PROPULSION ESPACIAL

Se denomina propulsión espacial a cualquier tecnología capaz de impulsar una nave por el espacio. Para efectuar viajes espaciales es necesario algún sistema de propulsión capaz de imprimir aceleración a los vehículos. Debido al vacío del espacio exterior, cualquier aceleración deberá basarse en la tercera ley Newton (o ley de acción y reacción), según la cual, «por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad pero de sentido contrario». De esta manera, si un objeto expulsa parte de su masa en una dirección, el resto del objeto se desplazará en sentido contrario. Este es el fundamento de los motores a reacción, también llamados de «propulsión a chorro»: en ellos, parte de la masa de la nave (el combustible) es expulsada a gran velocidad en una dirección, ocasionando que el resto de la nave se desplace en el sentido opuesto.

El motor más empleado para la propulsión de naves espaciales es el motor cohete, pues es capaz de generar una enorme potencia y, a diferencia de otros tipos de motores, no necesita de oxígeno atmosférico para funcionar. Sin embargo, a pesar de la gran potencia de los motores cohete no pueden funcionar en el vacío al no cumplir con la tercera ley de Newton las enormes distancias espaciales demandan motores, capaces de viajar por el espacio. Con este propósito se están desarrollando los motores iónicos, que gracias a la mayor velocidad de salida del propelente pueden ser diez veces más eficientes. Aun así, ningún motor conocido hasta el momento es capaz de obtener velocidades suficientes como para plantear viajes interestelares. No obstante, existen diversas alternativas a los motores a reacción: la más inmediata la constituyen las velas solares, capaces de obtener impulso de la radiación solar, del viento solar, incluso de rayos láser o de microondas enviados desde la Tierra.

Los satélites artificiales deben ser lanzados para ser puestos en órbita. Y una vez que han alcanzado su posición estacionaria en la órbita nominal, necesitan alguna manera de control de actitud para que se puedan mantener apuntando una cierta posición entre la Tierra, el Sol y posiblemente algunos objetos astronómicos de interés. Los satélites no sufren por lo general una resistencia aerodinámica apreciable (si bien en las órbitas más bajas todavía persiste una enrarecida atmósfera remanente). Por este motivo pueden permanecer en órbita durante largos períodos con solo una pequeña cantidad de propelente, utilizado tanto para propulsarse como para realizar pequeñas correcciones. Muchos satélites necesitan ocasionalmente moverse de unas órbitas a otras y precisan por tanto de una cierta cantidad de propelente. Cuando este tipo de satélites han agotado su capacidad para hacer estas operaciones, se dice que su vida útil se ha agotado.

Durante la fase de lanzamiento todas las naves espaciales emplean cohetes de propelente químico, bien en estado líquido (propelente y oxidante separados), o bien sólido (propelente y oxidante mezclados). Aunque para órbitas bajas y cargas medianas y pequeñas existen algunos diseños recientes, tales como el cohete Pegaso o la nave SpaceShipOne), que durante la primera fase del lanzamiento, aprovechan la sustentación aerodinámica y el oxígeno presente en la atmósfera para la combustión, evitando así tener que cargar con él en el propio cohete, reduciendo los costes.

Las naves espaciales que realizan viajes interplanetarios han de recorrer largas distancias. Por esta razón, además del lanzamiento requerido para abandonar la atmósfera de la Tierra (como en el caso de los satélites) necesitan un segundo sistema de propulsión para viajar por el espacio o, al menos, para poder corregir su trayectoria. Las naves interplanetarias realizan estas correcciones mediante pequeñas propulsiones de corta duración, mientras que generalmente, su desplazamiento principal se basa únicamente en su impulso inicial y simplemente tienen un comportamiento de caída libre a través de su órbita.

MOTOR COHETE

Un motor cohete es un motor de combustión interna que genera empuje mediante la expulsión a la atmósfera de gases que provienen de la cámara de combustión. Los motores cohete incorporan tanto el combustible, que suele ser queroseno o hidrógeno líquido, como el comburente (oxígeno en estado gaseoso o generalmente líquido).

El motor cohete es el motor más potente conocido y su relación peso/potencia lo convierte en el motor ideal para ser usado en naves espaciales.

TIPOS

Existen varias clasificaciones de cohetes. La inmensa mayoría son cohetes químicos que obtienen la propulsión mediante reacciones químicas exotérmicas del propelente. Estos a su vez se dividen en:

Motores de propergol sólido. Se refiere a los motores que emplean sustancias sólidas, por lo general una mezcla que se enciende.

Motores de propergol líquido. Emplea uno o más propergoles líquidos que se mantienen en tanques antes del encendido. Según la técnica empleada para llevarlos a la cámara de combustión existen varios ciclos: presurizado el tanque, mediante un generador de gas, ciclo

expansor y combustión escalonada. Existe una clase de propergoles que arden cuando entran en contacto, los propergoles hipergólicos, que eliminan la necesidad de un sistema de encendido. Otra variante son los cohetes monopropelentes que utilizan un solo propulsor, descompuesto mediante un catalizador. Los compuestos más empleados para monopropelentes son la hidrazina y peróxido de hidrógeno.

Motores de propergol híbrido tienen un propulsor sólido en la cámara de combustión y

un segundo propelente líquido o gas se añade para realizar la combustión.

