Motor cohete para niños

Un motor de cohete es un tipo especial de motor que se impulsa a sí mismo. Funciona expulsando gases a muy alta velocidad en una dirección, lo que hace que el motor se mueva en la dirección opuesta. Esto se basa en las leyes de la física.

La mayoría de los motores de cohete usan una reacción química, como la quema de un combustible, para obtener la energía necesaria y acelerar esos gases. Sin embargo, también existen otros tipos que usan energía nuclear o eléctrica.

Los motores de cohete son muy potentes para su tamaño y peso. Esto los hace ideales para lanzar naves al espacio, incluso si usan mucho combustible. Son los únicos motores que pueden funcionar en el vacío del espacio.

Tipos de motores de cohete

Existen diferentes maneras de clasificar los motores de cohete. La mayoría son cohetes químicos, que producen su impulso mediante reacciones químicas que liberan mucho calor. Estos se dividen en:

Motores de propergol sólido

Estos motores usan un combustible que es una mezcla sólida. Una vez que se enciende, esta mezcla se quema para generar el empuje.

Motores de propergol líquido

Estos motores usan uno o más combustibles líquidos que se guardan en tanques separados. Se mezclan y se encienden en una cámara de combustión. Algunos combustibles líquidos se encienden al simple contacto, sin necesidad de una chispa. Otros usan un solo tipo de combustible que se descompone con la ayuda de un material especial llamado catalizador.

Motores de propergol híbrido

Estos combinan un combustible sólido en la cámara de combustión con un segundo combustible que es líquido o gas, el cual se añade para que la quema sea completa.

Cohetes térmicos y eléctricos

También existen cohetes térmicos, donde el combustible no se quema, sino que se calienta con una fuente de energía como la solar o nuclear. Los motores iónicos y de plasma usan electricidad para acelerar partículas cargadas (iones) y así generar empuje.

¿Cómo funciona un motor de cohete?

La presión dentro de la cámara de combustión empuja los gases hacia la tobera.

Los motores de cohete crean empuje expulsando un fluido a gran velocidad. Este fluido es casi siempre un gas caliente. Este gas se produce al quemar combustibles y oxidantes (llamados propergoles) dentro de una cámara de combustión a muy alta presión.

El gas caliente sale por una parte especial del motor llamada tobera. La tobera tiene una forma que ayuda a que el gas se acelere muchísimo, convirtiendo el calor en movimiento. La fuerza que se produce al expulsar el gas empuja el motor en la dirección opuesta.

Para que un motor de cohete funcione bien, necesita temperaturas y presiones muy altas. Esto permite que el gas salga aún más rápido y que el motor sea más eficiente.

Cómo entra el combustible en la cámara de combustión

El combustible de un cohete se guarda en depósitos. Antes de ser expulsado, se introduce en el motor.

En los cohetes de combustible sólido, el combustible y el oxidante ya están mezclados en una pieza sólida. La carcasa que lo contiene se convierte en la cámara de combustión.

En los cohetes de combustible líquido, unas bombas llevan el combustible y el oxidante por separado hasta la cámara de combustión. Allí se mezclan y se queman. Los motores híbridos usan una combinación de combustible sólido y líquido o gaseoso. Tanto los motores líquidos como los híbridos usan inyectores para introducir el combustible en la cámara. Estos inyectores suelen ser pequeños agujeros por donde el combustible sale a presión.

La cámara de combustión

En los cohetes químicos, la cámara de combustión es generalmente un cilindro. Su tamaño es importante para que los combustibles se quemen por completo.

Las temperaturas y presiones dentro de la cámara de combustión son extremas. A diferencia de los motores de avión que usan aire, los cohetes no tienen nitrógeno atmosférico que enfríe la combustión. Por eso, las temperaturas pueden ser altísimas, incluso más que el punto de fusión de los materiales de la cámara.

Las toberas

Distribución típica de la temperatura (T), presión (p) y velocidad (v) en una tobera Laval.

El empuje del cohete es causado por las presiones que actúan en la cámara de combustión y en la tobera. Por la tercera ley de Newton, presiones iguales y opuestas actúan sobre el tubo de escape, y este se acelera a altas velocidades.

La tobera es la parte con forma de campana que le da al motor de cohete su aspecto característico. El gas caliente de la cámara de combustión sale por una abertura hacia esta tobera.

