Entendiendo la propulsión de cohetes
El fuerte estruendo de los motores. Las chispas de los impulsores. ¡El vapor que se eleva desde el suelo como una estructura que pesa aproximadamente 2,000 toneladas se eleva y escapa de nuestra atmósfera para ingresar a la inmensidad del espacio!
Muchos de nosotros nos hemos asombrado con el lanzamiento de un cohete o un transbordador espacial, pero no solemos pensar en el proceso y la tecnología necesarios. Es posible que hayamos escuchado el término ‘propulsión de cohetes’, pero es posible que no comprendamos todo lo que está involucrado en hacer que un cohete o lanzadera atraviese la atmósfera de la tierra y llegue al espacio.
Cuando los cohetes abandonan la plataforma de lanzamiento, necesitan mucha potencia para levantarlos del suelo. Sin embargo, lograr esta hazaña no es fácil si se tiene en cuenta que los cohetes pueden pesar más de 4,4 millones de libras.
Debido a este enorme peso, los cohetes tienen que depender de un potente sistema de propulsión. La propulsión de cohetes es el proceso que utiliza la fuerza para mover un cohete del suelo a la atmósfera.
Tipos de propulsión de cohetes
Para que la propulsión funcione, los cohetes necesitan un propulsor sólido o líquido, que consiste en una fuente de combustible y un oxidante, la fuente de oxígeno que se necesita para quemar el combustible.
¿Qué Combustible usan los Cohetes Espaciales?
Hay dos tipos de propulsión de cohetes que lanzarán un cohete desde el suelo:
- propulsión sólida : el combustible y el oxidante se combinan como un sólido
- propulsión líquida : el combustible y el oxidante se almacenan por separado, luego se combinan y se encienden
Los cohetes de propulsión sólida, utilizados principalmente como propulsores para el lanzamiento, tienden a ser más seguros, confiables, livianos y de menor costo. Sin embargo, una vez encendido, el motor no se puede apagar ni volver a arrancar, y la cantidad de potencia no se puede controlar.
Los cohetes de propulsión líquida son más complicados y costosos, pero también son más controlables, pueden alcanzar mayores velocidades y pueden apagarse y reiniciarse.
En el programa de transbordadores de la NASA, se han utilizado ambos tipos de motores durante un lanzamiento: los motores del transbordador espacial utilizaron combustible líquido y los dos propulsores de cohetes sólidos (SRB) utilizaron combustible sólido. Una vez que se agotó el combustible sólido de los SRB, estos impulsores se separaron del transbordador y luego se recuperaron para su uso futuro.
Principios de propulsión
Estos son los diferentes principios de la propulsión de cohetes, uno por uno.
¿Cómo se mueven los cohetes en el espacio si no hay un medio contra el cual empujar?
1. Combustión
Sin embargo, la presencia del combustible y del oxidante por sí sola no es suficiente para lanzar un cohete. Una reacción química (la quema del combustible) debe tener lugar en un ambiente controlado. A esto se le llama combustión .
Este entorno se encuentra en los tres componentes principales de un motor cohete: la cámara de combustión, la garganta y la boquilla.
2. Empuje
El propulsor se mueve a través de estos tres componentes, se quema y se convierte en gas. Esta rápida transformación produce un empuje , que es la fuerza mecánica o empuje que mueve un cohete del suelo y / o por el aire.
En el empuje, vemos la tercera ley del movimiento de Newton en acción: « Cada acción tiene una reacción igual pero opuesta ». Los gases que salen rápidamente del motor empujan hacia abajo (acción), lo que luego fuerza al cohete hacia arriba y despegando del suelo (reacción) .
Debido a que los cohetes varían en tamaño, peso y tipo de propulsor, el empuje requerido también varía. Cuanto más pesado es el cohete en general, más empuje se requiere para levantarlo del suelo. Irónicamente, la mayor parte del peso de un cohete en el lanzamiento es absorbido por el combustible.
¿Qué Velocidad debe alcanzar un Cohete para Salir de la Atmósfera?
Para complicar aún más las cosas, a medida que el cohete asciende, el propulsor sólido y / o líquido continúa ardiendo, lo que reduce el peso del cohete con cada segundo que pasa. Por tanto, el empuje debe ajustarse hasta que el cohete abandone la atmósfera. Esto se hace mediante propulsión líquida, ya que no se puede controlar el empuje de los cohetes de propulsión sólida.
3. Relación de masa e impulso específico
Para que los científicos puedan determinar si un cohete podrá escapar de la atmósfera y entrar en órbita, necesitan determinar tanto la relación de masa del cohete como el impulso específico del propulsor, los dos factores más básicos en la propulsión de cohetes.
4. Relación de masa
La relación de masa (MR) de un cohete es una medida de cuán eficiente será el cohete. Es igual a la masa total del cohete cuando está completamente cargado (mf) dividida por su masa sin combustible (me), y se calcula utilizando la siguiente ecuación:
MR = mf / me
Por ejemplo, un transbordador espacial completamente cargado con el tanque externo y los impulsores pesa 4.4 millones de libras. En comparación, el transbordador espacial, cuando está vacío, pesa apenas 165.000 libras. Por tanto, la relación de masa del transbordador espacial sería 26,67.
Para que un cohete entre en órbita, el peso del cohete cuando se apaga el motor debe ser menor que su peso al despegar.
Las relaciones de masa varían según el tipo de cohete y los propulsores utilizados. Cuanto más ligero sea el propulsor, menor será la relación de masa y viceversa. Los propulsores líquidos y sólidos, por ejemplo, tendrán diferentes relaciones de masa debido a sus diferencias en energía y velocidad. Estas diferencias en la velocidad del propulsor es donde entra el impulso específico.
5. Impulso específico
El impulso específico mide la velocidad a la que el propulsor abandona el motor del cohete, lo que les dice a los científicos cuánto combustible se necesita para un cohete en particular. Cuanto más rápida sea la velocidad a la que este propulsor abandona el motor, más rápido puede ir el cohete y mayor carga útil puede transportar. Para que un cohete entre en órbita, la velocidad del cohete debe ser mayor que el impulso específico.
Resumen de la lección
Dediquemos un par de minutos a revisar lo que hemos aprendido. La propulsión de cohetes es el sistema que usa la fuerza para levantar un cohete del suelo. El propulsor, compuesto por un combustible y un oxidante, atraviesa las tres partes de un motor: la cámara de combustión, la garganta y la boquilla, y se quema como gas, produciendo el empuje (fuerza) necesario para lanzar un cohete, demostrando Tercera ley de Newton.
Hay dos tipos de propulsión de cohetes:
- propulsión sólida : el combustible y el oxidante se combinan como un sólido
- propulsión líquida : el combustible y el oxidante se almacenan por separado, luego se combinan y se encienden
Los científicos utilizan la relación de masa y el impulso específico para garantizar que un cohete pueda escapar de la atmósfera terrestre y entrar en órbita. Ambos determinan qué tan eficiente será un cohete.
- La relación de masa es la masa del cohete cuando se alimenta, dividida por su masa cuando está vacío
- MR = mf / me (relación de masa = masa alimentada sobre masa vacía)
- El impulso específico mide la velocidad del propulsor cuando sale del cohete y les dice a los científicos cuánto combustible se necesita.
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