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Rockets 101: ¿Cómo funcionan exactamente los cohetes?

Rockets 101: ¿Cómo funcionan exactamente los cohetes?

Los seres humanos han estado utilizando explosiones controladas para propulsar objetos durante muchos siglos. A menudo llamados cohetes, hoy en día estos dispositivos se utilizan comúnmente como fuegos artificiales, bengalas de señales, armas de guerra y para la exploración espacial.

Pero, ¿cómo funcionan realmente? Echemos un vistazo muy breve.

Este artículo no pretende ser una guía completa ya que la ciencia espacial es, después de todo, "ciencia espacial".

¿Cómo funcionan exactamente los cohetes?

Es posible que sienta la tentación de pensar en cohetes que actúan simplemente "empujándose por el aire". Pero dado que los cohetes también pueden funcionar perfectamente en el vacío del espacio, esto no es realmente lo que está sucediendo.

Operan, como se mencionó anteriormente, utilizando el principio de la Tercera Ley del Movimiento de Newton, que a menudo se establece como "para cada acción, hay una reacción igual y opuesta". Los cohetes, por lo tanto, realmente funcionan aprovechando el impulso, el poder que tiene un objeto en movimiento.

En igualdad de condiciones, sin fuerzas externas, el impulso combinado de un grupo de objetos debe permanecer constante en el tiempo. Esto se resume en la famosa Tercera Ley del Movimiento de Newton.

Para visualizar esto, imagine que está parado en una patineta mientras sostiene una pelota de baloncesto en sus manos.

Si lanzaras la pelota de baloncesto en una dirección, tú (y la patineta) rodarían en la dirección opuesta con la misma fuerza. Cuanta más fuerza ejerza al lanzar la pelota, más fuerza impulsará la patineta en la dirección opuesta.

Los cohetes funcionan de la misma manera. Al expulsar el escape caliente de un extremo del cohete, el cohete se impulsa en la dirección opuesta, como en el ejemplo de la patineta.

Los motores de automóviles o aviones, incluidos los motores a reacción, necesitan aire para funcionar (bueno, necesitan el oxígeno que contiene) y, por esta razón, no pueden funcionar en el vacío del espacio. Los cohetes, por otro lado, funcionan perfectamente bien en el espacio.

¿Pero cómo?

A diferencia de los motores a reacción o de combustión, los cohetes llevan consigo oxidantes. Al igual que el combustible, estos pueden estar en forma sólida, líquida o híbrida (más sobre esto más adelante).

El oxidante y el combustible se mezclan en la cámara de combustión del cohete y los gases de escape se expulsan a alta velocidad desde la parte trasera del cohete. Todo esto se hace en ausencia de aire; de ​​hecho, a diferencia de los automóviles y aviones, los cohetes no tienen entradas de aire.

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Las moléculas de escape del cohete son individualmente muy pequeñas, pero salen de la boquilla del cohete muy rápido (lo que les da una gran cantidad de impulso). Suficiente, de hecho, para proporcionar a un objeto de varias toneladas el impulso que necesita para escapar de la gravedad de la Tierra.

¿Cuáles son las partes principales de un cohete?

La mayoría de los cohetes modernos constan de al menos dos etapas. Estas son secciones del cohete que están apiladas una encima de la otra en una carcasa cilíndrica (también conocida como puesta en escena en serie).

Un ejemplo de esta forma de puesta en escena de cohetes es la serie Saturno V de la NASA.

Otros tipos de cohetes utilizan la puesta en escena paralela. En este caso, las primeras etapas más pequeñas están atadas al cuerpo de un cohete central "sustentador". Los cohetes como el Titan III y el Delta II de la NASA utilizan este tipo de puesta en escena.

Cada etapa tiene su propio conjunto de motores, que varían en número según el diseño. Por ejemplo, la primera etapa del Falcon 9 de SpaceX tiene nueve motores, mientras que el cohete Antares de Northrop Grumman tiene dos.

El trabajo de la primera etapa es sacar el cohete de la atmósfera inferior. También puede haber refuerzos laterales adicionales para ayudar.

