Un combustible optimizado es clave para el éxito de la misión
Los cohetes dependen de diversas combinaciones de combustible y oxidantes para generar la enorme potencia necesaria para vencer la gravedad terrestre. Los oxidantes y combustibles son elementos estables a temperatura ambiente, pero al mezclarse y activarse mediante una fuente de calor, crean una reacción explosiva que proporciona el empuje del cohete.
Al ajustar la proporción de combustible y oxidante, los ingenieros pueden controlar diversos aspectos del rendimiento del cohete. Cada combinación ofrece un conjunto único de características, beneficios e inconvenientes, lo que influye en medidas de rendimiento como la eficiencia del empuje, así como en otras consideraciones como la toxicidad, el coste y la seguridad. Por ello, elegir el propelente más adecuado para cada viaje es una decisión crítica que depende de muchas variables relacionadas con la misión del cohete.
Los propelentes gaseosos, por ejemplo, resultan poco prácticos para la mayoría de los cohetes de larga distancia debido al gran volumen que requerirían, pero comprimir y enfriar estas sustancias hasta sus fases líquidas proporciona una relación volumen-potencia óptima para aplicaciones de cohetes a gran escala. Sin embargo, algunos propelentes tienen puntos de ebullición extremadamente bajos y requieren refrigeración criogénica a temperaturas inferiores a –150 °C (–238 °F) para licuarse. Esto puede suponer un inconveniente importante para su uso en la propulsión de cohetes, por lo que los beneficios deben superar los costes y desafíos de este requisito para justificar su elección en una misión específica.
Dos características de rendimiento importantes de los propelentes, que a veces se confunden, son el empuje y el impulso específico. El empuje mide el potencial de fuerza de reacción del propelente, o la cantidad de peso que el cohete será capaz de elevar. El impulso específico (Isp) define la eficiencia con la que un propelente puede convertir su masa en empuje, basándose en el tiempo que una determinada cantidad de propelente puede empujar una carga. Los motores que utilizan propelentes con un alto impulso específico tienden a tener un empuje menor, pero utilizan la masa de su propelente de forma más eficiente. En resumen, obtienen un mayor rendimiento del combustible.
La Tabla 1 compara las propiedades clave de las combinaciones de combustible para cohetes más comunes. El motor RS-25 empleado por el cohete del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS) de la NASA utiliza la combinación de propelente LOX/LH2. Sin embargo, los cohetes que están desarrollando algunas organizaciones comerciales, como el Raptor de SpaceX y el BE-4 de Blue Origin, funcionan con la combinación de metano líquido y LOX.
Entre los propelentes modernos para cohetes, el LOX/LH2 presenta el valor de Isp más alto. Esa eficiencia y un historial de fiabilidad son las razones principales por las que la combinación LOX/LH2 se ha utilizado habitualmente como propelente para cohetes durante las últimas cinco décadas, a pesar de que ambos átomos requieren refrigeración criogénica. Además, mientras que otros propelentes liberan grandes cantidades de sustancias químicas contaminantes y gases de efecto invernadero tras la combustión, el principal subproducto producido por la combustión de LOX/LH2 es agua, lo que lo convierte en un combustible más sostenible.
Nota: *El RP-1 (Rocket Propellant-1) es una forma de queroseno altamente refinada y se utiliza ampliamente en motores de cohetes de combustible líquido (p. ej., el motor del cohete Saturno V).
Química de reacciones radicales de los cohetes de LOX/LH2
El hidrógeno y el oxígeno son elementos estables que no reaccionan espontáneamente al mezclarse a temperatura ambiente. Para que se produzca una reacción, es necesario romper los enlaces covalentes H–H y O=O. Cuando se suministra suficiente energía para superar la energía de enlace H–H y O=O, se produce una reacción en cadena hasta que se forma agua. Esta reacción hacia la estructura estable del agua libera grandes cantidades de energía durante la combustión de H2 con O2.