Los cohetes térmicos son cohetes donde el propelente es inerte, pero se calienta por una fuente de energía, generalmente no química, tal como solar, nuclear o radiante. Existe un motor que emplea un método muy similar, el motor iónico, que emplea una fuente de energía externa para acelerar iones. Aunque es un motor a reacción no es propiamente un cohete ya que no emplea una tobera.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los motores cohete producen el empuje por la expulsión a alta velocidad de un fluido. Este fluido es, casi siempre, un gas generado por la combustión dentro de una cámara de

combustión a alta presión (10-200 bar) de propergoles sólidos o líquidos, que consta de dos componentes: combustible y oxidante. El escape de fluido se hace pasar a través de una tobera de propulsión supersónica que utiliza la energía calorífica del gas para acelerar el escape a una velocidad muy alta, y la fuerza de reacción a esta empuja el motor en la dirección opuesta.

(Fig 1)

La presión dentro de la cámara de combustión impulsa a los gases hacia la tobera (Fig 1).

Cámara de combustión

En los cohetes químicos, la cámara de combustión es generalmente sólo un cilindro y muy pocas veces se utilizan estabilizadores de llama. Las dimensiones del cilindro son tales que los propergoles son capaces de reaccionar completamente; diferentes propergoles requieren diferentes tamaños de cámara de combustión para que esto ocurra.

Toberas

La tobera con su cono de expansión en forma de gran campana o boquilla da al motor cohete su forma característica.

En los cohetes, el gas caliente producido en la cámara de combustión se permite escapar de la cámara de combustión a través de una abertura (la "boca"), dentro de una boquilla de alta expansión relación 'de Laval'.

Cuando se proporciona suficiente presión a la tobera (aproximadamente 2,5 a 3 veces por encima de la presión ambiente) de la boquilla reactancias y un chorro supersónico se forma, acelerando dramáticamente el gas, convirtiendo la mayor parte de la energía térmica en energía cinética.

Las velocidades de escape varían dependiendo de si la relación de expansión de la boquilla está diseñada para dar. No es raro que la velocidad de escape sea tan alto como diez veces la velocidad del sonido en el aire al nivel del mar.

Contrapresión Y Expansión Óptima

Para un rendimiento óptimo de la presión del gas en el extremo de la boquilla sólo debe ser igual a la presión ambiental: si la presión de los gases de escape es menor que la presión ambiente, a continuación, el vehículo será frenado por la diferencia de presión entre la parte superior del motor y la salida, por el otro lado, si la presión de los gases de escape es más alta, entonces la presión de escape que podría haber sido convertida en empuje no se convierte, y la energía se desperdicia.

Orientación Del Empuje

Los vehículos requieren típicamente la orientación general de cambiar de dirección sobre la longitud de la quemadura. Un número de diferentes maneras para lograr esto han sido volado:

Todo el motor está montado en una bisagra o un cardán y cualquier propelente alimenta llegar al motor a través de tuberías de baja presión flexibles o acoplamientos giratorio.

Sólo la cámara de combustión y la tobera se gimbled, las bombas son fijos, y se alimenta a alta presión adjuntar al motor.

Varios motores (a menudo inclinadas en ángulos ligeramente) se despliegan pero estrangulado para dar el vector general de lo que se requiere, dando sólo una penalización muy pequeña.

Paletas, que soportan alta temperatura, penetran en los gases de escape y se puede inclinar para desviar el chorro.

Los motores son fijos, y propulsores vernier se utilizan para dirigir el vehículo. Inyección de agua dentro de la tobera.

Rendimientos Típicos De Propelentes Comunes

Regulación De La Potencia

La potencia se puede regular mediante el control de la tasa de combustión de los propelente (usualmente medida en kg/s o libras/s). En los cohetes líquidos e híbridos, el flujo de propergol que entra en la cámara se controla por medio de válvulas, en los cohetes sólidos se controla cambiando el área de propelente que se está quemando y esto se realiza con el diseñado del grano propulsor (y por lo tanto no se puede controlar en tiempo real, sino que es algo preestablecido).

Generalmente se pueden regular hacia abajo hasta una presión de salida de alrededor de un tercio de la presión ambiente (a menudo la separación del flujo limite en las toberas) y hasta un límite máximo determinado únicamente por la resistencia mecánica del motor.

Ignición

En los cohetes líquidos e híbridos, el encendido inmediato del propelgol, ya que primero entra en la cámara de combustión es esencial.

Con propulsores líquidos (pero no gaseoso), si no se enciende en milisegundos suele causar que exista demasiado propelgol líquido dentro de la cámara, y cuando se produce la ignición la cantidad de gas caliente creado a menudo excede la presión máxima de diseño de la cámara. El recipiente a presión a menudo fallan catastróficamente. Esto se denomina a veces un comienzo duro.

La ignición se puede lograr mediante un abanico de diferentes métodos; se puede utilizar una carga pirotécnica, una antorcha de plasma, o descargas eléctricas de encendido puede ser empleado. Algunas combinaciones de combustible/comburenta se inflaman al entrar en contacto (hipergólicos), y los propergoles no hipergólicos puede ser "encenderse químicamente" cebando las líneas de combustible con propergoles hipergólicos (popular en los motores rusos).

Los propregoles gaseosos generalmente no causa dificultades en el arranque, la superficie total de inyector es menor que la garganta por lo tanto la presión de la cámara tiende a temperatura ambiente antes de la ignición y no pueden formar altas presiones incluso si toda la cámara está llena de gas inflamable en la ignición.

Los propelentes sólidos generalmente se encienden con un solo disparo de artificios pirotécnicos.