Estamos acostumbrados a ver que, para salir hacia el espacio exterior, hay que utilizar cohetes, con los que podemos ir a la Estación Espacial Internacional (ISS), o poner algún satélite en órbita como lo hace regularmente la empresa de Elon Munsk, SpaceX. Pero, ¿por qué despegan de manera vertical? ¿Se puede volar hacia el espacio sin cohetes? ¿Existen limitaciones? Intentaremos resolver estas preguntas en el siguiente artículo.
¿Qué son los cohetes?
Lo que normalmente llamamos cohetes se denominan Vehículos de Lanzamiento Orbital (VLO), aparatos de apariencia cilíndrica que nos permiten despegar hacia el espacio y están constituidos por varios motores-cohetes y tanques. La llamada carga paga que se desea posicionar en el espacio (como puede ser un satélite, una sonda interplanetaria o algún elemento estructural de la ISS) ocupa una pequeña fracción en la parte superior del vehículo donde va alojada dentro de una cápsula llamada cofia, que lo protege del ajetreado viaje atmosférico.
¿Cómo se propulsan?
Estos cohetes tienen la característica de estar impulsados por propelentes (también llamados propergoles), sustancias que reaccionan en la cámara de combustión, generando gases a alta presión y temperatura. Cuando estos gases salen por la tobera a gran velocidad, se produce una fuerza de reacción en el sentido contrario llamada empuje que acelera el cohete, permitiéndole escapar de la atracción gravitacional de la Tierra. La tobera o efusor es un dispositivo cuya geometría cónica hace que el flujo que lo atraviese se acelere.
La característica principal de estos elementos es que, a diferencia de los motores de los automóviles o de los aviones, producen combustión sin necesidad de Oxígeno externo (obtenido de la atmósfera). Esto permite a los VLO propulsarse fuera de la atmósfera y viajar hacia el espacio.
Algunos son monopropelentes (también llamados monoergoles), es decir una única sustancia química que no necesita ningún tipo de agente oxidante para producir la combustión, pudiendo hacerlo de manera espontánea luego de ser encendidos mediante algún mecanismo. La energía química se libera como energía térmica generalmente mediante el uso de un catalizador.
Otros son bipropelentes, es decir una mezcla, denominada hipergólica, constituida por 2 componentes, un combustible y un oxidante que, al entrar en contacto, se inflaman o combustionan de manera espontánea.
Si ambos componentes son líquidos, mediante un complejo sistema de cañerías, válvulas y bombas se hacen llegar a la cámara de combustión, donde se dosifican para producir la combustión adecuada y lograr el empuje necesario.
En el caso de que sean materiales sólidos, éstos se compactan y aglutinan en diversas configuraciones.
También existen cohetes híbridos que utilizan un propelente líquido como combustible y un propelente sólido como oxidante.
Cohetes Saturn V (izquierda), empleado en las misiones lunares Apolo, Transbordador Espacial (centro) y Falcon 9 de SpaceX (derecha). El Transbordador Espacial utiliza además dos impulsores de propelente sólido ubicados a ambos lados del tanque principal.
Como podemos observar la mayor parte de un VLO lo constituyen sus propulsores. Esto demuestra la increíble cantidad de energía que se requiere salir de la atmósfera.
¿Qué diferencia existe con los aviones?
A diferencia de los cohetes, los aviones que estamos habituados a ver necesitan de la atmósfera gaseosa para:
1) Generar sustentación aerodinámica. Esta fuerza surge del movimiento relativo del aire sobre la superficie del ala y permite a un objeto elevarse y vencer a la gravedad.
2) Generar empuje. Esta fuerza es producida por los motores, ya sean a pistón o a reacción, a través de la combustión de combustibles (similares al kerosene), la cual necesita oxígeno que se obtiene de la atmósfera.
Pero, a medida que ascendemos la atmósfera se vuelve menos densa. El contenido de aire (mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno) comienza a escasear, hasta desaparecer por completo aproximadamente a los 500 km de altura en la Termosfera, la penúltima capa atmosférica.
Por lo tanto, el avión que pretende salir hacia el espacio se enfrenta a dos problemas. El primero es que a medida que asciende, la menor cantidad de aire presente le otorga una menor sustentación. Para compensar esto debemos volar cada vez más rápido. Y aquí aparece el segundo problema, ya que el motor entrega menos potencia a medida que ascendemos, porque hay un menor contenido de oxígeno gaseoso para mantener la combustión. El avión, en estas circunstancias, está llegando a un punto que se llama techo máximo, la máxima altura que un avión puede alcanzar y que es una característica que depende de su configuración aerodinámica y del motor que posea.
