impulsor espacial Saturn 5 (véase Misiles teledirigidos). En ambos casos se llama motor a la cámara de combustión donde se quema el carburante. En un cohete de carburante líquido, los combustibles propulsores se almacenan en tanques separados y se hacen entrar en cantidades adecuadas dentro del motor; en los cohetes de carburante sólido la carga propulsora se almacena y se quema dentro del motor.

La palabra cohete se utiliza muchas veces para referirse tanto al dispositivo que produce el empuje como al conjunto del vehículo propulsado. Para evitar la ambigüedad, sobre todo en los casos de vehículos grandes, como los misiles o los cohetes de lanzamiento espacial, se llama motor del cohete al dispositivo propulsor del mismo.

COHETES DE CARBURANTE SÓLIDO

Los primeros cohetes de combustible sólido se propulsaban gracias a una mezcla que contenía los mismos ingredientes que la pólvora negra pero en proporciones diferentes. La pólvora en peso se compone de un 75% de salitre, un 12% de azufre y un 13% de carbón vegetal. La mezcla propulsora de los primeros cohetes se componía de un 60% de salitre, un 15% de azufre y un 25% de carbón vegetal. Debido a su distinta composición, la carga del cohete se quemaba con más lentitud que la pólvora.

Historia

El cohete de combustible sólido fue inventado por los chinos a principios del siglo XIII. El uso militar más antiguo del que se tenga noticia ocurrió en 1232 durante el asedio de Kaifeng, antigua capital de la provincia de Henan. Durante el ataque se lanzaron cohetes para incendiar las tiendas de campaña y las fortificaciones hechas de mimbre, que se resistían a las flechas. Unos años más tarde, ya se usaban cohetes en las operaciones militares de Europa y norte de África, pero después del siglo XV se usaron en particular para incendiar los aparejos de los barcos enemigos en las batallas navales. En la Europa del siglo XVI los cohetes también eran una parte primordial de los fuegos artificiales.

Sin embargo, en el Extremo Oriente los cohetes siguieron utilizándose como armas hasta bien entrado el siglo XVIII, fecha en la cual el Ejército del príncipe indio musulmán Haidar Alí, monarca de Mysore, tenía una división de infantería de lanzadores de cohetes. Éstos, fabricados con bambú, eran por lo general grandes y tenían un alcance de centenares de metros. Los lanzadores de cohetes ganaron las primeras dos batallas de Seringapatam, frente a las fuerzas británicas de la India.

Cuando las noticias de esas primeras derrotas llegaron a Gran Bretaña, el oficial de artillería William Congreve decidió estudiar la utilidad del cohete como arma de guerra. En pocos años habían mejorado tanto los cohetes de los fuegos artificiales que se disponía de alguno con un alcance de unos 3.300 metros. Sus cohetes tenían una carcasa de hierro con una carga de 3 kilogramos de material incendiario. La vara que se empleaba para estabilizar su vuelo tenía una longitud de 4 metros y el peso total del cohete era de 14 kilogramos.

El cohete de Congreve se utilizó por primera vez en 1805 durante las Guerras Napoleónicas, cuando Gran Bretaña atacó el puerto de Boulogne, en Francia, con el objetivo de destruir la flota de barcazas que Napoleón había almacenado, en preparación de una futura invasión de Gran Bretaña. Los cohetes y el ataque fallaron, debido a las extremas condiciones meteorológicas. Pero al año siguiente los cohetes de Congreve fueron usados con gran éxito en un segundo ataque a Boulogne. En 1807, la ciudad de Copenhague y una gran flota francesa anclada en su puerto fueron destruidas, casi en su totalidad, en un ataque naval durante el cual se lanzaron miles de cohetes. En 1813 la ciudad libre de Danzig (Gdańsk) se vio forzada a rendirse, cuando los cohetes británicos incendiaron y destruyeron las reservas de comida de la ciudad. También se crearon brigadas de cohetes en las fuerzas de tierra y muchas de éstas participaron en acciones victoriosas, contra Estados Unidos, en la Guerra Anglo-estadounidense. Los cohetes de Congreve se usaron cuando la nave británica Erebus bombardeó el Fuerte McHenry en Baltimore, Maryland. Los mismos cohetes también se utilizaron en la batalla de Waterloo, donde fue derrotado Napoleón.

