Cohete

Historia del motor cohete

De acuerdo con los escritos del romano Aulo Gelio, en c. 400 aC, un griego pitagórico llamado Arquitas, impulsó un pájaro de madera a lo largo de cables con vapor de agua.34 Sin embargo, no parece haber sido lo suficientemente potente como para despegar bajo su propio impulso.

La Eolípila descrito en el siglo I aC (a menudo conocido como motor de Herón) consiste esencialmente un cohete de vapor en un rodamiento. Fue creado casi dos milenios antes de la Revolución Industrial, pero los principios detrás de él no se entendían bien, y su potencial no se aplicó durante un milenio.

En 1883, el inventor ruso de origen polaco Konstain Eduardovich (1857-1935) y considerado padre de la cohetería, fue el primero que vislumbró la posibilidad de aplicar el principio de reacción para fines de viajes interplanetarios, así como colocar satélites artificiales(con combustibles líquidos). Por su parte, el físico norteamericano Robert H.Godard (1882-1945) experimento con combustibles sólidos y líquidos para el desarrollo de cohetes y proyectiles teledirigidos.

Konstantin Eduardovich

Los cohetes son aparatos de propulsión, diseñados para trabajar fuera de la atmósfera terrestre, por lo que no requieren del oxigeno atmosférico, sino que llevan su propio concurrente. Esto los hace totalmente autónomos y pueden viajar en el vació de los espacios siderales, a donde ninguna otra maquina puede llegar.

¿Qué es un motor de reacción?

Los motores de reacción son otro tipo de máquinas térmicas. Abarcan principalmente a turborreactores y cohetes.

Este tipo de motor se diferencia del turborreactor en que no requiere aire atmosférico, debido que contiene ya las sustancias químicas que al mezclarse provocan la combustión y producen gases muy calientes dentro de una cámara de combustión, que al ser expulsados con gran fuerza originan el impulso del vehículo.

Este es un motor 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.

Funcionamiento básico del motor cohete

Para entender bien el funcionamiento de este tipo de motor nos adentramos a la ley de newton de toda acción provoca una reacción:

Tercera Ley de Newton

Un ejemplo de esto podemos apreciarlo al inflar un globo. Mientras la boquilla permanezca cerrada el aire estará a presión, al mismo tiempo que, todas las paredes internas del globo reciben una fuerza debida a la presión del aire.

Si soltamos la boquilla, el aire comprimido por las paredes del globo empuja hacia atrás al aire expulsado por la boquilla(fuerza de acción A), esta masa de gas ejerce sobre el aire en contacto con las paredes internas del globo, otra fuerza (fuerza de reacción R) igualmente intensa pero opuesta, la que hace desplazar al globo hacia delante. La trayectoria del globo será errática ya que él mismo no cuenta con aletas estabilizadoras como los cohetes.

Aplicación en motor cohete

Dentro de un motor cohete se generan gases a alta presión y temperatura, estos gases comprimidos se ven empujados por el motor y salen por la parte posterior donde existe un orificio o conducto de escape (tobera), que mediante una forma apropiada permite su expulsión. Al mismo tiempo, la masa de gases calientes que es expulsada ejerce una fuerza opuesta sobre el motor cohete que pone en movimiento al modelo (fuerza de empuje). Es decir se transforma la energía química en movimiento.

Tengamos en cuenta que:

La fuerza que impulsa al cohete es la correspondiente reacción a la fuerza que el motor ejerce sobre los gases.
Cuanto más rápido salgan los gases mayor será la aceleración del cohete.
Cuanto menor sea la masa del cohete, para una misma fuerza generada por el motor, mayor será la aceleración y por lo tanto alcanzará una mayor altura.

Constitución del motor

Carcasa: Constituye el cuerpo del motor cohete. Generalmente está formada por un tubo de cartón con paredes gruesas capaz de soportar sobradamente las presiones que se generan en su interior.
Tobera: Dispuesta en un extremo de la carcasa y construida con materiales refractarios, es la responsable de transformar la presión de los gases en velocidad de salida de los mismos. Tiene una determinada forma para cada motor.
Carga de impulsión: Es el combustible del motor. Está constituido por una pólvora especial que en su primer tramo tiene una perforación central llamada aguja. Esta perforación tiene como objeto aumentar el área de quemado en la parte inicial, dando un máximo empuje que le sirve al modelo para ganar altura rápidamente en el despegue.
Carga de retardo: Está constituida por otro tipo de pólvora que prácticamente no produce empuje, sólo genera humo permitiendo al modelo llegar al apogeo.
Disco de separación: Separa en forma de compartimiento la carga de retardo de la carga de eyección. El disco tiene una perforación en el centro a través de la cual se produce el encendido de la carga eyectora.
Carga de eyección: Está formada por granos de pólvora dispersos que al encenderse generan gases para activar el sistema de recuperación.
Tapa: Contiene la carga de eyección y sella el motor cohete.

Funcionamiento Principal

El motor cohete es encendido eléctricamente mediante un control de disparo que pone incandescente un alambre ignitor; este enciende la carga de impulsión que como tiene un gran área de quemado debido ala perforación central (aguja) genera gases a alta presión que escapan por la tobera dando el máximo empuje que hace despegar al cohete de la rampa.

Cuando se termina de quemar la carga de impulsión se enciende inmediatamente la carga de retardo (etapa 2) produciendo un empuje casi nulo, el modelo sólo sigue con la velocidad que consiguió ganar durante el quemado de la carga de impulsión hasta que la acción del peso del modelo y el roce con el aire lo va frena, llegando así al apogeo. Luego de ese punto se termina de quemar la carga de retardo y se enciende la carga eyectora a través del disco de separación (etapa 3) generando gases que mueven la tapa protectora y empujan al sistema de recuperación hacia fuera del fuselaje originándose así la apertura del mismo.

