COHETES Y NAVES ESPACIALES MODERNAS Y PROYECTOS FUTUROS

COHETES MODERNOS
En 1903, el profesor de matemáticas de educación secundaria Konstantin Triolkovsky realizo el primer trabajo serio que trataba de vuelos espaciales. Su trabajo fue particularmente desconocido fuera de la Unión Soviética, donde inspiró extensas investigaciones, experimentación, y la formación de la Sociedad Cosmonáutica. Su trabajo se volvió a publicar en el 1920 en respuesta al interés ruso sobre el trabajo de Robert Goddard. Entre otras ideas, Tsiolkovsky propuso acertadamente el uso de oxígeno e hidrógeno líquido como un exelente par propulsor. 

 

Los primeros cohetes fueron muy ineficientes debido a la cantidad de energía y calor que era desechada en los gases de escape. Los cohetes modernos nacieron luego, después de haber recibido un subsidio de la Smithsonian Institution. Esa boquilla transformaba el gas caliente de la cámara de combustión a un propulsor de gas hipersónico aumentando más del doble el empuje y aumentando enormemente la eficiencia.

Durante los años 1920 un gran número de organizaciones que investigaban sobre los cohetes aparecieron en los Estados Unidos, Austria, Inglaterra, Checoslovaquia, Francia, Italia, Alemania y Rusia. A mediados de los años 20, científicos alemanes habían empezado a experimentar con cohetes que usaban propulsores líquidos capaces de alcanzar una gran distancia y mucha altitud.

Desde 1931 hasta 1937 el trabajo científico más extenso sobre diseño de motores cohete sucedió en Lenigrado, en el laboratorio dinámico de gases. Bien subsidiado y con un buen número de personal, se crearon más de 100 motores experimentales bajo la dirección de Valentin Glushko. El trabajo incluía regeneración enfriadora, ignición hipergólica y diseños de inyectores de combustible que incluían mezcladores e inyectores mezcladores internos.

En 1932 la Reichswehr empezó a mostrar interés por los cohetes. Restricciones bélicas impuestas por el Tratado de Versalles limitaban el acceso a Alemania a armas de largo alcance. Viendo la posibilidad de usar cohetes como artilleria, la Wehrmacht inicialmente subsidió al equipo VfR pero, dado que sólo estaban concentrados en el aspecto científico, creó su propio equipo de investigación y desarrolló armas de largo alcance para ser utilizadas en la Segunda Guerra Mundial por la Alemania Nazi.

En 1943 comenzó la producción de los cohetes V-2. Los V-2 representaban en mayor paso hacia adelante en la historia de los cohetes. Los V-2 tenían un alcance de 300 km y llevaban una cabeza de guerra de amatol de 1.000 kg. El cohete sólo se diferencia en detalles ínfimos de los cohetes modernos, tenía bombas de turbinas, guía inercial y otras capacidades. Miles de ellos se lanzaron contra las naciones aliadas, principalmente Inglaterra, así como Francia y Bélgica. Ya que no podían ser interceptados, el diseño de su sistema de guía y su cabeza de guerra convencional hacían del V-2 un arma insuficientemente precisa contra objetivos militares.

Al final de la Segunda Guerra Mundial, los equipos científicos y militares rusos, británicos y estadounidenses compitieron por capturar la tecnología y el personal del programa alemán de cohetes Peenemünde. Rusia y el Reino Unido tuvieron cierto éxito pero quienes más se beneficiaron fueron los Estados Unidos. Éstos capturaron un gran número de científicos alemanes especialistas en cohetes y los llevaron a los Estados Unidos como parte de la Operación Paperclip.
Después de la guerra los cohetes se usaron para estudiar las condiciones existentes a grandes alturas, usando radio telemetria para transmitir la temperatura y presión de la atmósfera, detección de rayos cósmicos y otras investigaciones. Estos estudios fueron continuados en los Estados Unidos por von Braun y los otros, quienes estaban llamados a ser parte del nuevo complejo científico estadounidense.