Hacia 1825, casi todos los países europeos habían copiado el cohete de Congreve y habían constituido brigadas de cohetes. En 1847 el inventor británico William Hale desarrolló un cohete de giro estabilizado, con lo que pudo eliminar el peso muerto de la vara aerodinámica. El cohete de Hale tenía agujeros de estabilización. Los modelos posteriores se construyeron con aspas de estabilización en la parte de atrás. La patente de estos cohetes fue comprada por Estados Unidos y se utilizaron en la Guerra Mexicano-estadounidense y en la Guerra Civil estadounidense.

Sin embargo, el empleo de los cohetes en la guerra empezó a declinar después de 1850, debido a la aparición de cañones más ligeros y de bombas estabilizadas de mayor precisión. Una aplicación pacífica de los cohetes durante el siglo XIX residió en el desarrollo de cohetes salvavidas. Antes de la época del vapor, los barcos de vela embarrancaban con frecuencia durante las tormentas en las costas de Gran Bretaña y del norte de Europa. Utilizando un cohete de Congreve se podía lanzar una cuerda ligera desde la costa hasta el barco necesitado de socorro. Después se tiraba de ella y se hacía llegar una soga más resistente, con lo que se podía arrastrar los barcos salvavidas hacia la costa o instalar un sistema de boyas mediante el cual los marineros podían salir del barco utilizando una maroma.

Hacia 1880 ya existían los cohetes balleneros. Eran arpones propulsados por un motor de cohete que se lanzaban desde un pequeño barco. Una carga explosiva situada en la punta mataba a la ballena y enganchaba un garfio atado a la cuerda que llegaba hasta el barco. También se usaban con frecuencia para hacer señales en el mar. A finales del siglo XIX, los militares utilizaban poco los cohetes. Pero unos cuantos científicos, como el físico ruso Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, sugirieron que se empleasen para propulsar vehículos espaciales capaces de realizar vuelos interplanetarios.

Los cohetes se utilizaron durante la I Guerra Mundial para hacer señales, aunque los franceses también lo hicieron para derribar globos de observación llenos de hidrógeno. El físico estadounidense Robert Goddard experimentaba en esa época con cohetes de carburante sólido y construyó un famoso cohete para realizar mediciones científicas a mayor altitud de la que podía alcanzar un globo. Cuando los Estados Unidos entraron en la I Guerra Mundial, en 1917, Goddard ofreció sus servicios al Ejército estadounidense. Se hicieron algunas pruebas previas unos días antes de que terminase la guerra, en noviembre de 1918. Goddard había mejorado su modelo original utilizando pólvora sin humo en vez de la pólvora negra. También había añadido una tobera convergente-divergente diseñada de un modo más correcto, que mejoraba en gran medida la eficacia del motor.

Unos veinte años más tarde, Clarence N. Hickman, uno de los ayudantes de Goddard, mejoró más este pequeño cohete. El resultado fue el cohete anticarros, cuya cabeza explosiva le confería una gran potencia. Al dispararse, sin retroceso, por un tubo lanzador o lanzagranadas apoyado en el hombro de un soldado de infantería, llegaba a tener un alcance de unos 180 metros. Una carga explosiva de 200 gramos atravesaba un blindaje de unos 17 centímetros de espesor. Las modificaciones y mejoras posteriores hicieron que este arma, de 6 centímetros de diámetro, llegase a tener un alcance de 640 metros. Las modificaciones posteriores a la guerra produjeron el llamado superlanzagranadas, que tenía doble capacidad de penetración y un alcance de 730 metros.

Los Estados Unidos construyeron cohetes con un calibre de 11,3 milímetros que la artillería podía disparar desde lanzadores múltiples, y los soldados podían transportar como armamento individual y disparar desde el tubo o caja de transporte. También podían dispararse desde lanzadores simples o múltiples instalados en las alas de los aviones. Su longitud podía ir desde los 76 centímetros del cohete de artillería estabilizado por giro, hasta los 1,90 metros de un cohete estabilizado por alerones para aviones. Este último podía ser muy preciso. El modelo más usado en los aviones fue el Cohete de Aeronave de Alta Velocidad (en inglés High Velocity Aircraft Rocket, HVAR). Tenía unos 12 centímetros de largo y transportaba una cabeza explosiva de unos 21 kilogramos a una velocidad de 410 metros por segundo, con un alcance de más de 4.570 metros.

