Transportes espaciales del futuro

Las nuevas tecnologías que se están desarrollando para poner objetos y personas en órbita que, como todo el mundo sabe, es el primer paso fundamental para la conquista del espacio. Sin este paso o si este paso sale muy caro todo lo demás no tiene sentido.
Para poner algo en órbita terrestre se necesita una velocidad de 7 Km/s, es decir, unas 26 veces la velocidad del sonido, y se suelen consumir unas 25 toneladas de combustible por pasajero y un cohete por vuelo. No es de extrañar que se intente rebajar este coste como sea.

Lanzadera espacial Space Shuttle

Con el Space Shuttle se intento el crear una nave parcialmente reutilizable para abaratar costos, pero al final no se han alcanzado los objetivos.
De momento contamos sólo con cohetes de diversos tipos y con la lanzadera norteamericana para colocar carga y personas en órbita baja (llamada LEO) y carga en órbita geoestacionaria.
De todos son conocidos los problemas por los que la lanzadera Norteamérica ha pasado y por los que pasa actualmente. También carecemos de un potente cohete que ponga grandes cargas en órbita como el Saturno V o el Energía.

 -Algunos vehículos de exploración tripulados:

 

 Con la lanzadera con problemas para seguir dando servicio urge solventar el problema de llevar personas a órbita baja de una manera eficiente y segura. La Nasa tiene en desarrollo programas como el “Advance Space Transportation” y ya ha encargado la construcción del “Crew Exploration Vehicle” o CEV.

De hecho ya ha recibido propuestas como la de Looked Martin y Boeing. Ambos sistemas se basan en la tecnología de cohetes ya existente.

Los vehículos serían colocados en el extremo superior de cohetes convencionales ya en uso o encima de otros a desarrollar.El proyecto de Lockheed_Martin seria un “minishuttle” y el de Boeing sería más bien una capsula al estilo de los años 60 y 70.Estos proyectos son todos norteamericanos. ¿Hay alguno en el viejo continente? ¿Estamos también diseñando el futuro?Hace bastantes años que se canceló la lanzadera europea por problemas presupuestarios, pero esto podría empezar a cambiar.

La Esa y Rusia planean desarrollar el Kliper. Éste sería un módulo alado que se colocaría también encima de un cohete convencional como el europeo Ariane (o en un cohete ruso) y que permitiría llevar a seis tripulantes a órbita baja o a la estación espacial.
Como se puede ver, la idea es muy parecida a la del Crew Exploration Vehicle de Lockheed_Martin, un “minishuttle”.
Parece que de momento otros tipos de transporte totalmente reutilizables quedan fuera del futuro próximo, como la vieja-nueva idea de un shuttle de dos fases. 

Interior del Kliper

Shuttle reutilizable de dos fases

Al parecer los costos de desarrollo de semejante par de vehículos no los puede asumir la NASA, y tampoco los plazos de entrega, estando como está necesitada de jubilar el shuttle lo antes posible.
Otro proyecto que ha sido abandonado es el del X33 al no llegar a alcanzar los objetivos. Este era un modelo a escala de otro sistema superior de un shuttle y denominado de diversas maneras.
Era un cohete alado de una sola fase que no utilizaría cohetes auxiliares de ningún tipo. Desarrollado por Lockheed Martin bajo financiación de la NASA deglutió una cantidad de dinero pasmosa antes de ser cancelado.
Incorporaba todo tipo de nuevas tecnología incluida una tobera lineal y nuevos materiales aislantes novedosos para la reentrada de bajo mantenimiento.
Pero, ¿Cuál es el futuro? No todo han sido fracasos. Se ha conseguido, por ejemplo, desarrollar con éxito motores hipersónicos scramjet.
Estos motores consumen aire atmosférico para producir la combustión del combustible a la manera de los reactores de los aviones convencionales.

Cohete Pegasus

Pero la compresión no se realiza con turbinas sino que es la misma presión del aire y la geometría del sistema la que lo consigue. Estos motores a reacción funcionan a muy altas velocidades y mantienen ahora mismo la marca mundial de velocidad dentro de la atmósfera terrestre con casi 10 Mach (10 veces la velocidad del sonido). La ventaja fundamental es que no hay que acarrear el peso del oxigeno líquido con el vehículo, pues es consumido de la atmósfera. Obviamente no funcionan en el espacio por esa misma razón, pero la idea es usar motores cohete convencionales una vez se abandona la atmósfera.Otra ventaja es su sencillez y su bajo mantenimiento debido a la ausencia de partes móviles como puedan ser turbinas.Un inconveniente es que no funcionan a bajas velocidades, por lo que hay que utilizar otro sistema a ese régimen. Para la última prueba de este sistema se utilizó un cohete Pegasus lanzado desde un avión.Otra idea sería utilizar un sistema electromagnético de aceleración.

