Cómo funcionan los cohetes: sistemas de propulsión y tecnología de lanzamiento explicados

Cada lanzamiento orbital, desde un Falcon 9 que levanta una tripulación hasta vuelos de prueba de Starship, se basa en la misma física básica descrita por primera vez por Isaac Newton: para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Un motor cohete quema propelente y expulsa el gas caliente resultante por una tobera a alta velocidad; el gas empuja el cohete en la dirección opuesta. Según el Centro de Investigación Glenn de la NASA, este par acción-reacción existe entre el cohete y su propio escape, razón por la cual los cohetes funcionan en el vacío del espacio y no necesitan aire ni ningún otro medio para empujar.

La física: empuje e impulso específico

Los ingenieros describen el desempeño de un motor con dos números: empuje e impulso específico. El empuje es la fuerza producida, impulsada principalmente por cuánta masa fluye de la tobera y cuán rápido sale. El impulso específico (Isp), medido en segundos, describe qué tan eficientemente un motor convierte el propelente en empuje — NASA Glenn lo define como el empuje dividido por la tasa de flujo de peso del propelente, por lo que un motor con un Isp más alto produce más empuje de la misma cantidad de propelente, o necesita menos propelente para el mismo empuje.

Esa cifra única permite a los ingenieros dimensionar un motor y comparar sistemas de propulsión muy diferentes en igualdad de condiciones, razón por la cual el Isp aparece constantemente en las hojas de especificaciones de cohetes.

Propulsión química: líquida, sólida e híbrida

Casi todos los vehículos que salen de la superficie terrestre utilizan propulsión química, donde un combustible y un oxidante reaccionan para producir gas caliente y en expansión. Hay tres configuraciones principales. Los motores de propelente líquido almacenan combustible y oxidante por separado y los bombean a una cámara de combustión, lo que permite que el motor sea modulado, apagado y reiniciado — una flexibilidad utilizada tanto por proveedores de lanzamiento gubernamentales como comerciales. Los motores de propelente sólido mezclan combustible y oxidante en un único grano sólido empacado en la carcasa del cohete; son estructuralmente simples y económicos pero, una vez encendidos, arden hasta que el propelente se agota. Los sistemas híbridos combinan un combustible sólido con un oxidante líquido o gaseoso, situándose entre los dos enfoques.

El motor Raptor de SpaceX, utilizado en los vehículos Starship y Super Heavy, ilustra un enfoque más nuevo dentro de la propulsión líquida: un diseño de 'combustión de etapas flujo total' en el que todo el combustible y todo el oxidante pasan por dos precámaras separadas antes de llegar a la cámara de combustión principal, según el medio aeroespacial Everyday Astronaut. Raptor quema metano líquido con oxígeno líquido — una combinación que SpaceX eligió en parte porque el metano se quema sin dejar depósitos de hollín que complican la reutilización de motores alimentados con queroseno, y en parte porque el metano puede, en principio, fabricarse en Marte a partir de recursos locales. El medio informa que Raptor produce aproximadamente 2 meganewtons de empuje con un impulso específico de vacío de alrededor de 330 a 350 segundos.

Por qué los vehículos de lanzamiento se construyen en etapas

Alcanzar órbita desde la superficie terrestre requiere alcanzar una altitud superior a aproximadamente 150 kilómetros mientras se viaja a más de 7,9 kilómetros por segundo, según la guía de lanzadores de la Agencia Espacial Europea. Un único diseño de motor rara vez lo hace de manera eficiente durante todo el vuelo, por lo que la mayoría de los cohetes orbitales se dividen en etapas que se descartan una vez que se agota su propelente, desprendiendo peso muerto para que las etapas restantes aceleren el vehículo más ligero con mayor facilidad.

La descripción de la ESA de un vuelo típico de clase Ariane muestra cómo funciona esto en la práctica: los propulsores y la etapa principal se disparan juntos durante los primeros aproximadamente dos minutos de ascenso vertical, la etapa principal continúa ardiendo durante aproximadamente doce minutos mientras los propulsores ya se han separado y caído al mar cerca de 60 kilómetros de altitud, y una etapa superior luego se dispara por un período final, alcanzando la velocidad máxima de la misión de alrededor de 8 kilómetros por segundo antes de liberar su carga útil. Después de completar su trabajo, una etapa superior agotada se suele trasladar a un 'órbita de cementerio' para que no se convierta en un peligro de colisión para los satélites activos.

Más allá del lanzamiento: propulsión eléctrica e iónica

Una vez que una nave espacial ya está en órbita o en el espacio profundo, la propulsión química no siempre es la opción más eficiente para viajes largos. Muchas sondas utilizan propulsión eléctrica, que ioniza un propelente — generalmente el gas xenón — y acelera las partículas cargadas resultantes de la tobera utilizando campos eléctricos alimentados por paneles solares. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA describe el empuje de estos sistemas como extremadamente suave: en el caso de la misión de asteroide Psyche, la presión producida por sus propulsores de iones es comparable a sostener tres monedas en la mano, incluso a toda potencia.

Ese empuje minúsculo no es suficiente para levantar nada de la Tierra, pero en el entorno sin fricción del espacio puede aplicarse continuamente durante meses, acumulando gradualmente velocidad. JPL informa que los propulsores solareléctricos de Psyche ya han impulsado la nave a aproximadamente 135.000 kilómetros por hora y eventualmente la llevarán a alrededor de 200.000 km/h — ilustrando por qué la propulsión iónica se reserva para el crucero en el espacio en lugar de para el lanzamiento, donde el empuje mucho mayor de los motores químicos es necesario para superar la gravedad y la resistencia atmosférica en cuestión de minutos.