Si la presión es suficiente, la tobera crea un chorro de gas que viaja más rápido que el sonido. Esto acelera el gas de forma impresionante, convirtiendo la mayor parte de su energía térmica en energía de movimiento. La velocidad de salida del gas puede ser hasta diez veces la velocidad del sonido en el aire a nivel del mar.

Aproximadamente la mitad del empuje del motor proviene de las presiones dentro de la cámara de combustión, y la otra mitad de las presiones que actúan contra las paredes internas de la tobera. A medida que el gas se expande, empuja las paredes de la tobera, haciendo que el motor se mueva en la dirección opuesta.

Eficacia del combustible

Para que un motor de cohete sea eficiente, debe crear la mayor presión posible en las paredes de la cámara y la tobera con una cantidad específica de combustible. Esto se logra calentando el combustible a la temperatura más alta posible, usando gases de baja densidad y combustibles que se descompongan en moléculas sencillas.

La velocidad a la que el combustible sale del motor es una medida clave de su eficiencia. Esta velocidad se llama velocidad de escape.

La velocidad del sonido en los gases aumenta con la temperatura. En un motor de cohete, la velocidad del sonido en el gas caliente puede ser mucho mayor que en el aire a temperatura ambiente. La tobera multiplica aún más esta velocidad, creando un chorro de escape muy rápido y concentrado.

La eficiencia de la tobera se ve afectada por los cambios en la presión del aire a diferentes altitudes.

Contrapresión y expansión óptima

Para que el motor funcione de forma óptima, la presión del gas al final de la tobera debería ser igual a la presión del aire exterior. Si la presión del gas es menor, el vehículo se frena. Si es mayor, se desperdicia energía que podría haberse convertido en empuje.

Efecto de la presión exterior sobre el rendimiento de la tobera
Tobera subexpandida. El gas del chorro al final de la tobera tiene una presión mayor a la del ambiente, por lo que la expansión continúa fuera. Se desperdicia presión que se podría convertir en empuje.	Tobera crítica. La presión al final de la expansión en la tobera coincide con la del ambiente.	Tobera sobreexpandida. La presión del chorro de gas es menor que la presión ambiente antes de acabar el recorrido por la tobera. El rendimiento también baja. Sin embargo, las toberas ligeramente sobreexpandidas producen más empuje que las toberas críticamente expandidas si no se produce la separación de la capa límite.	En las toberas con un gran sobreexpandido se pierde menos eficiencia, pero pueden causar problemas mecánicos con la tobera, y si el desprendimiento no es uniforme, producir fuerzas laterales.
El chorro se vuelve progresivamente más infraexpandido al ganar altura. Casi todos los motores de cohete estarán muy sobreexpandidos durante el inicio en una atmósfera.

Para mantener esta igualdad de presiones, el diámetro de la tobera debería aumentar con la altitud. Sin embargo, esto es difícil de lograr en un cohete ligero. Por eso, se usan diseños de toberas que intentan adaptarse a los cambios de presión del aire.

Cuando un cohete funciona en el vacío (sin atmósfera), surgen otros desafíos. Uno es el gran peso de la tobera, ya que hacerla más grande para mejorar el rendimiento puede añadir demasiado peso. Además, a medida que los gases se enfrían al expandirse, algunos químicos pueden congelarse, creando "nieve" en el chorro, lo que puede causar problemas.

Orientación del empuje

Los cohetes necesitan cambiar de dirección durante su vuelo. Esto se logra de varias maneras:

• Moviendo todo el motor o solo la cámara de combustión y la tobera con bisagras o sistemas especiales.
• Usando varios motores que se ajustan para dirigir el cohete.
• Colocando pequeñas aletas en el chorro de escape que lo desvían.
• Usando pequeños motores adicionales llamados propulsores vernier para el control.

Rendimiento general de los motores de cohete

La tecnología de los cohetes permite combinar un empuje muy alto, velocidades de escape muy elevadas y una gran relación empuje/peso. Además, pueden funcionar fuera de la atmósfera y usar tanques de combustible ligeros.

Impulso específico

El impulso específico es la medida más importante de la eficiencia de un motor de cohete. Indica cuánto impulso se obtiene por cada unidad de combustible. Un motor con un alto impulso específico es muy deseable.

El impulso específico depende principalmente de la mezcla de combustibles, pero también de las presiones en la cámara y el diseño de la tobera.

Rendimientos típicos de combustibles comunes

Nota: todos los rendimientos con una relación de expansión de toberas de 40

Empuje neto

El empuje neto de un motor de cohete es la fuerza total que lo impulsa. A diferencia de los motores de avión, los cohetes no tienen una entrada de aire, por lo que no hay resistencia del aire que restar al empuje. El empuje neto de un cohete mejora ligeramente a medida que aumenta la altitud, porque la presión del aire disminuye.