Tipos de motor cohete

Para entender los tipos es importante primero ver la definición de los propelentes

Propelentes:

Se llama así a los productos químicos que reaccionarán entre sí para producir la combustión y fundamentalmente está constituido por un combustible y un oxidante.

Dentro a lo que a cohetería se refiere, podemos clasificarlos en 3 grandes grupos: sólidos, híbridos y líquidos, siendo estos últimos muy complejos y de uso muy limitado en cohetería experimental.

En los motores híbridos el oxidante puede estar en estado líquido o gaseoso, mientras que el combustible se encuentra en estado sólido. Son bastante comunes los que utilizan óxido nitroso (N₂O₃) como oxidante y algún tipo de polímero (PVC) como combustible.

De todas formas los más utilizados en cohetería son los motores de combustible sólido en donde, entre otros podemos mencionar, los de pólvora negra, los conformados por Nitrato de Potasio y Azúcar o Sorbitol (Candy´s), combustibles compuestos o propelentes de doble base.

Como el título lo indica, detallaré a continuación el funcionamiento de un motor cohete de pólvora negra (BP, por“Black Powder” de sus siglas en inglés), este es el impulsor más comúnmente utilizado para cohetes de baja potencia, es decir en lo que llamamos modelismo espacial.

Clásificación

Motores de propergol sólido.

Los cohetes de propelente sólido utilizan una mezcla de oxidante y combustible en estado sólido. La mezcla es generalmente estable a temperatura ambiente hasta que es encendida por un aumento rápido de temperatura como el proporcionado por una chispa o una llama; en ese momento la mezcla entra en combustión y libera la energía que expulsa los gases que imparten momentum al cohete.

Motores de propergol líquido.

Los cohetes de propelente líquido emplean un oxidante y un combustible en estado líquido que al combinarse en la cámara de combustión liberan la energía para impulsar al cohete. Estos cohetes son más complejos que los cohetes de combustible sólido ya que requieren de sistemas de almacenamiento separados para el combustible y el oxidante. Asimismo requieren de tuberías, válvulas, bombas, inyectores y sistemas de encendido, entre otras cosas; sin embargo, tienen la ventaja de que pueden ser encendidos y apagados múltiples veces y se puede regular la rapidez con la que expulsa el propelente, lo cual los hace controlables y les da mucha versatilidad para la realización de maniobras espaciales.

Un ejemplo de un cohete de propelente líquido es el cohete alemán V2 utilizado en la Segunda Guerra Mundial mostrado en la siguiente figura.

Motores de propergol híbrido

Los cohetes híbridos son un tipo de cohetes químicos en los que uno de los componentes del propelente, el combustible o el oxidante, se mantiene en estado líquido para combinarse con el otro componente en estado sólido que reside en la cámara de combustión. Estos cohetes tienden a combinar las ventajas de los cohetes de propelente sólido y de propelente líquido, ya que son menos complejos que éstos últimos y pueden encenderse y apagarse, aunque la combustión no se puede controlar de la misma manera que en los cohetes de propelente líquido.

Ventajas

Es el motor más potente en relación a su peso.
No tiene partes móviles, lo que lo hace muy resistente.
No requiere lubricación ni enfriamiento.
Es el motor más fiable en cuanto a fallos mecánicos.
Su reacción es instantánea.
No pierde potencia con el uso.
No utiliza oxígeno atmosférico, por lo que es susceptible de ser utilizado en aplicaciones espaciales.
Es el más sencillo de los motores en su funcionamiento.

Desventajas

Es el motor que más propulsante consume.
Es el motor que más ruido produce, ya que el flujo de salida es supersónico.
En los motores de propergol sólido, una vez comenzada la reacción, ésta no se puede detener.

Ciclo termodinámico

El ciclo que sigue el fluido del cohete es parecido al ciclo de vapor de agua:

Nomenclatura

m_p: masa total del aparato
m_po: masa inicial total
m_c: masa del combustible
m_o: masa del oxidante
m_co: masa del propelente
q_co: poder calorífico inferir del propelente
v_e: velocidad de escape de los gases
v_p: velocidad del aparato
F_p: fuerza de propulsión
a_p: aceleración de aparato
t: tiempo de operación

Calculo del ciclo

Eficiencia del Motor

Calor Suministrado

Calor Suministrado por unidad de tiempo

Velocidad de los Gases de Escape

Fuerza de Propulsión y Potencia

Potencia

Impulso Específico

Masa del Aparato

Aceleración de Aparato

Velocidad del Aparato

Distancia Recorrida

Tiempo de Propulsión

Ejemplo

Se tiene un cohete experimental no tripulado, tipo F1, con las siguientes características:

m_c= 1000kg de keroseno
m_o= 2300kg de oxigeno liquido
m_co= 3300kg de mezcla
Peso muerto del cohete= 230kg
Carga útil: 150kg
Peso total= 3700kg
Gasto másico del propelente m_co= 20kg/s
Poder calorífico del propelente PCI_co= 3000kcal/kg
Rendimiento del motor= 0.25

Calcular:

El impulso especifico, la velocidad de los gases de escape, la fuerza y la potencia de propulsión y el tiempo total que dura la propulsión.
La masa, el espacio recorrido,la velocidad y la aceleración del apartado, cada 10s durante el periodo que dura la propulsión suponiendo ausencia de campos gravitacionales.

Solución