Debido a que esta etapa inicial debe soportar el peso de todo el cohete (con carga útil y combustible no gastado), generalmente es la sección más grande y poderosa.

A medida que el cohete acelera, inicialmente encuentra un aumento en la resistencia del aire. Pero a medida que sube, la atmósfera se vuelve más delgada y la resistencia del aire disminuye.

Esto significa que el estrés experimentado por el cohete durante un lanzamiento típico aumenta inicialmente, hasta un pico, y luego vuelve a descender. La presión máxima se conoce como q máx.

Para el SpaceX Falcon 9 y el United Launch Alliance Atlas V, el valor máximo de q generalmente se experimenta entre 80 y 90 segundos de un lanzamiento, a una altitud de entresiete (11 km) a nueve millas (14,5 km).

Una vez que la primera etapa ha completado su función, los cohetes generalmente dejan caer esa sección y encienden su segunda etapa. La segunda etapa tiene menos trabajo que hacer (porque tiene menos masa que mover) y tiene la ventaja de tener una atmósfera más delgada con la que lidiar.

Por esta razón, la segunda etapa a menudo consta de un solo motor. La mayoría de los cohetes también desecharán sus carenados en esta etapa (esto es una tapa puntiaguda en la punta del cohete que protege la carga útil).

En el pasado, las secciones inferiores desechadas del cohete simplemente se quemaban en la atmósfera. Pero a partir de la década de 1980, los ingenieros comenzaron a diseñar estas secciones para que fueran recuperables y reutilizables.

Empresas privadas como SpaceX y Blue Origin han llevado este principio más allá y las han diseñado para poder regresar a la Tierra y aterrizar ellas mismas. Esto es beneficioso, ya que cuantas más piezas se puedan reutilizar, más baratos serán los lanzamientos de cohetes.

¿Qué combustible se usa en un cohete?

Los cohetes modernos tienden a utilizar combustibles líquidos, sólidos o híbridos. Las formas líquidas de combustible tienden a clasificarse como petróleo (como queroseno), criógenos (como hidrógeno líquido) o hipergólicos (como hidracina).

En algunos casos, también se pueden usar alcohol, peróxido de hidrógeno u óxidos nitrosos.

Los propulsores sólidos tienden a presentarse en dos formas: homogéneos y compuestos. Ambos son muy densos, estables a temperatura ambiente y se almacenan fácilmente.

La primera puede ser una base simple (como nitrocelulosa) o una base doble (como una mezcla de nitrocelulosa y nitroglicerina). Los propulsores sólidos compuestos, por otro lado, utilizan una sal mineral cristalizada o finamente molida como oxidante.

En la mayoría de los casos, el combustible real tiende a estar basado en aluminio. El combustible y el oxidante generalmente se mantienen juntos con un aglutinante polimérico que también se consume durante la combustión.

¿Cómo funcionan las plataformas de lanzamiento de cohetes?

Las plataformas de lanzamiento, como su nombre indica, son plataformas desde las que se lanzan cohetes. Suelen formar parte de un complejo, una instalación o un puerto espacial más grande.

Una plataforma de lanzamiento típica consistirá en una plataforma o soporte de lanzamiento, que generalmente será una estructura de metal que soporta el cohete en una posición vertical antes del despegue. Estas estructuras tendrán cables umbilicales que alimentan el cohete y proporcionan refrigerante antes del lanzamiento, entre otras funciones.

También tenderán a tener pararrayos para proteger el cohete durante las tormentas eléctricas.

Los complejos de lanzamiento variarán en diseño, según el diseño del cohete y las necesidades del operador. Por ejemplo, el Centro Espacial Kennedy de la NASA diseñó el Transbordador Espacial para que se adhiera verticalmente a un cohete y lo mueva a la plataforma de lanzamiento en un enorme vehículo parecido a un tanque llamado "Crawler".

En Rusia, los cohetes se ensamblaron y se transportaron horizontalmente a la plataforma de lanzamiento antes de levantarlos en posición vertical. en el lugar.


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