Cohete
Características generales y principios de funcionamiento
El cohete se diferencia del turborreactor y de otros motores de «respiración de aire» en que todo el chorro de escape está formado por los productos de combustión gaseosa de los «propulsores» transportados a bordo. Al igual que el motor turborreactor, el cohete desarrolla el empuje mediante la eyección hacia atrás de masa a muy alta velocidad.
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El principio físico fundamental de la propulsión de cohetes fue formulado por Sir Isaac Newton. Según su tercera ley del movimiento, el cohete experimenta un aumento de momento proporcional al momento arrastrado en el escape,
donde M es la masa del cohete, ΔvR es el aumento de velocidad del cohete en un intervalo corto de tiempo, Δt, m° es la tasa de descarga de masa en el escape, ve es la velocidad efectiva del escape (casi igual a la velocidad del chorro y tomada en relación con el cohete), y F es la fuerza. La cantidad m°ve es la fuerza de propulsión, o empuje, producida en el cohete por el escape del propulsor,
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Evidentemente, el empuje puede hacerse grande utilizando una alta tasa de descarga de masa o una alta velocidad de escape. El empleo de un m° elevado agota rápidamente el suministro de propulsor (o requiere un gran suministro), por lo que es preferible buscar valores altos de ve. El valor de ve está limitado por consideraciones prácticas, determinadas por cómo se acelera el escape en la tobera supersónica y qué suministro de energía está disponible para el calentamiento del propulsor.
La mayoría de los cohetes obtienen su energía en forma térmica mediante la combustión de propulsores en fase condensada a una presión elevada. Los productos gaseosos de la combustión se expulsan a través de la tobera que convierte la mayor parte de la energía térmica en energía cinética. La cantidad máxima de energía disponible está limitada a la proporcionada por la combustión o por consideraciones prácticas impuestas por la alta temperatura implicada. Son posibles energías más altas si se utilizan otras fuentes de energía (por ejemplo, calentamiento eléctrico o por microondas) junto con los propulsores químicos a bordo de los cohetes, y se pueden alcanzar energías extremadamente altas cuando se acelera el escape por medios electromagnéticos.
La velocidad efectiva del escape es la cifra de mérito para la propulsión de cohetes porque es una medida del empuje por unidad de masa de propulsor consumida, es decir,
Los valores de ve se sitúan en el rango de 2.000-5.000 metros (6.500-16.400 pies) por segundo para los propulsores químicos, mientras que para los propulsores calentados eléctricamente se reclaman valores dos o tres veces superiores. Se prevén valores superiores a los 40.000 metros (131.000 pies) por segundo para los sistemas que utilizan la aceleración electromagnética. En los círculos de ingeniería, sobre todo en Estados Unidos, la velocidad efectiva de escape se expresa ampliamente en unidades de segundos, lo que se denomina impulso específico. Los valores en segundos se obtienen dividiendo las velocidades efectivas de escape por el factor constante de 9,81 metros por segundo al cuadrado (32,2 pies por segundo al cuadrado).
En una misión típica de cohete químico, entre el 50 y el 95 por ciento o más de la masa de despegue es propulsor. Esto puede ponerse en perspectiva mediante la ecuación de la velocidad de combustión (suponiendo un vuelo sin gravedad y sin resistencia),
En esta expresión, Ms/Mp es la relación entre la masa del sistema de propulsión y de la estructura y la masa del propulsor, con un valor típico de 0,09 (el símbolo ln representa el logaritmo natural). Mp/Mo es la relación entre la masa del propulsor y la masa total de despegue, con un valor típico de 0,90. Un valor típico de ve para un sistema de hidrógeno-oxígeno es de 3.536 metros (11.601 pies) por segundo. A partir de la ecuación anterior, se puede calcular la relación entre la masa de la carga útil y la masa de despegue (Mpay/Mo). Para una órbita terrestre baja, vb es de unos 7.544 metros (24.751 pies) por segundo, lo que requeriría que Mpay/Mo fuera 0,0374. En otras palabras, se necesitaría un sistema de despegue de 1.337.000 kg (2.948.000 libras) para poner 50.000 kg (110.000 libras) en una órbita baja alrededor de la Tierra. Se trata de un cálculo optimista porque la ecuación (4) no tiene en cuenta el efecto de la gravedad, la resistencia o las correcciones direccionales durante el ascenso, que aumentarían notablemente la masa de despegue. De la ecuación (4) se desprende que hay una compensación directa entre Ms y Mpay, por lo que se hace todo lo posible para diseñar una masa estructural baja, y Ms/Mp es una segunda cifra de mérito para el sistema de propulsión. Aunque las distintas relaciones de masas elegidas dependen en gran medida de la misión, las cargas útiles de los cohetes suelen representar una pequeña parte de la masa de despegue.
En muchas misiones se utiliza una técnica denominada puesta en escena múltiple para minimizar el tamaño del vehículo de despegue. Un vehículo de despegue lleva un segundo cohete como carga útil, que se dispara tras el agotamiento de la primera etapa (que se deja atrás). De este modo, los componentes inertes de la primera etapa no son llevados a la velocidad final, y el empuje de la segunda etapa se aplica más eficazmente a la carga útil. La mayoría de los vuelos espaciales utilizan al menos dos etapas. La estrategia se extiende a más etapas en las misiones que requieren velocidades muy altas. Las misiones lunares tripuladas del Apolo estadounidense utilizaron un total de seis etapas.
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Las características únicas de los cohetes que los hacen útiles son las siguientes:
1. Los cohetes pueden funcionar tanto en el espacio como en la atmósfera de la Tierra.
2. Pueden construirse para proporcionar un empuje muy elevado (un cohete espacial pesado moderno tiene un empuje de despegue de 3.800 kilonewtons (850.000 libras).
3. El sistema de propulsión puede ser relativamente sencillo.
4. El sistema de propulsión puede mantenerse en un estado listo para disparar (importante en los sistemas militares).
5. Los cohetes pequeños pueden dispararse desde diversas plataformas de lanzamiento, desde cajas de embalaje hasta lanzadores de hombro y aviones (no hay retroceso).
Estas características explican no sólo por qué todos los récords de velocidad y distancia son establecidos por sistemas de cohetes (aéreos, terrestres y espaciales), sino también por qué los cohetes son la elección exclusiva para los vuelos espaciales. También han provocado una transformación de la guerra, tanto estratégica como táctica. De hecho, la aparición y el avance de la tecnología moderna de cohetes puede rastrearse en el desarrollo de armas durante la Segunda Guerra Mundial y desde entonces, con una parte sustancial financiada a través de las iniciativas de las «agencias espaciales», como los programas Ariane, Apolo y del transbordador espacial.