Los científicos alemanes desarrollaron dos tipos de cohetes de bombardeo. El Nebelwerfer, de 15 centímetros, y el Wurfgerät, de 21 centímetros. A pesar de su nombre, que significa ‘humeante’, el primero transportaba una cabeza explosiva de gran potencia, mientras que el Wurfgerät llevaba cabezas incendiarias. El Nebelwerfer fue modificado tiempo después para funcionar como una potente arma aire-aire.

Construcción

Estos ingenieros realizan pruebas ultrasónicas en un misil, a la vez que estudian posibles problemas. Una amplia base de conocimientos permite a los ingenieros reconocer fallos potenciales en un sistema aunque no pertenezcan a su especialidad.

Después de la II Guerra Mundial se construyeron cohetes de carburante sólido para muchos fines, en especial como propulsores de misiles teledirigidos. Las partes principales de un cohete de carburante sólido son la carga, que puede ser de explosivos o de instrumentos científicos, y la cámara de combustión o motor, que contiene la carga de carburante y válvulas para expulsar los gases de la combustión. También puede tener alerones para estabilizar su vuelo.

Los cohetes de carburante sólido de hoy en día pueden clasificarse en dos tipos: los de combustión libre y los de combustión restringida o con carga lateral. Un ejemplo de los cohetes de combustión libre son los HVAR de la II Guerra Mundial, cuya carga era un bloque de pólvora de sección cruciforme suspendido en el centro del motor del cohete. Esta carga ardía en todas sus superficies excepto en los dos extremos, que estaban protegidos por plásticos no inflamables. Una carga de combustión libre también puede tener la forma de un tubo grueso que arda por dentro y por fuera. Sea cual sea la forma de la carga de combustión libre, siempre se la llama carga y lo que la mantiene en su lugar son las sujeciones. Las cargas de combustión libre han llegado a arder durante menos de un segundo.

Para obtener tiempos de combustión más largos, se emplean cargas de combustión lateral. Éstas arden a través de su sección o, si está hueca, desde el centro hacia el exterior del cohete. Este sistema permite reducir el espesor de la superficie metálica porque durante casi todo el tiempo de combustión el tubo metálico está reforzado por lo que queda de la carga.

Las cargas de carburante sólido modernas son muy grandes. Por ejemplo, cuando el misil Trident-II D5 es lanzado desde un submarino pesa unos 59.000 kilogramos. Los dos propulsores de carburante sólido de la lanzadera espacial SRB (del inglés Solid Rocket Boosters) pesan más de medio millón de kilos por unidad. Cada uno de ellos está fabricado con 11 segmentos de acero y son los cohetes de combustible sólido más grandes que se han hecho en Estados Unidos. Después de la catástrofe del Challenger se rediseñaron las uniones entre segmentos para evitar que se pudiera repetir la dificultad que provocó la explosión de la nave espacial.

El problema de diseñar un misil defensivo antibalístico ABM (del inglés, AntiBallistic Missile) que intercepte ICBMs reside en que es preciso combinar tiempos de reacción muy cortos y grandes aceleraciones. Los cohetes de carburante sólido son los que mejor se adaptan a estas necesidades, y es por lo que los ABM Safeguard utilizan carburantes sólidos. Este tipo incluye los modelos Sprint, un misil de intercepción de baja altitud (24-40 km), y el Spartan, un misil antibalístico de gran altitud (más de 160 km).

Los propulsores sólidos modernos son gomas sintéticas mezcladas durante su fabricación con oxidantes como el perclorato de amonio. Las gomas sintéticas son buenos combustibles que también tienen la ventaja de ser bastante flexibles, con lo que no se producen roturas si se tratan con rudeza. La mezcla de goma sintética y perclorato de amonio puede hacerse más poderosa si se le añaden metales en polvo como el aluminio.