X43 montado en el morro de un cohete Pegasus

Estos sistemas electromagnéticos se han ensayado a escala en los laboratorios y funcionan muy bien. Hay un sistema real de 15 metros de largo en el Marshall Space Flight Center.
Los campos electromanéticos de una vía tipo Maglev acelerarían un vehículo hasta los 1000 km/h en una pista mucho más larga. Después utilizaría motores cohete y/o scramjet para alcanzar la orbita.

Ascensor espacial

Propuesto hace más de un siglo y posteriormente usado en novelas de ciencia ficción, el ascensor espacial consistiría en un “cable” que anclado en el ecuador llegaría hasta un satélite pesado (se ha llegado a proponer un asteroide reorbitado) en órbita geoestacionaria a 36.000 km de distancia de la superficie terrestre.
En esa órbita el satélite tarda 24 horas en completar una vuelta alrededor de la Tierra y por tanto, al igual que los satélites de comunicaciones, mantiene su posición relativa en el espacio fija respecto al observador terrestre.
La carga se mandaría allí gracias a un sistema electromagnético sujeto al cable.
De todos los sistemas sería el sistema más barato (con mucho) por carga puesta en órbita. Sin embargo, una obra tan colosal de ingeniería (y posible blanco de terroristas) es de momento irrealizable, incluyendo el precio desorbitado de la obra civil. De hecho, hasta hace poco se creía que era imposible su construcción por no existir material con el que construir un cable tan resistente. Pero posteriormente se descubrieron los nanotubos de carbono que son 100 veces más resistentes que el acero y con los que se podría realizar fisicamente.

Transbordadores espaciales

Atlantis

Los transbordadores espaciales actuales (Discovery, Atlantis y Endeavour) son el resultado de años de investigación e innovación tecnológica, después de que se decidiera que la carrera espacial necesitaba vehículos reutilizables tras el Programa Apolo que llevó al hombre a la Luna.

Con esta y otras premisas nacieron los transbordadores, cuyo primer miembro fue el Columbia, enviado al Centro Espacial Kennedy el 25 de marzo de 1979. Más tarde llegaría el Challenger, el Discovery y el Atlantis. Otra de las premisas con las que se entró en el programa de los transbordadores fue la posibilidad de llevar satélites a sus órbitas (bajas) y poder iniciar la construcción de una estación espacial orbitante, que a la postre se convertiría en la estación espacial internacional, ya a punto de terminarse.

Sin embargo, en el año 1986, un trágico accidente segó la vida de los siete tripulantes del Challenger, por lo que se inició la construcción de otro transbordador, el Endeavour. En el año 2003 otro desastre sacudía a la NASA y el transbordador Columbia también se desintegraba, esta vez en su reentrada en la atmósfera, por lo que los tres transbordadores restantes estuvieron parados hasta dos años después, tiempo que se invirtió en aumentar la seguridad de los vehículos espaciales e investigar las causas del accidente.

El transbordador espacial está compuesto de cuatro partes. Una de ellas es el vehículo espacial propiamente dicho, el orbitador, un gran tanque desechable de combustible, que contiene hidrógeno y oxígeno líquidos, que se libera a los 8.5 minutos del lanzamiento, rompiéndose en pedazos que caen al mar… y ahí se quedan, y dos tanques recuperables de combustible sólido, que se desprenden a los dos minutos del despegue, y con un paracaídas caen al mar donde son recogidos por los técnicos.

Sin embargo, los transbordadores ya están llegando a su fin, ya que su vida útil era de 100 vuelos cada uno. Su salida de la carrera espacial dará entrada a la nueva nave Orión, más parecida a las del programa Apolo, que se centrará en crear una estación espacial en la Luna para posteriormente tratar de llegar a Marte.

