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Cómo funcionan los cohetes

Cómo funcionan los cohetes

Los cohetes propulsores sólidos incluyen todos los cohetes de fuegos artificiales más antiguos, sin embargo, ahora hay combustibles, diseños y funciones más avanzados con propulsores sólidos.

Los cohetes propulsores sólidos se inventaron antes que los cohetes de combustible líquido. El tipo de propulsor sólido comenzó con contribuciones de los científicos Zasiadko, Constantinov y Congreve. Ahora en un estado avanzado, los cohetes propulsores sólidos siguen siendo de uso generalizado hoy en día, incluidos los motores de refuerzo doble del transbordador espacial y las etapas de refuerzo de la serie Delta.

Cómo funciona un propulsor sólido

El área de superficie es la cantidad de propulsor expuesto a las llamas de combustión interior, que existe en una relación directa con el empuje. Un aumento en el área de superficie aumentará el empuje pero reducirá el tiempo de combustión ya que el propulsor se consume a una velocidad acelerada. El empuje óptimo suele ser constante, lo que se puede lograr manteniendo un área de superficie constante durante toda la quemadura.

Los ejemplos de diseños de grano de área de superficie constante incluyen: quemado final, quemado de núcleo interno y núcleo externo, y quemado interno de núcleo en estrella.

Se utilizan varias formas para la optimización de las relaciones de empuje de grano, ya que algunos cohetes pueden requerir un componente de empuje inicialmente alto para el despegue, mientras que un empuje más bajo será suficiente para sus requisitos de empuje regresivo posteriores al lanzamiento. Los patrones de núcleo de grano complicados, al controlar el área de superficie expuesta del combustible del cohete, a menudo tienen partes recubiertas con un plástico no inflamable (como el acetato de celulosa). Esta capa evita que las llamas de combustión interna enciendan esa porción de combustible, que se enciende solo más tarde cuando la quemadura alcanza el combustible directamente.

Impulso específico

Al diseñar el propulsor del cohete, se debe tener en cuenta el impulso específico del grano, ya que puede ser la falla de la diferencia (explosión) y un cohete que produce un empuje optimizado con éxito.

Cohetes modernos de combustible sólido

Ventajas desventajas

  • Una vez que se enciende un cohete sólido, consumirá la totalidad de su combustible, sin ninguna opción de apagado o ajuste de empuje. El cohete lunar Saturno V utilizó casi 8 millones de libras de empuje que no hubieran sido posibles con el uso de un propulsor sólido, lo que requiere un propulsor líquido de alto impulso específico.
  • El peligro involucrado en los combustibles premezclados de cohetes monopropelentes, es decir, a veces la nitroglicerina es un ingrediente.

Una ventaja es la facilidad de almacenamiento de cohetes propulsores sólidos. Algunos de estos cohetes son pequeños misiles como Honest John y Nike Hercules; otros son misiles balísticos grandes como Polaris, Sergeant y Vanguard. Los propulsores líquidos pueden ofrecer un mejor rendimiento, pero las dificultades en el almacenamiento de propulsores y el manejo de líquidos cerca del cero absoluto (0 grados Kelvin) ha limitado su uso al no poder cumplir con las estrictas demandas que los militares requieren de su potencia de fuego.

Tsiolkozski teorizó por primera vez los cohetes alimentados con líquido en su "Investigación del espacio interplanetario por medio de dispositivos reactivos", publicada en 1896. Su idea se hizo realidad 27 años después cuando Robert Goddard lanzó el primer cohete alimentado por líquido.

Los cohetes de combustible líquido impulsaron a los rusos y estadounidenses a la profundidad de la era espacial con los poderosos cohetes Energiya SL-17 y Saturno V. Las altas capacidades de empuje de estos cohetes permitieron nuestros primeros viajes al espacio. El "paso gigante para la humanidad" que tuvo lugar el 21 de julio de 1969, cuando Armstrong pisó la luna, fue posible gracias a los 8 millones de libras de empuje del cohete Saturno V.

Cómo funciona un propelente líquido

Dos tanques de metal contienen el combustible y el oxidante respectivamente. Debido a las propiedades de estos dos líquidos, generalmente se cargan en sus tanques justo antes del lanzamiento. Los tanques separados son necesarios, ya que muchos combustibles líquidos se queman al contacto. Tras una secuencia de lanzamiento establecida, se abren dos válvulas, lo que permite que el líquido fluya por la tubería. Si estas válvulas simplemente se abren permitiendo que los propulsores líquidos fluyan hacia la cámara de combustión, se produciría una tasa de empuje débil e inestable, por lo que se usa una alimentación de gas a presión o una alimentación de turbobomba.