A pesar de la aparente simplicidad de esta reacción, la combustión de H2 con O2 es compleja e implica varias reacciones intermedias con radicales H y O. Las principales reacciones que conducen a la formación de agua se enumeran en la Figura 1. Las reacciones de ramificación en cadena se producen cuando un radical genera dos o más radicales (Figura 1, reacciones 3 y 4). Dado que estas reacciones producen más radicales reactivos de los que consumen, se aceleran, lo que explica la naturaleza explosiva de la reacción.
Estas reacciones radicales no siempre ocurren en el orden exacto que se muestra en la Figura 1, y otros radicales no mencionados aquí pueden formarse a través de otros esquemas de reacción en cadena. La mezcla de propelentes, la presión y la temperatura también influyen en los mecanismos cinéticos de la combustión de H2.
Evolución del diseño de motores para impulsar Artemis
Además de la optimización del combustible, el diseño de los motores es fundamental para maximizar la potencia de los cohetes modernos. Los diseños actuales aprovechan innovaciones clave desarrolladas durante el programa V-2 de la Alemania de la Segunda Guerra Mundial. La disponibilidad de nuevos materiales y otros avances tecnológicos ha permitido a los ingenieros perfeccionar estos diseños para aumentar la potencia, durabilidad, fiabilidad y eficiencia necesarias para las misiones espaciales actuales.
Diseñado en la década de 1970 por Aerojet Rocketdyne, el motor RS-25 se desarrolló originalmente para las misiones del transbordador espacial de la NASA. Cinco generaciones después, los RS-25 que impulsan el cohete SLS de Artemis son sofisticados motores criogénicos que incorporan décadas de avances tecnológicos y optimizaciones de diseño, lo que los convierte en algunos de los motores más eficientes y potentes jamás fabricados.
Para generar un empuje potente y constante, los motores de cohete requieren un gran volumen de propelente líquido a alta velocidad suministrado por la turbobomba. La primera versión de la turbobomba (Figura 2) fue desarrollada por los ingenieros del V-2 en la década de 1940. Su diseño y rendimiento fueron revolucionarios, con una turbina de vapor girando a 4000 rpm para accionar las bombas centrífugas tanto del combustible como del oxidante. Más de 60 años después, la turbobomba moderna sigue siendo uno de los componentes más críticos y complejos para el rendimiento de los motores de cohete actuales.
Evolución de la propulsión de cohetes tripulados en EE. UU.
Los motores RS-25 del cohete Artemis utilizan el conjunto de propelente criogénico LOX/LH2 debido a su impulso específico superior. Sin embargo, una diferencia significativa entre las densidades y los caudales de LH2 y LOX impide que el RS-25 funcione con una sola turbobomba. La densidad del hidrógeno es extremadamente baja (71 g/L), lo que significa que se necesitan 2,7 veces más LH2 para igualar proporcionalmente la cantidad de LOX necesaria para una combustión eficiente. Para adaptarse a estos líquidos criogénicos tan distintos y a sus propiedades físicas, el RS-25 utiliza dos turbobombas independientes.
Estas modernas turbobombas de alta presión son proezas de la ingeniería. Sus turbinas contienen docenas de álabes del tamaño de una moneda. Al girar entre 28 000 y 35 000 rpm, cada álabe proporciona más potencia que el motor de un Corvette, lo que permite a estas turbobombas generar decenas de miles de caballos de potencia.
Las aspiraciones espaciales impulsan la innovación en todos los sectores
El combustible para cohetes y las tecnologías de motores son áreas de innovación evidentes impulsadas por el programa espacial. Sin embargo, el enfoque actual en el regreso del ser humano a la Luna y, eventualmente, a Marte, también sirve como catalizador para acelerar nuevas investigaciones en una amplia gama de sectores, como la medicina, la ciencia de materiales, las comunicaciones, la electrónica e incluso la agricultura. Muchas de estas innovaciones, además de hacer posibles las misiones espaciales, mejoran productos que nos benefician a todos aquí en la Tierra.
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