Aplicando las leyes de Newton.
El siguiente paso en convertirse en un científico de cohetes es el aplicar la ciencia de las cohetes y matemáticas para el diseño y construcción de cohetes actuales. Hay muchas maneras en esta ciencia para maximizar el impulso y reducir la masa del cohete. Cada uno de estos trucos es una aplicación de una o más de las leyes de Newton. Además existe una gran variedad de cohetes, y las mismas leyes aplican a todos.
Los cohetes son generalmente clasificados como sólidos o líquidos. Los cohetes producen empuje al quemar los propelentes y eyectando los productos de la combustión fuera del motor. Los propelentes son una simple combinación de combustibles y oxidantes. Los oxidantes para los propelentes solidos son compuestos químicos que contienen oxígeno. Por ejemplo, la pólvora usada en los motores de los cohetes de modelismo, contienen nitrato de potasio (KNO3). El nitrato de potasio provee el oxígeno necesario para otros compuestos químicos que se queman rápidamente. El oxidante para los cohetes de propelente liquido es usualmente el oxígeno puro enfriado a 90°K (-183°C o -297°F) para que se condense en oxigeno liquido (LOX).
Los propelentes para cohetes se mantienen en tanques o dentro de cartuchos. Esto es una ventaja y una desventaja a la vez. Debido a que estos vehículos llevan su propio oxigeno abordo, los cohetes pueden trabajar en el espacio. Ningún otro vehículo actualmente disponible puede hacer eso. Un motor a reacción no puede funcionar en el espacio porque es un motor “air-breather”. Además, los jets y cohetes ambos emplean las leyes de Newton de acción reacción, el jet necesita atraer aire de la atmósfera hacia su motor para quemar su combustible. Esto limita la altitud de un avión jet.
COHETES DE PROPELENTE SOLIDO.
Los primeros verdaderos cohetes, “flechas encendidas” inventadas por los chinos, empleando propelentes sólidos. Una forma temprana de pólvora era empaquetada en un cilindro cerrado en un extremo, y en el otro extremo estaban abiertos. Cuando la pólvora era encendida, se quemaba muy rápido y creaba grandes cantidades de gas y otros productos de la combustión que se apresuraban a salir fuera del cilindro. Esto producía empuje. El control de vuelo se alcanzaba al amarrar un palo largo al cohete para producir arrastre mientras el cohete volaba por el aire. Esto no era muy un sistema muy preciso pero el cohete normalmente volaba en la dirección deseada.
Más de 1000 años después, los cohetes de propelente solido no son apreciablemente diferentes de las flechas chinas. Los cohetes impulsores de propelente solido (solid rocket boosters SRBs) del transbordador espacial son en sí tubos muy largos cargados con propelente solido que están cerrados de un lado y abiertos del otro. Los SRBs tiene muchas otras sofisticadas innovaciones, pero, en principio no son diferentes de sus ancestros primitivos.
Los cohetes de propelente solido tienen un diseño simple. Estos consisten de un tubo o tanque en el cual los propelentes son cargados. Los primeros cohetes empaquetaban el propelente en papel o cuero y metal. Los cohetes modernos usan aleaciones de metales ligeros tales como el aluminio. Haciendo las estructuras del cohete más ligeras reduciendo el peso total incrementando su desempeño de vuelo. Sin embargo, el calor producido por la quema de propelentes podría fácilmente derretir el metal de la estructura. Para prevenir esto, las paredes interiores de la estructura tienen que ser aisladas.
El extremo superior del cohete está cerrado y cubierto con una sección de carga útil o paracaídas de recuperación. El extremo inferior del cohete se estrecha hacia una abertura, llamada garganta, sobre una estructura en forma de cono más grande, llamada tobera. Al estrechar la abertura, la garganta causa que los productos de la combustión para acelerar mucho el vehículo a medida que estos gases escapan del motor (segunda ley de Newton). La tobera dirige el escape hacia abajo para que el cohete viaje recto hacia arriba (tercera ley de Newton).
Para apreciar como la garganta del cohete acelera los productos de la combustión, abra la llave de una manguera del jardín. Dejemos la abertura en ajuste más amplio y el agua fluye lentamente. Lo siguiente, es reducir la abertura de la manguera. El agua rápidamente se dispara rápidamente en una corriente larga (segunda ley de Newton) y la manguera nos empuja hacia atrás (tercera ley de Newton).