Independientemente, las investigaciones continuaron en la Unión Soviética balo el liderazgo de Sergei Korolev. Con la ayuda de técnicos alemanes, la V-2 fue duplicada y mejorada como los misiles R-1, R-3 y R-5. Los diseños alemanes fueron abandonados al final de los años 40 y los investigadores extranjeros fueron enviados a sus países. Una nueva serie de motores fueron construidos por Glushko y basados en las invenciones de Aleksei Isaev creando la base de los primeros ICBM con el cohete R-7.

Los cohetes se volvieron extremadamente importantes para usos militares con los misiles balísticosintercontinentales cuando los gobiernos se dieron cuenta de que no se podrían defender de un cohete con carga nuclear una vez éste se hubiese lanzado, de tal forma que se empezaron a fabricar masivamente con este fin bélico.

PROYECTOS FUTUROS

Unos de los proyectos futuros de los cohetes es utilizar cohetes nucleares. La idea de propulsar naves espaciales con motores nucleares no es nueva; a principios de los años 60 del pasado siglo se desarrolló el proyecto NERVA), que pretendía exactamente eso, crear un cohete nuclear. El proyecto fue cancelado en 1973 debido a su elevado coste y a la perdida de interés en el programa espacial tras lograr el objetivo del vuelo tripulado a la Luna.
Conceptualmente, el proyecto NERVA era algo muy simple; se trataba de un reactor nuclear situado en la tobera del cohete; luego se inyectaba hidrógeno líquido en la tobera, que por efecto del calor del reactor nuclear se evaporaba y dilataba, generando el chorro que propulsaba la nave.

Ahora, Steven Howe, director del CSNR (Center for Space Nuclear Research), ha propuesto recuperar este proyecto y aplicarlo al Ares, el cohete destinado a lanzar las naves Orion.

La idea sería que la segunda etapa del cohete Ares, la "Earth departure stage", estaría impulsada por un motor NERVA en lugar de un cohete convencional. De esta forma, la nave utilizaría cohetes convencionales para salir de la atmósfera y el motor nuclear en el espacio, evitando así la contaminación radioactiva que generada.
Según los cálculos de Howe, utilizando esta configuración, cada vuelo del Ares V podría enviar a la Luna una carga de 29 toneladas, frente a las 21 que puede enviar la configuración no nuclear; esto significa que la construcción de la base lunar podría completarse con 9 vuelos en lugar de los 12 inicialmente previstos.

Y su motor seria este:

APARICIÓN DE LA INGENIERÍA DE COHETES EN CINES, VIDEOJUEGOS, LIBROS, ETC

CLASES DE COHETES MODERNOS

LOS COHETES MODERNOS EN CUANTO EL TIPO DE COMBUSTIBLE PUEDEN SER:

-Cohetes de combustible sólido. 


Un cohete de combustible sólido es un cohete con un motor que usa un propulsor sólido. Los primeros cohetes usaban este combustible, que funciona con pólvora, usado por los chinos en las guerras del siglo XIII. Todos los cohetes usaron alguna forma de propergol sólido o encendido sólido hasta el siglo XX, cuando los cohetes líquidos y cohetes híbridos empezaron a ofrecer alternativas controlables y más eficiencia. Los cohetes sólidos aun se usan hoy en el modelismo de cohetes, y en grandes aplicaciones por su simplicidad y fiabilidad. Los cohetes de combustible sólido no son inusuales en la exploración espacial moderna, pero como pueden permanecer almacenados durante largos períodos -- y luego lanzarlos sin problemas con poca antelación -- frecuentemente han sido usados en aplicaciones militares como pueden ser los misiles. Los cohetes de combustible sólido no suelen usarse como propulsor principal en la exploración espacial moderna, pero si es muy común como cohetes aceleradores.