El más simple de los dos, la alimentación de gas a presión, agrega un tanque de gas a alta presión al sistema de propulsión. El gas, un gas no reactivo, inerte y ligero (como el helio), es retenido y regulado, bajo presión intensa, por una válvula / regulador.

La segunda solución, y a menudo preferida, para el problema de transferencia de combustible es una turbobomba. Una turbobomba es lo mismo que una bomba normal en funcionamiento y evita un sistema presurizado por gas al aspirar los propulsores y acelerarlos hacia la cámara de combustión.

El oxidante y el combustible se mezclan y se encienden dentro de la cámara de combustión y se crea el empuje.

Oxidantes y combustibles

Ventajas desventajas

Desafortunadamente, el último punto hace que los cohetes propulsores líquidos sean complejos y complejos. Un verdadero motor bipropelente líquido moderno tiene miles de conexiones de tuberías que transportan diversos líquidos de refrigeración, combustible o lubricantes. Además, las diversas subpartes, como la turbobomba o el regulador, consisten en vértigo separado de tuberías, cables, válvulas de control, medidores de temperatura y puntales de soporte. Dadas las muchas partes, la posibilidad de que falle una función integral es grande.

Como se señaló anteriormente, el oxígeno líquido es el oxidante más utilizado, pero también tiene sus inconvenientes. Para lograr el estado líquido de este elemento, se debe obtener una temperatura de -183 grados Celsius, condiciones en las que el oxígeno se evapora fácilmente, perdiendo una gran cantidad de oxidante solo durante la carga. El ácido nítrico, otro poderoso oxidante, contiene 76% de oxígeno, se encuentra en estado líquido en STP y tiene una alta gravedad específica, todas grandes ventajas. El último punto es una medida similar a la densidad y, a medida que aumenta, también lo hace el rendimiento del propulsor. Pero, el ácido nítrico es peligroso en el manejo (la mezcla con agua produce un ácido fuerte) y produce subproductos nocivos en la combustión con combustible, por lo que su uso es limitado.

Desarrollados en el siglo II a. C., por los antiguos chinos, los fuegos artificiales son la forma más antigua de cohetes y la más simplista. Originalmente, los fuegos artificiales tenían fines religiosos, pero luego se adaptaron para uso militar durante la Edad Media en forma de "flechas en llamas".

Durante los siglos X y XIII, los mongoles y los árabes trajeron al oeste el componente principal de estos primeros cohetes: la pólvora. Aunque el cañón y el arma se convirtieron en los principales desarrollos de la introducción oriental de la pólvora, también se produjeron cohetes. Estos cohetes eran esencialmente fuegos artificiales agrandados que impulsaban, más allá del arco largo o el cañón, paquetes de pólvora explosiva.

Durante las guerras imperialistas de fines del siglo XVIII, el coronel Congreve desarrolló sus famosos cohetes, que recorren distancias de cuatro millas. El "resplandor rojo de los cohetes" (himno estadounidense) registra el uso de la guerra de cohetes, en su primera forma de estrategia militar, durante la inspiradora batalla de Fort McHenry.

Cómo funcionan los fuegos artificiales

Un fusible (hilo de algodón recubierto con pólvora) está encendido por un fósforo o por un "punk" (un palo de madera con una punta roja como el carbón). Este fusible se quema rápidamente en el núcleo del cohete donde enciende las paredes de pólvora del núcleo interior. Como se mencionó anteriormente, uno de los químicos en la pólvora es el nitrato de potasio, el ingrediente más importante. La estructura molecular de este químico, KNO3, contiene tres átomos de oxígeno (O3), un átomo de nitrógeno (N) y un átomo de potasio (K). Los tres átomos de oxígeno encerrados en esta molécula proporcionan el "aire" que el fusible y el cohete utilizaron para quemar los otros dos ingredientes, carbono y azufre. Por lo tanto, el nitrato de potasio oxida la reacción química al liberar fácilmente su oxígeno. Sin embargo, esta reacción no es espontánea y debe iniciarse por calor, como el partido o el "punk".