Cohetes espaciales

 

Un cohete espacial es el vehículo que ha permitido al hombre salir de la Tierra para iniciar la gran epopeya de la exploración espacial. Conocido desde la antigüedad y utilizado durante siglos como instrumento de guerra, sólo desde hace relativamente poco tiempo el cohete ha sido tomado en consideración como pacífico medio de propulsión capaz de vencer la fuerza de atracción que nos mantiene unidos a nuestro planeta. Su desarrollo efectivo comenzó poco después de la última guerra mundial y después de haber sido, una vez más, empleado por el hombre como instrumento de muerte. Características. Por cohete se entiende habitualmente un huso aerodinámico que contiene en su interior un motor a reacción, los depósitos para los propulsores y la llamada «carga útil» para transportar, y que es capaz de elevarse verticalmente o con una determinada inclinación desde el suelo o desde el aire. El corazón de un vehículo de este tipo es el motor a reacción o cohete, que está en condiciones de proporcionar el empuje necesario a su movimiento aprovechando el principio físico de acción y reacción.

 Tipos de cohetes

En cuanto al tipo de combustible usado, existen dos tipos de cohete:

  -Cohete de combustible líquido - en que el propelente y el oxidante están almacenados en tanques fuera de la cámara de combustión y son bombeados y mezclados en la cámara donde entran en combustión.   

  -Cohete de combustible sólido - en que ambos, propelente y oxidante, están ya mezclados en la cámara de combustión en estado sólido.

   En cuanto al número de fases, un cohete puede ser:

   -Cohete de una fase - en este caso el cohete es "monolítico";
  

  -Cohete de múltiples fases - posee múltiples fases que van entrando en combustión secuencialmente y van siendo descartados cuando el combustible se agota, permitiendo aumentar la capacidad de carga del cohete.

-> Algunos cohetes espaciales:

Cohete Apolo

  

La nave Apolo fue diseñada como parte del programa Apolo, por los Estados Unidos a comienzos de la década de 1960 para enviar un hombre a la Luna antes de 1970 y regresar a salvo a la Tierra. Esta meta fue dispuesta por el Presidente Kennedy tras el primer vuelo del programa espacial Mercury.

Cohete espacial Geminis

El Programa Gemini comenzó en 1965 después de que la agencia espacial estadounidense NASA finalizara su primer programa de vuelos espaciales: el pionero Proyecto Mercury, el cual había logrado poner en el espacio a los primeros estadounidenses.

El Programa Gemini, a diferencia de su antecesor y su subsiguiente continuación con el Programa Apollo, no produjo tanta euforia en la opinión pública a pesar de que los desarrollos alcanzados en este proyecto serían de vital importancia para el desarrollo de las futuras misiones Apollo y la meta de llevar un hombre a la Luna.

La Estación Espacial Internacional, también conocida como la Estación Orbital Internacional es un centro de investigación construido en la órbita terrestre. En el proyecto participan cinco agencias del espacio: la NASA, la Agencia Espacial Federal Rusa, la Agencia Japonesa de Exploración Espacial, la Agencia Espacial Canadiense y la Agencia Espacial Europea. Está considerada como uno de los logros más grandes de la ingeniería.

Evolución de los cohetes

 Entre la I y la II Guerras Mundiales, especialmente en los años 30, hubo activos clubs de entusiastas de los cohetes en Alemania, Estados Unidos, Rusia y otros países. Se diseñaron cohetes experimentales, se probaron, y algunas veces los hicieron volar. Algunos de los experimentos usaban combustible líquido, aunque también se desarrollaron cohetes de combustible sólido. En estos últimos, el combustible se quemaba gradualmente (como en los antiguos cohetes de pólvora), y el contenedor de combustible estaba presurizado, proporcionando el gas caliente directamente hacia la tobera De-Laval. 

El semillero del estudio y uso de los cohetes fue Alemania, donde Hermann Oberth, un rumano, promovió con pasión la idea de los vuelos espaciales, aún cuando su tesis doctoral "El cohete en el espacio interplanetario" fue rechazado por la Universidad de Heidelberg. Oberth era un miembro antiguo de la "Sociedad par los Viajes Espaciales" (Verein fuer Raumschiffahrt ó VfR) formado en 1927. En 1930 el VfR probó con éxito un motor de combustible líquido con una tobera cónica que desarrollaba un empuje de 70 newtones (unos 10 newtones elevan 1 kg). En 1932 volaban cohetes con motores de 600 newtones. 

Cohete Katyusha

 Con la excepción del V-2, los diversos ejercitas de la II Guerra Mundial usaron cohetes de combustible sólido para bombardeos masivos, para cubrir ataques ó desembarques en la playa; el ejercito ruso, por ejemplo, tenía su famoso "Katyusha".

