Un cohete espacial es un vehículo el cual por lo general se emplea con el propósito de enviar al espacio diferentes artefactos como sondas espaciales o bien personas. En la actualidad existes diferentes tipos de cohetes espaciales y en el presente artículo nos dedicaremos a exponer cada uno de ellos.
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¿Qué es un cohete espacial?
Un cohete espacial es una máquina que es impulsada a partir de un motor de combustión, el cual produce la energía cinética requerida para que los gases puedan expandirse, posteriormente los mismos son arrojados a través de un tubo propulsor. Por lo general, los vehículos espaciales que presentan un motor de propulsión de este tipo se les conoce como cohete o misil. Los cohetes espaciales cumplen con la función de entregar en el espacio objetos, como satélites artificiales y sondas espaciales o naves espaciales y hombres al espacio.
Todos los cohetes espaciales están constituidos por una estructura, un motor de propulsión a reacción y una carga útil. Dicha estructura tiene la responsabilidad de proteger los tanques de combustible y oxidante y la carga útil.
¿Cómo funcionan?
El principio para el funcionamiento de los cohetes espaciales se encuentra basado en la tercera ley de Newton, la ley de la acción y reacción, la cual dicta que: “a toda acción le corresponde una reacción, con la misma intensidad, misma dirección y sentido contrario”.
Dentro de una cámara cerrada en donde haya un gas en combustión. La quema del mismo producirá presión en todas las direcciones. Por otro lado, dicha cámara no se moverá en ninguna dirección, dado que las fuerzas en las paredes opuestas de la cámara se anularán.
Si se diera una abertura en la cámara por donde los gases pudieran escapar, esto daría como consecuencia un desequilibrio. La presión ejercida en las paredes laterales opuestas seguirán sin ejercer fuerza, pues la presión de un lado anulará a la del otro. Mientras que la presión que se da en la parte superior de la cámara iniciará un empuje, dado que no hay una presión en el lado de abajo.
De esta manera, el cohete se desplazará hacia arriba por reacción a la presión ejercida por los gases en combustión en la cámara de combustión del motor. Es por este motivo que recibe el nombre cohete de propulsión a reacción. Ya que en el espacio no hay oxígeno para que se de la quema de combustible, el mismo debe llevar almacenado en tanques no sólo el combustible (carburante), sino también el oxidante (comburente).
La magnitud del empuje producido puede variar según la masa, así como la velocidad de los gases expelidos por la abertura. Por lo que a mayor sea la temperatura de los gases expelidos, mayor será el empuje.
Así, se origina el problema de proteger la cámara de combustión y la abertura de las altas temperaturas producidas por la combustión. Una solución a este incidente es el cubrir las paredes del motor con un fino chorro del propio propelente empleado por el cohete, para así crear un aislante térmico y refrigerar el motor.
¿Para qué se utilizan?
Los cohetes espaciales conforman un grupo seguro especializado para el poder llevar cargas útiles a grandes velocidades de un punto a otro. Al emplearlo como un arma, el cohete puede llevar consigo material explosivo (convencional o nuclear) a grandes distancias en un tiempo corto, tomando al enemigo por sorpresa. Asimismo, los cohetes tienen una serie de ventajas en cuanto a los proyectiles, puesto que poseen un radio de acción más grande y su trayectoria puede ser controlada.
En una misma línea de ideas, fuera del campo militar estos vehículos también sirven para lanzar objetos al espacio exterior, poniéndolos en la órbita de la Tierra. Para este propósito estas máquinas son el único recurso disponible.
Por un lado, los cohetes tienen la capacidad de alcanzar la velocidad necesaria para esta aplicación, también pueden propulsarse en el vacío del espacio. Otros medios de trasporte espacial requieren de un medio material sobre el que desplazarse, o bien obtienen algún elemento esencial para su funcionamiento del medio.
A pesar de todo lo mencionado, los cohetes espaciales aun son ineficaces al momento de lanzar objetos al espacio. Esto se debe a que por su propia naturaleza, el tamaño de los cohetes debe ser mayor que el del objeto a trasportar, lo que significa que la energía a emplear para el viaje debe ser mucho mayor. No obstante, los cohetes siguen siendo la única opción viable para trasladar objetos al espacio.
Un uso ligeramente diferente que se le puede dar a los cohetes está dentro de los estudios de microgravedad. Un cohete puede posicionar a cualquier objeto dentro de una trayectoria balística fuera de la atmósfera, en el que el mismo no será sometido por la fuerza de rozamiento del aire y estará en una situación de caída libre, equivalente a la ausencia de gravedad para muchos fenómenos físicos.
Tipos de cohetes espaciales
Una vez que ya se ha conocido a detalle lo que son los cohetes espaciales, su modo de funcionamiento y la utilidad que se les da, llego la hora de hablar de los tipos de cohetes que existen hasta los días actuales de manera profunda.