COHETES DE CARBURANTE LÍQUIDO

Cohete

El desarrollo de los cohetes de carburante líquido empezó en la década de 1920. El primer cohete de combustible líquido fue construido por Goddard y lanzado en 1926, cerca de Auburn en Massachusetts. El primer cohete alemán de combustible líquido, construido también por iniciativa privada, se lanzó cinco años más tarde. A finales de 1932 la Unión Soviética lanzó el suyo por primera vez. El primer gran cohete de combustible líquido que tuvo éxito fue el V-2 experimental alemán, diseñado durante la II Guerra Mundial bajo la dirección de Wernher von Braun, experto en cohetes. El V-2 fue lanzado por primera vez el 3 de octubre de 1942 desde la base de investigación Peenemünde, en la isla de Usedom.

Descripción

En la primera generación de cohetes de carburante líquido, la punta es la que lleva la carga, que puede ser una cabeza explosiva o instrumentos científicos. La parte adyacente a la cabeza, por lo general, contiene el equipo de guía como un giróscopo o brújula giroscópica, los sensores de aceleración o un ordenador. Después vienen los dos tanques principales: uno de ellos contiene el carburante y el otro el agente oxidante. Si el tamaño del cohete no es muy grande ambos componentes pueden conducirse al motor presurizando sus tanques con algún gas inerte. Para cohetes grandes este método no es práctico, porque los tanques serían desproporcionadamente pesados. Por tanto, en los grandes cohetes de carburante líquido, se obtiene la presión mediante bombas situadas entre los tanques y el motor del cohete. Dado que las cantidades de combustible que deben ser bombeadas son muy grandes (hasta el V-2 quemaba 127 kilos de carburante por segundo), la bomba necesaria es una centrífuga de alta capacidad, motorizada por una turbina de combustión. El conjunto formado por la turbina y su combustible, las bombas, el motor y todo su equipo asociado forman el motor de un cohete de carburante líquido.

Con la llegada de los vuelos espaciales tripulados, la carga evolucionó y aparecieron una serie de cohetes como los Mercury, Gemini y Apolo (véase Astronáutica). Por fin, con la lanzadera espacial, el cohete de carburante líquido y su carga se integran en una sola unidad.

Carburantes líquidos

Aunque la mayor parte de los científicos que iniciaron el campo de los cohetes de combustible líquido usaron gasolina, lo normal es la utilización de alcohol etílico o queroseno refinado. El alcohol etílico (combustible de cohetes militares como el V-2, el Viking y el Redstone) se quema con el oxígeno líquido que, sin embargo, tiene el inconveniente de que su punto de ebullición es tan bajo que las pérdidas por evaporación son considerables.

La búsqueda de un sustituto para el oxígeno líquido ha llevado al descubrimiento, en parte por accidente, de un nuevo tipo de carburante líquido: los hipergoles. Se componen de ácido nítrico como oxidante y de anilinas o hidracinas como combustible. Un carburante hipergólico no necesita que se produzca la ignición, ya que el combustible y el oxidante se encienden de modo espontáneo al entrar en contacto. Dentro de las hidracinas, la dimetilhidracina asimétrica es en especial eficaz para provocar la ignición espontánea.

El hidrógeno líquido es, en teoría, el combustible más eficaz, pero es difícil y peligroso de manejar. Sin embargo, los problemas que conlleva el hidrógeno fueron solucionados con éxito por los ingenieros aeronáuticos estadounidenses que trabajaron en los cohetes de lanzamiento espacial Centaur y Saturn 5, así como en la lanzadera espacial.

Cohetes híbridos

En un cohete híbrido el combustible es sólido, por lo general algún tipo de plástico, y el oxidante es un líquido, que puede ser oxígeno líquido o en algunos casos ácido nítrico. El líquido se almacena bajo presión en un tanque presurizado sobre el combustible, que arde hacia el exterior desde un agujero central. Este sistema combina las ventajas de los sólidos (fácil manejo) con las ventajas de los líquidos, que permiten regular la velocidad de la combustión, o su detención si se corta el flujo de líquido oxidante. Es probable que los sistemas híbridos se usen sobre todo para cambiar la dirección o para realizar ajustes en la velocidad.

Algunos misiles y aeronaves se propulsan mediante cohetes de varias fases que utilizan carburantes líquidos en unas y sólidos en otras. Un ejemplo de este caso es el cohete que empuja al lanzador espacial Titan III C de las Fuerzas Aéreas Estadounidenses. Dispone de dos cohetes de propulsión desechables con carburante sólido, asociados a las fases superiores de carburante líquido.