El propelente en los cohetes sólidos es cargado dentro de una cámara aislada térmicamente. Puede ser cargado como una masa solida o puede tener un núcleo perforado. Cuando es cargado como una masa solida el propelente se quema desde la parte más baja del motor hasta la parte más alta. Dependiendo del tamaño del motor del cohete, varia el tiempo de quemado del propelente. Con un núcleo perforado, los propelentes se quemas más rápidamente por que la cara entera del núcleo es encendida de una sola vez. En lugar de quemarse de un extremo a otro, el propelente se quema desde el núcleo hacia afuera, hacia las paredes internas del motor. Las ventajas del núcleo perforado es que la masa de propelente se quema más rápido, incrementando el empuje (segunda ley de Newton).
Cohete scout de propelente sólido de 4 etapas.
Cohete de propelente sólido.
Motor de cohete de masa sólida y núcleo perforado.
Para hacer los cohetes de propelente solido incluso más poderosos, el núcleo no requiere ser redondo. Puede tener otras formas que incrementan el área superficial disponible para quemarse. Los extremos superiores de los SRBs del transbordador espacial tenían núcleos con forma de estrella. Cuando encendían, las grandes áreas de combustión de los núcleos de estrella de los SRBs incrementaban el empuje para realizar el despegue de la nave espacial. El tiempo de combustión de los SRBs eran alrededor de un minuto y en ese tiempo el empuje disminuía. Esto se hacía a propósito por que el transbordador espacial comenzaba a acelerar de manera brusca al romper la barrera del sonido. El atravesar la barrera del sonido causa que las vibraciones se reduzcan por la reducción del empuje temporal de los SRBs (segunda ley de Newton).
Los cohetes de propelente solido tienen otros 2 sistemas importantes en funcionamiento. Uno es el sistema de control, el cual será discutido más adelante. El otro es el sistema de encendido. Los chinos disparaban flechas encendidas que las encendían con mechas. Esta era una práctica peligrosa porque la mecha podía quemarse demasiado rápido y no daba tiempo al arquero de hacer el disparo a tiempo. Las mechas fueron usadas durante siglos hasta que fueron reemplazados por igmitores eléctricos. Con un sistema eléctrico un cable con una alta resistencia calienta y enciende el propelente.
Control de vuelo.
La tercera ley de Newton tiene un trabajo en los sistemas de control de vuelo para los cohetes. Las estructuras metálicas para guiar a los cohetes no fueron efectivas. Los cohetes militares fueron lanzados por cientos para que al menos algunos golpearan a sus objetivos. La precisión se aumentó cuando pequeñas venas fueron añadidas a la salida de la tobera. Estas venas impartían estabilidad al causar que los cohetes giren sobre su eje como las balas.
Otra técnica fue añadir aletas o alerones, como plumas en una flecha en el extremo inferior del carenado del cohete. Mientras un cohete vuela “recto como una flecha”, los alerones proveen un poco de arrastre con el aire (drag). Sin embargo, si el extremo inferior del cohete comienza a colear como cola de pescado, el arrastre se incrementa mucho. El flujo de la corriente de aire golpea el alerón y el alerón dirige el flujo de la corriente de aire hacia a un lado. El extremo inferior del cohete se mueve en el lado opuesto y corrige el movimiento de cola de pescado (tercera ley de Newton). Los alerones son ampliamente utilizados con modelos de cohetes y misiles pequeños.
Los alerones en los modelos de los cohetes son sistemas de control de vuelo pasivo. Permanecen estáticos y realizan su trabajo si el cohete comienza a volar de manera errática. Robert H. Goddard tomo un paso gigantesco hacia adelante convirtiendo los alerones en un sistema de control activo. Los alerones de Goddard podían ser más pequeños y ligeros porque no estaban inmóviles o estáticos. Incluso la más ligera desviación de la trayectoria planeada causaría una reacción en los alerones para devolver al vehículo en la dirección deseada.