Es por estas limitaciones físicas que un avión no puede viajar al espacio. En virtud de esto se estableció por consenso internacional que el espacio exterior comienza en la llamada Línea de Kármán, una frontera imaginaria ubicada a 100 km de altura. Esta altura es bastante mayor que la máxima altitud que puede alcanzar un avión convencional. Cabe aclarar, por ejemplo, que los aviones comerciales vuelan generalmente a una altura cercana a los 12 km.
Récord de altitud. El 31 de agosto de 1977 el piloto Aleksandr Fedotov logró el récord de altitud absoluto con un avión convencional registrando una marca de 37,65 km a bordo de un avión MiG-25 similar al de la fotografía de la izquierda.
¿Orbitar la Tierra o escapar de ella?
Si deseamos arrojar un objeto no propulsado hacia el espacio, es decir sólo con un impulso inicial, debemos hacerlo a una velocidad llamada velocidad de escape y su magnitud, respecto a la superficie de la Tierra, es de aproximadamente 11 km/s. Los objetos lanzados de esta manera, sin propulsión y sólo con una velocidad inicial, describen una trayectoria llamada balística.
Si por otro lado queremos hacer que el objeto entre en órbita circular alrededor de la Tierra, es decir dejarlo en traslación alrededor de ella atrapado por su gravedad, deberíamos lanzarlo sólo en dirección horizontal, es decir tangente a la superficie de la Tierra y a una velocidad llamada velocidad orbital, cuya magnitud, sobre la superficie de la Tierra, es de casi 8 km/s.
Una forma de visualizar esto es imaginando un cañón que arroja un proyectil de manera horizontal. Suponiendo que no existe fricción con el aire, cada vez que la velocidad de salida aumenta, el proyectil llega más lejos. Debe existir, por lo tanto, una velocidad lo suficientemente elevada para la cual el proyectil de la vuelta al globo y retorne al punto de salida. Ésta es la velocidad orbital y su magnitud disminuye con la altura a la que el objeto es arrojado.
La geometría de la órbita en una trayectoria balística depende de la velocidad inicial a la que el proyectil es arrojado.
Lo interesante de estas velocidades es que no dependen de la masa del objeto arrojado. Cualquier cuerpo lanzado desde la superficie terrestre horizontalmente a una velocidad inferior a la de escape, pero mayor a la orbital, terminará orbitando la Tierra. Estas órbitas se denominan ligadas por el hecho de que el proyectil queda “atrapado” por la gravedad terrestre. Del mismo modo un cuerpo lanzado a una velocidad igual o mayor a la de escape, se alejará hacia las inmensidades del espacio profundo, desacelerando indefinidamente. Por esto las órbitas con estas característica se denominan no ligadas.
Entonces cabría preguntarnos ¿por qué los VLO que van a colocar un satélite en órbita alrededor de nuestro planeta, despegan verticalmente y no horizontalmente como un avión? Simplemente, para salir de la atmósfera lo antes posible. De esta manera se busca una economía de combustible, estando la menor cantidad de tiempo bajo la acción de la resistencia del aire. Luego la trayectoria es ajustada periódicamente hasta volverla completamente horizontal. Una vez superada la atmósfera, y lejos de la resistencia que ella ofrece, se imprime la aceleración final hasta alcanzar la velocidad orbital necesaria.
Ahora si imaginamos un objeto propulsado por cohetes, no es necesario llegar a la velocidad de escape para alcanzar el espacio exterior. Esto podría hacerse a cualquier velocidad siempre y cuando se mantenga de manera continua el empuje suficiente para superar el peso de la astronave imaginaria.
Una reseña de esto es el ascenso directo, un método para enviar una nave espacial a otro cuerpo celeste (como por ejemplo la Luna) de manera directa, sin necesidad de insertarlo en órbita o de llevar un módulo de descenso separado. La nave sólo debe despegar y, al aproximarse al objetivo, reducir su velocidad tocando el suelo lentamente. Era el procedimiento más popular presente en la literatura de ciencia ficción hasta mediados del siglo XX, por ejemplo, en la novela de 1865 “De la Tierra a la Luna” de Jules Verne o en el cómic de 1950 “Las Aventuras de Tintín” de Hergé.
El ascenso directo se propuso como primer método para lograr un alunizaje tripulado durante el desarrollo del programa estadounidense Apolo, pero se rechazó porque habría requerido la construcción de un vehículo de lanzamiento de proporciones colosales.