Y del combustible sólido también podemos hablar que cuando es un motor simple consta de una cubierta, la Tobera laval, la veta (carga del propulsor), y el encendedor.
Una vez encendido, un motor simple de un cohete sólido no puede apagarse, porque contiene todos los elementos necesarios para la combustión dentro de la cámara que se han quemado. Los motores más avanzados de cohetes sólidos no solo pueden ser regulados sino que también pueden ser apagados y luego reiniciados controlando la geometría de la tobera o mediante el uso de compuertas de ventilación. Además están disponibles motores de cohetes pulsados.


-Cohetes de combustible líquido. 

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. 

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 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 hiperbólico no necesita que se produzca la ignición, ya que el combustible y el oxidante se encienden de modo espontáneo al entrar en contacto.  

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.

LOS COHETES MODERNOS EN CUANTO AL NÚMERO DE FASES:

-Cohetes de una sola fase:

Un vehículo de SSTO (órbita de una fase)  alcanza la órbita desde la superficie de un cuerpo sin necesidad de deshacerse de "etapas" o tanques de combustible, sino consumiendo únicamente el combustible de su depósito. Este término se suele referir a vehículos reutilizables sin ser excluyente. Se han diseñado varias naves de este tipo, parcial o completamente construidas, incluyendo el DC-X, el X-33, y el Roton SSTO. Sin embargo, ninguno de los diseños ha llegado a estar cerca de alcanzar la órbita.

                                                               

                                               

DC-X                    X-33

El programa Apolo ha logrado etapas únicas a órbita partiendo desde la Luna, si bien la baja gravedad de la Luna y la ausencia de una atmósfera significativa hace esto mucho más fácil que desde la Tierra. 

Ejemplos:

El primitivo cohete Atlas es un semi SSTO. Es un cohete de "etapa y media", pues se deshace de dos de sus tres motores durante el ascenso, pero conserva sus tanques y otros elementos de la estructura. Sin embargo, según los estándares modernos, los motores operan a baja presión y no generan gran impulso.

Y el Módulo lunar de apollo que si que fue un verdadero vehículo SSTO, aunque en la Luna. Llegó a la orbita lunar usando una única fase.

-Cohetes de múltiples fases.

Un cohete multietapa (o multi-etapa) es un cohete que usa dos o más etapas, cada una de las cuales posee sus propios motores y propelente. Las etapas tándem o en serie se montan sobre otras etapas, mientras que las etapas paralelas se enganchan en los costados de otras etapas. El resultado son dos o más cohetes uno sobre el otro o uno junto al otro. En conjunto a estos se les denomina a veces una lanzadera espacial. Son bastante comunes las de dos etapas, aunque se han lanzado con éxito cohetes con cinco etapas.

En los esquemas de estadificación tándem o en serie, la primera etapa queda en la base y suele ser la más grande, la segunda etapa y las etapas superiores siguientes, que van encima, suelen ser de tamaño inferior. En los esquemas de estadificación paralelos se usan propulsores sólidos o líquidos para ayudar al despegue. A estos se les suele conocer como "etapa 0".

En el caso típico, la primera etapa y los propulsores propulsan todo el cohete hacia arriba. Cuando se le agota el combustible a los propulsores, estos se desprenden del resto del cohete (normalmente con algún tipo de pequeñas cargas explosivas) y caen a la tierra. Entonces la primera etapa impulsa el cohete hasta que también se agota y cae. Es entonces cuando un pequeño cohete, con la segunda etapa de base, se enciende. Este proceso, conocido en los círculos de cohetería como estadificación, es repetido hasta que el motor de la última etapa termina con su combustible.

En algunos casos con estadificación en serie, la etapa superior se enciende antes de la separación- el anillo que hay entre etapas está diseñado con esto en mente, y el empuje se usa para ayudar a separar los dos vehículos. A esto se le conoce como "fire in the hole".