Toberas de cohetes

Los motores de cohetes de altas prestaciones, como los que se usan en los vehículos espaciales que funcionan en el vacío, necesitan toberas muy grandes para alcanzar la velocidad de escape supersónica necesaria. La tobera debe tener una parte que se estrecha desde la cámara de combustión hasta llegar a la parte más fina llamada garganta, donde se alcanza la velocidad del sonido, y luego una parte que se ensancha. El diámetro de la tobera a la salida puede ser unas cuatro o cinco veces el diámetro que tenga en la cámara de combustión.

Los gases calientes a altas velocidades que rozan las paredes de la tobera provocan un grave problema de disipación de calor, sobre todo si el tiempo de funcionamiento puede llegar a ser de minutos más que de segundos (véase Transferencia de calor). Este problema de disipación térmica es más importante en los alrededores de la garganta, donde se utiliza un sistema de refrigeración regenerativa en los cohetes de carburante líquido. En un motor de hidrógeno líquido y oxígeno, por ejemplo, el hidrógeno puede bombearse a través de pequeños tubos que formen las paredes de la tobera. El hidrógeno superenfriado es introducido en la fase supersónica y desde allí fluye hasta la cámara de combustión.

Un motor de cohete avanzado que es mucho más eficiente que el de motor de hidrógeno líquido-oxígeno líquido es el motor nuclear. Una forma de medir la capacidad del motor de un cohete es la masa de carburante que se gasta por segundo. Esto se llama el impulso específico. Mientras que el motor de hidrógeno-oxígeno tiene un impulso de unos 200 kilogramos por segundo, el motor nuclear, que se desarrolló en las décadas de 1960 y 1970 en Estados Unidos, tenía un impulso de unos 500 kilogramos por segundo. Este motor usa hidrógeno líquido que se vaporiza y calienta a altas temperaturas con un reactor de fisión nuclear. El hidrógeno no llega a arder sino que se limita a atravesar la tobera del cohete a grandes presiones y a altas velocidades. Este motor fue diseñado para ser utilizado desde el espacio, más que para lanzar cohetes desde tierra. Su principal aplicación hubiera podido ser el de propulsor de un servicio de lanzadera entre la Tierra y la Luna, o de las misiones espaciales a otros planetas.

Otros modelos diferentes de motores de cohetes se investigan para su uso futuro en misiones espaciales prolongadas durante la travesía de regiones con un débil campo gravitacional. En esas condiciones, pueden utilizarse cohetes de poco impulso, si éste puede mantenerse durante un largo periodo utilizando el combustible de modo eficiente. A continuación se describen algunos de los motores que pueden utilizarse para este fin. El motor de chorro de plasma contiene un gas ionizado muy caliente, al que se le permite escapar de la parte trasera del motor a gran velocidad (véase Ionización). Algunos modelos del motor de plasma aceleran el gas ionizado mediante campos electromagnéticos. El motor de iones expulsa átomos ionizados, de cesio por ejemplo, a gran velocidad, gracias a un campo electrostático (véase Ion). El motor fotónico podría expulsar fotones, o partículas de luz, a la velocidad de la luz (véase Fotón). Aunque la cantidad de energía de un solo fotón es infinitesimal, la enorme cantidad de fotones eyectados permitiría al motor fotónico mantener un pequeño impulso, durante un prolongado periodo de tiempo.

Otras aplicaciones de los cohetes

Además de su utilidad militar, los cohetes de carburante sólido también se emplean hoy en día como señales de socorro lanzadas desde barcos, aviones o desde el suelo; como vehículos de prueba en la investigación de misiles guiados y para llevar cables a través de los ríos, en la construcción de puentes. En algunos casos los cohetes de carburante sólido han transportado instrumentos científicos a gran altura para la investigación de los rayos cósmicos. Un tipo especial de cohete de carburante sólido se emplea en los despegues de aviones cargados en exceso para ayudarles a despegar.

Los cohetes de carburante líquido, además de utilizarse en los misiles, se emplean para transportar los instrumentos científicos en las investigaciones de gran altitud, y para propulsar los vehículos de prueba con forma de almádena utilizados en medicina aérea y en la investigación balística (véase Medicina aerospacial; Balística).