Regulación de la potencia

La potencia de un motor de cohete se controla ajustando la cantidad de combustible que se quema por segundo. En los cohetes líquidos e híbridos, esto se hace con válvulas que controlan el flujo de combustible. En los cohetes sólidos, la forma del combustible sólido determina cómo se quema, por lo que su potencia se establece antes del lanzamiento.

La mayoría de los cohetes pueden ajustar su potencia en un rango limitado. La principal dificultad es mantener la combustión estable.

Eficiencia energética

La eficiencia energética de un motor de cohete tiene dos partes: la conversión de la energía térmica de los gases en energía de movimiento en el chorro, y la transferencia de esa energía de movimiento al vehículo.

Las toberas de los cohetes son muy eficientes para crear un chorro de alta velocidad. Pueden alcanzar más del 60% de eficiencia con combustibles químicos. Sin embargo, en los motores de combustible líquido, hay que considerar la energía necesaria para bombear los combustibles.

La eficiencia total es más baja, ya que la máxima eficiencia se logra cuando la velocidad del vehículo es igual a la velocidad de escape de los gases.

Relación empuje-peso

Los motores de cohete tienen la mayor relación empuje-peso de todos los motores. Esto significa que son muy potentes en comparación con lo que pesan. Esto se debe a que las partes del motor que soportan la presión (bombas, tuberías, cámaras de combustión) son relativamente pequeñas y ligeras.

Especificaciones

	RL-10	HM7B	Vinci	KVD-1	CE-7.5	CE-20	YF-75	YF-75D	RD-0146	ES-702	ES-1001	LE-5	LE-5A	LE-5B
País de origen	Estados Unidos	Francia	Francia	Unión Soviética	India	India	China China	China China	Rusia Rusia	Japón Japón	Japón Japón	Japón Japón	Japón Japón	Japón Japón
Ciclo	Ciclo expansor (cohete)	Ciclo con generador de gas (cohete)	Ciclo expansor (cohete)	Combustión escalonada	Combustión escalonada	Ciclo con generador de gas (cohete)	Ciclo con generador de gas (cohete)	Ciclo expansor (cohete)	Ciclo expansor (cohete)	Ciclo con generador de gas (cohete)	Ciclo con generador de gas (cohete)	Ciclo con generador de gas (cohete)	Ciclo expansor con purga (o ciclo expansor abierto) （Expansor de boquillas）	Ciclo expansor con purga (o ciclo expansor abierto) （Expansor de cámara）
Empuje (vac.)	66,7 kN (15 000 lbf)	62,7 kN	180 kN	69.6 kN	73 kN	200 kN	78,45 kN	88,26 kN	98,1 kN (22.054 lbf)	68,6kN (7,0 tf)	98kN (10,0 tf)	102,9kN (10.5 tf)	r121,5kN (12,4 tf)	137,2kN (14 tf)
Relación de mezcla							5,2	6,0		5,2	6,0	5,5	5	5
Ratio de boquilla	40					100	80	80		40	40	140	130	110
Isp (vac.)	433	444,2	465	462	454	443	438	442	463	425	425	450	452	447
Presión de la cámara:MPa	2,35	3,5	6,1	5,6	5,8	6,0	3,68		7,74	2,45	3,51	3.65	3,98	3,58
LH2 TP rpm									125.000	41.000	46.310	50.000	51.000	52.000
LOX TP rpm										16.680	21.080	16.000	17.000	18.000
Longitud m	1,73	1,8	2,2~4,2	2,14	2,14		2,8		2,2			2,68	2,69	2,79
Peso seco en kg	135	165	280	282	435	558	550		242	255.8	259.4	255	248	285

Los empujes de los cohetes son en el vacío a menos que se indique lo contrario

El hidrógeno líquido, aunque es un excelente combustible, es muy poco denso. Esto hace que las bombas y tuberías sean más grandes y pesadas, lo que afecta la relación empuje-peso de los motores que lo usan.

Refrigeración de los motores de cohete

Los motores de cohete funcionan a temperaturas extremadamente altas, que pueden llegar a los 3227 °C. Esto es porque, para ser eficientes, necesitan quemar el combustible a la mayor temperatura posible.