Asimismo, Alemania desarrolló un avión ligero movido por un cohete, con motores que solo funcionaban el tiempo necesario para permitirle su elevación e interceptar a los bombarderos americanos, después de lo cual planeaba hacia la tierra y aterrizaba sin motores. Fueron, no obstante, unas armas fruto de la desesperación y la guerra terminó antes de que pudieran utilizarse. Después de la guerra, en 1947, los EE.UU. construyeron e hicieron volar un avión cohete, el X-1, que se convirtió en el primer avión en superar la barrera del sonido en vuelo de nivel, el 14 de Octubre de 1947. El X-1 se puede ver también en el museo Smithsonian. 

Avión cohete X-1

WAC Corporal

 Todos los cohetes anteriores tenían un solo motor, con el que ascendían hasta que se quedaban sin combustible. Sin embargo, una forma mejor de alcanzar gran velocidad es colocar un cohete pequeño en la parte superior de un mayor y encenderlo después de que se ha apagado el primero.



El ejercito de los EE.UU., que después de la guerra usó V-2 capturados para vuelos experimentales a la alta atmósfera, usó un camino más efectivo. Reemplazó la carga por otro cohete, en este caso un "WAC Corporal," que era lanzado desde el alto de la órbita. Ahora el apagado V-2, que pesaba 3 toneladas, se podía dejar caer y, usando el cohete pequeño, alcanzar una mayor altitud. Este era el cohete "Bumper" que en febrero de 1949 alcanzó una altura de 393 km.

Hoy en día la mayoría de los cohetes espaciales usan varias etapas, que dejan caer las etapas apagadas y continúan con y continúan con impulsores más pequeños y ligeros. El Explorer 1, el primer satélite artificial de los EE.UU., que fue lanzado en enero de 1958, usaba un cohete de 4 etapas. La lanzadera espacial utiliza dos impulsores de combustible sólido, que se dejan caer cuando se han apagado (el desastre del "Challenger" de 1986 ocurrió cuando uno de ellos falló).
 

Explorer 1

El combustible para los motores propios de la lanzadera, hodrógeno y oxígeno liquidos, proviene de un enorme tanque desprendible. Cuando se va usando el combustible, la masa impulsada disminuye y, por a la 2ª ley de Newton, la aceleración aumenta constantemente (es difícil disminuir el empuje de los moteres, pero la lanzadera lo puede hacer de forma limitada). Para reducir la aceleración y salvar a los astronautas y al vehículo de una fatiga excesiva, en un punto elegido del vuelo se apagan 2 ó 3 motores. Aún así, cuando se quema el último combustible del tanque, la aceleración alcanza unas 6g, empujando a cada astronauta hacia abajo con una fuerza añadida de 6 veces el peso de su cuerpo. 

Clases de propulsión

  Cohetes químicos

Los cohetes químicos crean propulsión gracias al producto químico que se genera al quemarse una sus-
tancia. Los cohetes tienen que funcionar en un ambiente en el que el aire es muy poco denso; cuando se trata
de colocar un satélite artificial en órbita, el ambiente es más o menos un vacío. Naturalmente, no hay oxígeno
suficiente para quemar el combustible que crea la propulsión. Por lo tanto, el cohete tiene que transportar no
sólo el combustible sino también el oxígeno (el oxidante). Ésta es la diferencia esencial entre el cohete y los
motores a chorro. Las aeronaves de propulsión a chorro transportan solamente combustible. Crean propulsión
succionando aire del ambiente que contiene oxígeno y usándolo para quemar su combustible.
Para crear propulsión, los cohetes químicos están diseñados para generar gas a alta temperatura y
presión por medio de una reacción química (combustión), arrojando el gas resultante. En la categoría de los
cohetes químicos, los cohetes sólidos utilizan propulsantes sólidos y oxidantes; los cohetes líquidos utilizan
propulsantes líquidos, y los cohetes híbridos utilizan ambos. Los cohetes sólidos queman un propulsante que
contiene un oxidante granulado. En cohetes líquidos, el combustible líquido y el oxidante líquido, almacenados
en depósitos separados, se mezclan en la cámara de combustión y se queman. Con respecto a los cohetes
híbridos, se rocía un oxidante líquido en el combustible sólido, que luego se quema. Todos los vehículos de
lanzamiento de gran tamaño que están actualmente en uso alrededor del mundo (los cohetes H-IIA y M-V
japoneses, el Space Shuttle (Transbordador Espacial) estadounidense, el cohete Ariane europeo y el Soyuz
ruso) son cohetes químicos.