Dejando la Luna de lado, las soluciones encontradas para alcanzar el espacio a baja velocidad se basan en planeadores cohetes lanzados vía aérea. El método consiste en remontar el aparato hasta gran altitud suspendido de un avión portador. Al llegar a cierta altura, generalmente 14 km, se desprende y los cohetes se encienden comenzando inmediatamente con la búsqueda de altitud. Una vez consumido el combustible el planeador se dirige, en trayectoria balística, hasta la máxima altitud. Luego desciende planeando hasta tocar tierra. El vuelo realizado de esta manera se lo considera suborbital, es decir un vuelo que, en trayectoria balística, no logra alcanzar la velocidad orbital de modo que caen nuevamente a Tierra trazando un arco de elipse muy similar a una parábola.
Diseñadas por de la empresa Scaled Composites la aeronave lanzadera White Knight (izquierda) transporta al planeador cohete SpaceShipOne suspendido debajo. El 4 de octubre de 2004 el piloto Brian Binnie logró el récord de altitud con este tipo de aeronave al llegar a 112 km de altura (derecha).
¿Pueden las naves espaciales volar como los aviones?
Para poder maniobrar adecuadamente las aeronaves cuentan con superficies móviles de control que modifican la geometría del ala y de la cola perturbando el flujo de aire alrededor de ellas. Esto repercute en la aparición de fuerzas aerodinámicas que al no estar equilibradas se traducen en movimientos que le otorgarán al avión la actitud deseada.
En cambio, las naves espaciales, al carecer de aire para deflectar, obtienen movimiento a partir de la expulsión de una cantidad de materia, llamada masa reactiva, que debe transportarse junto con la nave. El combustible es arrojado a través de un arreglo de toberas dispuestas según la geometría de la nave. Esto permite a la nave rotar y desplazarse por medio de una secuencia extremadamente precisa de pequeños impulsos.
Este método de propulsión se basa, al igual que ocurre con los cohetes en la atmósfera, en la tercera ley de movimiento de Isaac Newton y es el más utilizado por satélites y sondas interplanetarias. Como vemos las naves espaciales están lejos de propulsarse y maniobrar como lo hacen en las películas y literatura de ciencia ficción.
La mayoría de los astronaves utilizan pequeños y sencillos cohetes de propulsión química, generalmente monopropelentes. Sin embargo, actualmente existe un aumento en el uso y desarrollo de propulsión no química que ofrece una mayor duración, confiabilidad y economía de combustible. Algunas de ellas son la propulsión nuclear, el gas comprimido (de uso predominante en pequeños satélites) y la electromagnética, donde la masa expulsada es un flujo de partículas cargadas eléctricamente llamadas iones.
Finalmente, existen otras formas de propulsión sin masa reactiva. Esta tecnología no requiere cargar con un material eyectable consumible, sino que explota el hecho de que el espacio no está comagnéticas.pletamente vacío. En él existen campos de gravitación, campos magnéticos, viento y radiación solar y ondas electrom Por ejemplo, una forma de propulsión ampliamente utilizada para ahorrar combustible y tiempo de viaje es la asistencia gravitatoria. Esta maniobra consiste en aprovechar el campo gravitatorio de un cuerpo celeste (como un planeta o satélite) aproximándose a él con una velocidad y dirección tal que la gravedad modifique su trayectoria y aceleración. Sin embargo, muchos de los fenómenos citados son de naturaleza difusa haciendo que las estructuras de propulsión sean de tamaño considerable. Se están evaluando diversas técnicas, algunas en pleno desarrollo como las velas solares y otras más hipotéticas y especulativas que requieren una comprensión más profunda de las propiedades del espacio.
En resumen, vemos que un objeto propulsado puede escapar de la gravedad terrestre a cualquier velocidad. Sin embargo, la limitación para realizar un ingenio de esa naturaleza radica en la tecnología disponible. Para generar el empuje necesario durante todo el tiempo de viaje, se requiere transportar una gran cantidad de propelente. Esto repercute en un aumento de peso, y cuando un objeto es más pesado, se necesita más empuje para levantarlo, y para obtener más empuje se necesita más combustible. Nos encontramos frente a un círculo vicioso que se resuelve investigando y descubriendo combustibles más potentes, sistemas propulsivos sustentables y más eficientes y materiales más livianos y resistentes.
Autor
Gabriel Ferrario, Ingeniero Aeronáutico por la UNC
Bibliografía
Elements Of Spacecraft Design, Charles Brown, AIAA Education Series, 2002.
SpaceShipOne: The First Private Spacecraft, Tim Sharp, All About Space, Marzo 2019
Future Spacecraft Propulsion Systems & Integration (Enabling Technologies for Space Exploration), Paul Czysz, Claudio Bruno, Springer/Praxis, 2018.