Combustible líquido
Un propulsor de combustible líquido es un tipo de motor de cohete en donde se emplea propelentes líquidos. Los líquidos tienen la ventaja de que su densidad razonablemente alta hace que el volumen de los tanques de almacenamiento de los propelentes sea mucho menor. Además es posible el utilizar turbobombas centrífugas ligeras para impulsar el propelente desde los tanques hasta la cámara de combustión, lo que significa que los propulsores podrán estar con una menor presión.
En algunas ocasiones se emplean motores más pequeños y simples de un gas inerte almacenado en un tanque a alta presión en vez de bombas para forzar el paso de los propulsores a la cámara de combustión. Este tipo de motores tienen una relación de masa más baja, pero son mucho más fiables, y son utilizados para el mantenimiento de la órbita en satélites.
Los propulsores de combustibles líquidos pueden estar hechos con un solo componente (tipo “monopropelente”), con dos (tipo “bipropelente”) o en raras ocasiones tres (tipo “tripropelente”). Algunos de estos se realizar para dar un empuje variable y otros tienen la opción de reiniciarse luego de un apagado anterior en el espacio. Los propulsores líquidos también son empleados como cohetes híbridos, en los cuales un oxidante líquido habitualmente se mezcla con un combustible sólido.
Combustible sólido
Un cohete de combustible sólido es un modelo en el cual se emplea un motor de propulsor sólido. Este tipo de cohetes fueron los primeros en ser utilizados mediante la integración de la pólvora, por los chinos en las guerras del siglo XIII. De alguna manera, cada cohete espacial ha utilizado un propergol sólido o encendido sólido hasta el siglo XX, cuando los cohetes líquidos y cohete híbrido empezaron a surgir como una alternativa más eficaz y confortable.
Este tipo de cohetes en la actualidad aún se emplean como modelismo de cohetes, y en grandes aplicaciones por su simplicidad y fiabilidad. Los cohetes de combustible sólido son muy comunes en la exploración espacial moderna, pero ya que pueden permanecer almacenados durante largos períodos, por lo general, se emplean en aplicaciones militares como por ejemplo, los misiles.
De una fase
Un vehículo SSTO que traducido del ingles significa ”órbita en una etapa” alcanza la órbita desde la superficie de un cuerpo sin la necesidad de irse quitando etapas o fases como el tranque combustible, sino que consume únicamente el combustible de su depósito. Por lo general este es un término que se emplea para aludir a vehículos reutilizables sin ser excluyente. Se han creado naves a partir de estos modelos, parcial o completamente construidas, incluyendo el DC-X, el X-33, y el Roton SSTO. A pesar de esto, ninguno de los diseños han logrado estar cerca de alcanzar la órbita.
De múltiples fases
Un cohete espacial de múltiples fases es aquel que emplea dos o más etapas, en las que cada una de ellas posee sus propios motores y propelente. Las etapas tándem o en serie están impuestas sobre otras etapas, mientras que las etapas paralelas se unen en los costados de otras etapas. Lo que da como resultado dos o más cohetes uno sobre el otro o uno junto al otro.
A este conjunto de cohetes también se les denomina como lanzadera espacial. Los cohetes de dos etapas son los más frecuentes, aunque también los de cinco etapas se han lanzado con éxito. Al desprender las etapas luego de que se le ha terminado el propelente se consigue que la masa de lo que queda del cohete se reduzca. Esta estadificación permite que el empuje de las etapas restantes lo acelere hasta que se alcance la velocidad y altura final con mayor facilidad.
En los esquemas de estadificación tándem o en serie, la primera etapa a desprender suele ser la más grande, la segunda etapa y las etapas superiores siguientes, que van encima, por lo general su tamaño es mucho menor. En los esquemas de estadificación paralelos se emplean propulsores sólidos o líquidos para ayudar al despegue, a los cuales se les conoce habitualmente como “etapa 0”.
Una vez que se ha agotado el combustible a los propulsores, estos retiran el resto del cohete, por lo general con algún tipo de pequeñas cargas explosivas y caen a la tierra. Entonces la primera etapa impulsa el cohete hasta que se termina y cae. Luego de esto, la segunda etapa más pequeña se termina por encender. Este proceso, conocido en los círculos de cohetería como estadificación, se repite hasta que el motor de la última etapa se le agota el combustible.
En algunos diseños hechos con estadificación en serie, la etapa superior se prende antes de la separación y el anillo que se encuentra entre etapas está diseñado con esto en mente, por lo que el empuje es empleado para ayudar a separar los dos vehículos, este proceso se le conoce como “fire in the hole”.
Ha sido todo por el artículo de hoy, esperamos que la información proporcionada haya sido de gran ayuda. Le hacemos la invitación a leer también: Luna Titán y Satélites de Júpiter