 Cohetes no químicos

  En lugar de utilizar una reacción química (combustión), los cohetes no químicos utilizan energía eléc-
trica o energía térmica para acelerar y luego expulsar el propulsante. Los cohetes no químicos vienen en una
variedad de tipos, representativos de los cuales son los cohetes de propulsión de iones, que expulsan partícu-
las ionizadas por medio de su aceleración en un campo electro-magnético; y los cohetes de energía nuclear y
cohetes de propulsión por fusión nuclear, que expulsan gas a alta temperatura calentando partículas livianas
(por ejemplo de hidrógeno) en un reactor nuclear. Existen numerosas nuevas ideas para generar partículas de
alta velocidad, tales como el cohete de luz quantum diseñado para generar luz por medio de la reacción entre
la materia y la antimateria. Otra idea es la de un sistema en el cual el cohete mismo no transporta una fuente de
energía sino que depende de un suministro de energía externa que convierte en energía cinética. Un ejemplo
es un cohete que depende de un láser basado en tierra para excitar su masa de combustible subcrítica. Otro
ejemplo es la vela solar, una enorme membrana que se despliega en el espacio y recoge la energía solar para
mover el cohete, de manera muy parecida a la forma en que una vela mueve a un yate.
Dos tipos de cohetes no químicos han llegado actualmente a la etapa de aplicación práctica: el motor
de iones utilizado a bordo de la sonda de asteroides “HAYABUSA”, que aterrizó recientemente en el asteroide
“Itokawa”; y el motor de plasma que se está utilizando en un satélite en órbita geoestacionaria. Estos dos moto
-
res se llaman motores de “propulsión de empuje lento” debido a su bajo nivel de empuje. Los motores pueden
acelerarse eficientemente utilizando una cantidad limitada de combustible y, por lo tanto, son apropiados para
controlar satélites artificiales así como para misiones interplanetarias que suponen vuelos a través de distan-
cias significativas. Los otros tipos de cohetes no químicos están en la etapa de desarrollo.

¿Por qué vuelan los cohetes?

  Dentro de los cohetes químicos hay un espacio vacío, la cámara de
combustión, dónde quema el combustible. El proceso de combustión, cuando quema el
combustible, es una reacción químico. El combustible se combine con oxígeno (u otra
molécula) y produce energía y gases nuevos. Parte de la energía está liberado en forma de
la luz que vemos como fuego. Mucha de la energía está liberado en forma de calor, y el
calor causa que los gases dentro del cohete expanden rápidamente. La cámara de
combustión está abierto solamente en la parte de abajo del cohete, por éso los gases
calientes salen con fuerza del agujero abajo.

 

Orígenes de los cohetes

Konstantin Tsiolkovsky

Hermann Julius Oberth

 El origen del cohete es probablemente oriental.

  La primera noticia que se tiene de su uso es del año 1232, en la China y  fue introducido en Europa por los árabes. Durante los siglos XV y XVI fue utilizado como arma incendiaria. Posteriormente, con la extensión de la artillería, el cohete bélico desapareció hasta el siglo XIX, y fue utilizado nuevamente durante las guerras napoleónicas.

Robert Hutchings Goddard

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, aparecieron los primeros científicos que vieron el cohete como sistema para propulsar vehículos aéreos espaciales tripulados, entre los cuales cabe destacar al ruso Konstantin Tsiolkovsky, al alemán Hermann Julius Oberth y al estadounidense Robert Hutchings Goddard, y, más tarde a los rusos Sergej Korolev y Valentin Gruchensko y al alemán Wernher von Braun.


Este último desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial los cohetes V-1 y V-2 (A-4 en la terminología alemana), que constituyeron el núcleo de las investigaciones norte-americanas y soviéticas de la posguerra.

Cohete V1

Cohete V2

Cohete Atlas

Si bien es cierto que, inicialmente se desarrollaron cohetes específicamente destinados a usos militares, los programas espaciales que pusieron en marcha soviéticos y estadounidenses, se basaron en cohetes diseñados con finalidades propias de la astronáutica, entre los que hay que destacar, por parte norte-americana, el Atlas, el Agena, el Thor 2, el Atlas-Centaur, la serie Delta, los Titán y Saturno (entre los cuales el Saturno-V, que hizo posible el programa Apollo), y, por parte soviética, los cohetes designados, por las letras A, B, C, D y G (estos dos últimos tuvieron un papel equivalente a los Saturno norte-americanos).

-> Cohetes soviéticos:

 

    Otros países que han construido cohetes, en el marco de un programa espacial propio, son Francia, Gran Bretaña (que lo abandonó), Japón, China, Brasil y la India, así como el consorcio europeo que constituyó la Agencia Espacial Europea (ESA), que ha construido y explotado el cohete lanzador Ariane.