A diferencia de los motores de avión, los cohetes no usan aire, que contiene nitrógeno que ayuda a enfriar la combustión. Por eso, las temperaturas en los cohetes son mucho más altas que el punto de fusión de los materiales con los que están hechos.

Es crucial evitar que los materiales de la cámara de combustión y la tobera se quemen, derritan o evaporen. Si esto ocurre, el motor puede fallar. La tecnología de los materiales es un factor clave que limita la temperatura máxima que pueden alcanzar los cohetes químicos.

Para proteger los materiales, los cohetes usan sistemas de refrigeración. Algunos métodos incluyen:

• Refrigeración regenerativa: El propio combustible líquido pasa por tubos alrededor de la cámara de combustión o la tobera antes de ser inyectado, enfriando las paredes.
• Paredes ablativas: Las paredes están cubiertas con un material que se evapora lentamente, llevándose el calor.
• Refrigeración por radiación: La cámara se calienta tanto que irradia el calor hacia afuera.
• Refrigeración por cortina o película: Se inyecta combustible de manera que se forma una capa protectora de gas o líquido en las paredes, manteniéndolas más frías.

Estos métodos aseguran que una capa delgada de fluido aislante, llamada capa límite, mantenga las paredes a una temperatura segura. Si esta capa se rompe, la pared puede dañarse rápidamente.

Vibraciones e inestabilidades

Dentro de un motor de cohete, hay vibraciones y ruidos muy fuertes. A veces, la combustión puede volverse inestable, causando cambios repentinos o periódicos en la presión.

Inestabilidades de la combustión

La presión en la cámara puede subir y bajar de forma cíclica, lo que puede dañar el motor. Esto puede ser causado por restos de limpieza, ondas de choque o problemas al encender el motor. Los motores bien diseñados amortiguan estas oscilaciones rápidamente. A veces se usan supresores de oscilación para controlarlas.

Existen tres tipos principales de inestabilidades:

• Chugging: Es una oscilación lenta de la presión en la cámara, causada por cambios en la presión de las tuberías de combustible. Puede ser molesta o dañar el vehículo.
• Zumbido: Puede ocurrir si la presión en los inyectores no es suficiente. Generalmente es molesto, pero en casos extremos, la combustión puede retroceder por los inyectores y causar explosiones.
• Screeching: Es la más dañina y difícil de controlar. Se debe a ondas de sonido dentro de la cámara de combustión que se amplifican, lo que puede destruir el motor. Es muy difícil de predecir y a menudo requiere pruebas costosas y cambios en el diseño de los inyectores o en la química del combustible.

Ruido del escape

El escape de un cohete es extremadamente ruidoso. Cuando el chorro de gas, que viaja a velocidades hipersónicas (mucho más rápido que el sonido), se mezcla con el aire, se forman ondas de choque. Por ejemplo, el transbordador espacial generaba más de 200 decibelios de ruido.

El ruido es más intenso cerca del suelo porque se refleja en el suelo y porque el cohete se mueve lentamente, lo que hace que gran parte de la energía se disipe en forma de ruido. Para reducir este ruido y proteger la estructura de lanzamiento, se usa una gran cantidad de agua durante el despegue. El agua cambia las propiedades acústicas del aire y desvía la energía del sonido.

Química de los propergoles

Los combustibles de los cohetes necesitan tener mucha energía por unidad de masa. Esto es porque toda la energía de la reacción se convierte idealmente en energía de movimiento de los gases de escape, y la velocidad de escape es clave para el rendimiento del motor.

Además de la energía, es importante que los productos de la reacción tengan un peso molecular bajo. Esto permite que, para una misma cantidad de energía, haya más moléculas de menor masa, lo que resulta en una mayor velocidad de escape a una temperatura dada. Por eso, se prefieren elementos con baja masa atómica, como el hidrógeno. El hidrógeno líquido y el oxígeno líquido son los combustibles más efectivos en términos de velocidad de escape usados hasta ahora.

Es importante recordar que al calcular la energía de la reacción, se debe incluir la masa total de todos los combustibles, tanto el combustible como el oxidante.

Encendido del motor

En los cohetes líquidos e híbridos, es fundamental que el combustible se encienda de inmediato al entrar en la cámara de combustión. Si no se enciende en milisegundos, se acumula demasiado combustible líquido, y cuando finalmente se enciende, la explosión puede ser tan fuerte que destruya la cámara. Esto se conoce como un "arranque brusco".