El corazón del sistema de control de vuelo de Goddard usado más tarde en el V2 y otros cohetes avanzados, fueron los giroscopios. Los giroscopios que son una especie de disco, que gira a grandes velocidades, se vuelven estables debido a su inercia (primera ley de Newton). En otras palabras, el eje de un giroscopio apunta en una dirección. Si el cohete vira en una dirección diferente a su trayectoria, el movimiento actúa en el alineamiento del giroscopio, y este conectado a un sistema eléctrico que transmite las correcciones apropiadas para mover los alerones del cohete.
Te puedes dar una idea de la efectividad del sistema de control activo de los alerones con una simple demostración. Balancea con la palma de tu mano un palo largo. Si el palo empieza a tambalearse hacia un lado tu automáticamente mueves tu mano hacia el otro para mantener el palo recto. El sistema de control activo de los alerones funciona de la misma manera.
Si el cohete comienza a inclinarse a la derecha. El borde inferior de los alerones se dobla hacia la izquierda. Esto causa que el flujo de aire sea desviado hacia la izquierda. La parte inferior del cohete se mueve hacia la derecha y el cohete vuelve a su trayectoria. Naturalmente existen diseños de alerones más complejos que el que acabamos de describir, esto depende del diseño del cohete, el alerón entero puede no moverse. En su lugar la parte inferior del alerón podría ser la parte controlable del sistema (como un timón). También pueden colocarse alerones muy pequeños cerca de la nariz del cohete. Estos son llamados “canards”, y permiten maniobras de vuelo extremas y muy rápidas para misiles militares tipo aire-aire. También se pueden colocar pequeñas aletas denominadas paletas dentro de tobera para controlar la corriente de salida del motor, cuando una paleta se inclina, controla una parte de los gases de salida hacia un lado o hacia otro. La parte inferior del cohete responde moviéndose hacia el otro lado. Todos estos tipos de alerones son ejemplos de la tercera ley de Newton en acción.
Controlando la masa.
La masa total del cohete tiene una gran influencia en su desempeño. Si un cohete tiene una masa mayor de la que los motores son capaces de propulsar, el cohete se mantendrá en tierra incapaz de despegar. Entre más ligero sea un cohete, será mejor. Sin embargo, los cohetes deben cargar todo su combustible (por que todavía no existen estaciones de recarga de combustible en el espacio), una gran parte de la masa del cohete tienen que ser sus propelentes. La masa del propelente consumido es una gran parte del impulso (segunda ley de Newton). Así que para disminuir la masa de un cohete debemos de optimizar otros aspectos en
su diseño, por ejemplo, la estructura del cohete.
La ingeniería de los tanques de propelentes ligeros reforzados con costillas es una gran forma de reducir la masa del cohete. El enfriamiento del hidrogeno y el oxígeno hasta su licuefacción reducen su volumen total. Esto significa tanques más pequeños y menos masivos. Motores que pueden rotar su tobera para control de vuelo significa que los pesados alerones pueden ser eliminados.
Cuando se diseñan los nuevos cohetes, los científicos e ingenieros deben de enfrentarse a la fracción de masa. La fracción de masa es una simple relación inversa matemática entre la masa de los propelentes del cohete y la masa total del cohete. Esto quiere decir que:
Fracción de masa = masa del propelente / masa total
Sin embargo existe un margen de operación en esta ecuación, los cohete mas eficientes tienen una fracción de masa por encima del 0.91. Esto quiere decir que del total de la masa del cohete el 91% de su masa es propelente y que el 9% restante representan a la estructura del cohete y a su carga útil. Entonces ya que la masa del propelente es indispensable, los esfuerzos en reducir la masa del cohete deben de concentrarse en la reducción de la masa de la estructura del cohete y su carga útil.
Un truco simple pero viejo para este objetivo son dividir al cohete en etapas. Empiezas con un cohete largo y apilar cohetes mas pequeños en la parte superior de este y colocar la carga útil en el cohete que se encuentre en el extremo superior de este. Los cohetes mas grandes levantaran el peso de su masa y la de los cohetes mas pequeños. Cuando el cohete mas grande (primera etapa) esta vacio se separa y cae. El segundo cohete ( la segunda etapa) se enciende y acelera hasta vaciarse y asi la tercera etapa realiza el mismo proceso pero cada etapa acelera a velocidades mayores que la anterior. Al dividir el cohete en etapas la masa del cohete es reducida en pleno vuelo, haciendo las etapas superiores más eficientes al realizar su trabajo.
