Cómo funcionan los cohetes: tecnología de motores y mecánica del lanzamiento espacial explicadas

Cada lanzamiento orbital, desde el vehículo de carga pesada de una agencia espacial gubernamental hasta un viaje comercial de satélites, se basa en la misma física básica descrita hace más de un siglo. Entender cómo un motor de cohete produce empuje, por qué los vehículos de lanzamiento se dividen en etapas y qué separa alcanzar la órbita de escapar completamente de la Tierra ayuda a explicar por qué la cohetería sigue siendo uno de los problemas más difíciles de la ingeniería.

La física detrás de cada lanzamiento

Según el Centro de Investigación Glenn de la NASA, el empuje del cohete se produce de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton: el motor acelera el gas de escape en una dirección, y una fuerza igual y opuesta empuja el cohete en la otra dirección. El combustible y un oxidante se mezclan e encienden en una cámara de combustión, produciendo gas caliente y de alta presión que se fuerza a través de una boquilla para acelerar el flujo.

El Centro de Investigación Glenn de la NASA afirma que el empuje resultante depende de tres factores: la tasa de flujo másico del escape, su velocidad de salida y la presión en la salida de la boquilla, expresado como F = ṁVe + Ae(pe − p0). El punto más estrecho de la boquilla, llamado garganta, es donde el escape alcanza la velocidad del sonido, lo que fija la tasa de flujo másico; la relación entre la garganta y la salida determina entonces la velocidad de salida y la presión.

La misma fuente de la NASA señala la razón clave por la que los cohetes funcionan donde los motores de reacción no pueden: los motores de turbina y las hélices dependen del aire atmosférico como su fluido de trabajo, mientras que un cohete lleva su propio oxidante y, por lo tanto, puede generar empuje en el vacío del espacio.

Motores de combustible líquido y sólido

El Centro de Investigación Glenn de la NASA describe dos familias de motores principales. En un motor de cohete de combustible líquido, el combustible y el oxidante se almacenan por separado como líquidos y se bombean a la cámara de combustión, lo que permite que la quema se pueda regular, detener y a veces reiniciar. En un cohete sólido, los propelentes ya están mezclados y embalados en un cilindro sólido; una vez encendido, un motor sólido no se puede apagar sin destruir la carcasa.

El museo del Aire y el Espacio Nacional de la Institución Smithsoniana explica 'How Things Fly' que el combustible sólido a menudo se favorece para el disparo más temprano de un cohete porque se quema de manera estable y es mecánicamente simple y estable, mientras que el combustible líquido ofrece un empuje que se puede ajustar y controlar durante el vuelo, lo que es más adecuado para las etapas más recientes y precisamente gestionadas del vuelo.

Por qué los cohetes se construyen en etapas

La relación entre la capacidad de velocidad de un cohete y su masa se rige por la ecuación del cohete de Tsiolkovsky, publicada por primera vez en 1903. Como resume The Planetary Society, el cambio total de velocidad (delta-v) que un cohete puede lograr es igual a su velocidad de escape multiplicada por el logaritmo natural de su relación de masa — la masa inicial cargada de combustible dividida por la masa final quemada.

Debido a que esa relación es logarítmica, The Planetary Society señala que una vez que la relación de velocidad deseada supera aproximadamente tres o cuatro, la cantidad de masa adicional necesaria aumenta bruscamente para cada incremento adicional de velocidad. El propelente adicional debe ser acelerado por sí mismo, por lo que los ganancias en velocidad se vuelven desproporcionadamente caros en masa.

La etapificación resuelve parte de ese problema. Según el explicador de la Smithsoniana, una vez que una etapa ha quemado su combustible, su estructura y motor ya no proporcionan empuje útil y en su lugar se convierten en peso extra que ralentiza el cohete, por lo que los vehículos de lanzamiento descartan cada etapa gastada para aligerar el cohete restante antes de que el siguiente motor se encienda.

Órbita versus escapar completamente de la Tierra

Alcanzar la órbita no es lo mismo que escapar completamente de la gravedad de la Tierra. El servicio de noticias del Georgia Tech da la velocidad de escape de la Tierra — la velocidad mínima necesaria para alejarse del planeta permanentemente sin propulsión adicional — como 25.020 mph, o aproximadamente 40.000 kilómetros por hora.

Los satélites y las naves espaciales tripuladas en órbita baja de la Tierra viajan mucho más lentamente que esa cifra. Georgia Tech explica que los objetos en órbita se lanzan con impulso lateral, por lo que mientras la gravedad los tira continuamente hacia la Tierra, su movimiento hacia adelante los lleva más allá del planeta en lugar de hacia él, permitiéndoles caer continuamente alrededor de la Tierra en lugar de hacia ella. Por eso, la fuente señala, miles de satélites orbitan con éxito a velocidades muy por debajo de la velocidad de escape completa.

Reutilización: el ejemplo del Falcon 9

Los vehículos de lanzamiento modernos apuntan cada vez más a recuperar y reutilizar el hardware en lugar de descartarlo. Según la entrada de Wikipedia sobre el Falcon 9, operado por SpaceX, la primera etapa del vehículo está impulsada por nueve motores Merlin 1D que queman oxígeno líquido y queroseno RP-1, organizados en una configuración que la empresa llama el Octaweb.

La misma fuente afirma que después de separarse de la etapa superior, la primera etapa utiliza aletas de rejilla que se despliegan después de la separación para el control aerodinámico, junto con cuatro patas de aterrizaje extensibles, para aterrizar en tierra o en un barco de drones autónomo en el mar. A partir del 13 de octubre de 2026, según la entrada, los impulsores individuales del Falcon 9 habían volado cada uno hasta 37 veces.