El encendido se puede lograr de varias maneras: con una carga pirotécnica (como un pequeño explosivo), una antorcha de plasma o descargas eléctricas. Algunas combinaciones de combustibles se encienden al simple contacto (son "hipergólicos"), lo que elimina la necesidad de un sistema de encendido.

Una vez encendidos, los motores de cohete se mantienen funcionando por sí solos. No necesitan más encendedores.

El penacho de escape

Vehículo aeroespacial Armadillo quad muestra bandas visibles (diamantes de choque) en el penacho de escape

La forma del penacho (la "cola" de gases que sale del cohete) cambia según el diseño del motor, la altitud, el empuje y otros factores.

Los escapes de cohetes que queman queroseno suelen ser de color naranja debido a las partículas sin quemar. Los cohetes que usan peróxido de hidrógeno tienen penachos casi invisibles a simple vista, pero brillan intensamente en la luz ultravioleta e infrarroja. Los cohetes sólidos pueden tener penachos muy visibles si el combustible contiene metales como el aluminio, que arden con una llama blanco-naranja.

Algunos escapes, especialmente los que usan alcohol, pueden mostrar "diamantes de choque" visibles. Son variaciones cíclicas de la presión en el penacho que forman ondas de choque.

Pruebas de motores de cohete

Prueba del motor B-1 del transbordador espacial

Los motores de cohete se prueban en instalaciones especiales antes de ser usados. Para los motores de gran altitud, se usan toberas más cortas o se prueban en grandes cámaras de vacío para simular las condiciones del espacio.

Fiabilidad

Los motores de cohete tienen fama de ser poco fiables y peligrosos, especialmente por sus fallos catastróficos. Sin embargo, los cohetes bien diseñados pueden ser muy fiables. En las misiones espaciales, se busca el menor peso posible, y es difícil lograr alta fiabilidad y bajo peso al mismo tiempo. Además, como no hay muchos lanzamientos, es difícil detectar todos los errores de diseño o fabricación.

Historia de los motores de cohete

Eolípila

La idea de la propulsión a chorro es muy antigua. Alrededor del año 400 a.C., un griego llamado Arquitas supuestamente impulsó un pájaro de madera con vapor de agua. La "Eolípila", descrita en el siglo I d.C., era esencialmente un cohete de vapor.

El desarrollo de los motores de cohete de combustible sólido comenzó en el siglo IX, cuando los alquimistas chinos descubrieron la pólvora negra. Esto llevó a las primeras "flechas de fuego", que fueron los primeros cohetes en despegar del suelo.

Los cohetes también fueron usados en la guerra por el sultán Fateh Ali Tipu en la India. Estos cohetes de hierro con pólvora podían recorrer grandes distancias y se usaron contra el imperio británico.

El desarrollo de la tecnología de cohetes fue lento hasta finales del siglo XIX, cuando Konstantin Tsiolkovsky habló por primera vez de los motores de cohete de combustible líquido. Robert Goddard hizo realidad estos motores y fue el primero en usar una tobera especial (tobera Laval) en un cohete, lo que duplicó el empuje.

Durante la década de 1930, científicos alemanes como Wernher von Braun investigaron el uso de motores de cohete líquidos en aviones militares. La turbobomba, un componente clave, fue usada por primera vez por científicos alemanes en la Segunda Guerra Mundial.

La combustión escalonada, una forma más eficiente de quemar el combustible, fue propuesta por Alexey Isaev en 1949 en la Unión Soviética. Los primeros motores de hidrógeno líquido exitosos fueron desarrollados en Estados Unidos en 1962. El motor del transbordador espacial (SSME) es uno de los motores con mayor impulso específico en vuelo.

Ventajas de los motores de cohete

• Son los motores más potentes en relación con su peso.
• No tienen muchas partes móviles, lo que los hace muy resistentes.
• No necesitan lubricación ni enfriamiento constante.
• Son muy fiables en cuanto a fallos mecánicos.
• Su reacción es instantánea.
• No pierden potencia con el uso.
• No necesitan oxígeno del aire, por lo que son perfectos para el espacio.
• Son los motores más sencillos en su funcionamiento básico.

Desventajas de los motores de cohete

• Consumen una gran cantidad de combustible.
• Producen mucho ruido, ya que el gas de escape viaja a velocidades supersónicas.
• En los motores de combustible sólido, una vez que la reacción comienza, no se puede detener en la mayoría de los casos.

Galería de imágenes

• 

  Prueba del RS-68 en el Centro Espacial Stennis de la NASA. Se trata de un motor cohete que funciona con hidrógeno y oxígeno líquidos.