Cómo Funcionan los Cohetes: Empuje, Sistemas de Propulsión y Mecánica Orbital Explicados

Cada vez que un cohete despega — ya sea un Falcon 9 tripulado, un lanzador europeo Ariane o un pequeño impulsador de satélites de observación terrestre — está aplicando los mismos principios de física que los ingenieros han utilizado desde principios del siglo XX. El interés público en estos lanzamientos se mantiene alto durante todo el año, sin embargo, la mecánica subyacente del empuje, propulsión y órbita a menudo se pasa por alto. Agencias como la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) publican explicaciones detalladas de cómo funcionan realmente los cohetes; este artículo se basa en ese material.

Produciendo empuje: la tercera ley de Newton en acción

De acuerdo con el Centro de Investigación Glenn de la NASA, un motor de cohete quema combustible almacenado junto con un oxidante almacenado dentro de una cámara de combustión, produciendo gas de escape caliente y de alta presión. Ese gas luego se fuerza a través de una tobera, que lo acelera aún más antes de que salga del vehículo. La NASA afirma claramente que "el empuje se produce de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton": el gas es empujado de una manera fuera de la tobera, y el cohete es empujado en la dirección opuesta con una fuerza igual. La ESA describe el mismo mecanismo para lectores más jóvenes utilizando una analogía con globos — el aire que sale del cuello de un globo en una dirección empuja el globo en la otra dirección.

La ecuación de empuje de la NASA lo expresa numéricamente como F = ṁVe + Ae(pe − p0), donde ṁ es la tasa de flujo de masa del escape a través del motor, Ve es la velocidad de salida del escape, Ae es el área de salida de la tobera, pe es la presión en la salida de la tobera, y p0 es la presión circundante (de flujo libre). En la práctica, la cantidad de empuje que produce un cohete depende principalmente de cuánta masa de escape sale por segundo y de qué tan rápido se mueve ese escape cuando sale de la tobera.

Por qué los cohetes funcionan en el vacío del espacio

Los motores a reacción y las hélices dependen de aspirar aire circundante, lo que significa que no pueden funcionar una vez que un vehículo sale de la atmósfera. Los cohetes evitan esta limitación porque, como señala la NASA, llevan su propio oxidante a bordo en lugar de depender del oxígeno atmosférico. Como no hay aire exterior involucrado en la reacción en absoluto, la ecuación de empuje no tiene un término de "entrada de aire de flujo libre" — lo que es también por qué, como dice la NASA, un cohete puede generar empuje en un vacío donde no hay otra fuente de oxígeno.

Impulso específico: midiendo la eficiencia de un motor

Los ingenieros comparan motores de cohetes utilizando una cifra llamada impulso específico, o Isp. El Centro de Investigación Glenn de la NASA lo define como empuje dividido por la tasa de flujo de peso del propelente consumido, expresado a través de la fórmula Isp = F/(ṁ·g0), donde g0 es la aceleración gravitatoria estándar (9,8 m/s², o 32,2 ft/s²). La NASA explica que un motor con un impulso específico más alto es más eficiente porque produce más empuje por la misma cantidad de propelente quemado — haciendo que Isp sea el equivalente de economía de combustible para la propulsión de cohetes.

Cohetes multietapa: eliminando peso muerto

La mayoría de los vehículos de lanzamiento se construyen en dos o tres etapas. La ESA explica que una vez que una etapa ha agotado todo su propelente, se separa y se descarta, porque transportar un tanque vacío y equipos de motor gastados más lejos desperdiciaría combustible necesario para acelerar el resto del vehículo. Los grandes lanzadores también adjuntan cohetes impulsores de combustible sólido o líquido a la primera etapa para obtener empuje adicional en el despegue; estos impulsores también se desechan una vez gastados. La ESA señala que los vehículos espaciales necesitan alcanzar aproximadamente 28.000 km/h para entrar en órbita, una velocidad que la etapificación ayuda a lograr al aligerar continuamente el vehículo mientras asciende.

Propulsión química vs. eléctrica

No todos los sistemas de propulsión están diseñados para lanzar un vehículo del suelo. Los motores químicos — quemando un combustible y oxidante juntos, como se describe anteriormente — siguen siendo la única forma práctica de sacar un cohete de la atmósfera terrestre. Sin embargo, para maniobrar una vez ya en el espacio, las agencias utilizan cada vez más propulsión eléctrica. La NASA describe sistemas que utilizan electricidad, generada por matrices solares o un reactor nuclear, para ionizar un gas como xenón o criptón y acelerar los iones resultantes fuera de un propulsor utilizando campos eléctricos y magnéticos.

La misión Dawn de la NASA ilustra el equilibrio: utilizó propulsión eléctrica para pasar aproximadamente cinco años llegando al cinturón de asteroides antes de maniobrar entre los cuerpos Vesta y Ceres — una aceleración lenta y constante imposible de lograr con las quemas breves y poderosas de los motores químicos, pero eficiente en misiones largas. La ESA hace el mismo punto sobre su sonda lunar SMART-1 y la misión en curso BepiColombo a Mercurio, ambas que dependen de motores iónicos que, en palabras de la ESA, "pueden seguir empujando suavemente durante meses o incluso años" usando solo un pequeño suministro de propelente y unos pocos kilovatios de energía de paneles solares.

Alcanzar y mantenerse en órbita

Llegar al espacio y quedarse allí son dos problemas diferentes. La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los EE.UU. (NOAA) explica que un satélite permanece en órbita cuando su impulso hacia adelante está en equilibrio con la atracción gravitatoria de la Tierra: la gravedad sigue doblando el camino del satélite hacia la Tierra, mientras que su velocidad lateral sigue llevándolo hacia adelante, por lo que los dos efectos se combinan en una trayectoria circular o elíptica en lugar de una caída recta. Si un satélite se mueve demasiado lentamente para su altitud, la gravedad domina y desciende; si se mueve demasiado rápido, se sale de esa trayectoria equilibrada en lugar de mantener su órbita.

La velocidad necesaria para ese equilibrio cambia con la altitud. La NOAA da el ejemplo de su satélite NOAA-20, que orbita a unos cientos de millas de altura a aproximadamente 17.000 mph, en comparación con su satélite GOES-East, que orbita aproximadamente 22.000 millas de altura a solo aproximadamente 6.700 mph — ilustrando que cuanto más lejos está un satélite de la Tierra, más débil es la atracción de la gravedad y menor es la velocidad requerida para permanecer en órbita. El catálogo del Observatorio Terrestre de la NASA proporciona cifras concretas para clases de órbita comunes: su satélite Aqua tarda aproximadamente 99 minutos en orbitar la Tierra desde aproximadamente 705 kilómetros de altura (órbita terrestre baja); los satélites GPS vuelan en una órbita terrestre media semi-síncrona aproximadamente 20.200 kilómetros por encima de la superficie con un período de 12 horas; y los satélites geoestacionarios se encuentran aproximadamente 36.000 kilómetros arriba, completando una órbita cada 23 horas, 56 minutos y 4 segundos para que parezcan fijos sobre un punto de la Tierra.