Propulsión espacial

La propulsión es un sistema capaz de imprimir velocidad creciente o aceleración a un cuerpo, mediante un dispositivo que expele materia (denominado motor cohete). El concepto 'propulsión' puede ser usado con otros muchas palabras, tales como: chorro, de cohete o nave espacial, de esta forma se tiene 'propulsión a chorro', 'propulsión de cohetes', o 'propulsión de nave espacial' etc. La propulsión de las naves espaciales se usa para cambiar la velocidad de las naves espaciales y los satélites artificiales. Existen diferentes métodos. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, de esta forma la propulsión de las naves espaciales es un área de gran investigación. La mayoría de las naves se empujan mediante el calor de una reacción en cadena que se expele por un orificio a muy alta velocidad. Este tipo de motor se denomina motor cohete.

Todos las naves espaciales hoy en día emplean cohetes (tanto bipropelentes o de cohete de combustible sólido) para la fase de lanzamiento, algunos tienen aberturas que mezclan el aire en una cámara (tales como el Cohete pegaso y el SpaceShipOne) en sus primeras etapas.

La necesidad de sistemas de propulsión

Los satélites artificiales deben ser lanzados para ser puestos en órbita, y una vez han alcanzado su posición estacionaria en la órbita nominal, necesitan de alguna forma de control de actitud para que se puedan matener apuntando una cierta posición entre la Tierra, el Sol y posiblemente algunos objetos astronómicos de interés. No están tan sujetos a la resistencia aunque hay una enrarecida atmósfera a estas alturas, de esta forma pueden permanecer en órbita durante largos periodos de tiempo con una pequeña cantidad de propelente para la propulsión y poder hacer pequeñas correcciones. Muchos satélites necesitan,de vez en cuando, moverse de unas órbitas a otras y necesitan, para hacer esta operación, la propulsión. Cuando un satélite ha agotado su capacidad para hacer esta operación tanto de corrección como de intercambio de órbitas se dice que su vida útil se ha agotado.

Las naves espaciales han sido diseñadas para viajar a largas distancias y por esta razón necesitan de sistemas de propulsión para impulsarse. Necesitan ser lanzados desde la atmósfera de la tierra tal y como se hace con los satélites. El sistema de propulsión ya en el espacio le sirve para proporcionar autonomía y poder desplazarse. Para los viajes interplanetarios una nave espacial necesita los motores para abandonar la órbita de la tierra. Una vez que esto se ha podido realizar, se emplean los motores para lograr su destino. Las naves interplanetarias de hoy en día hacen esto con una forma de ajustes de corto plazo. Entre estos ajustes la nave espacial simplemente tiene un comportamiento de caída libre a través de su órbita.

La forma más simple y eficiente desde el punto de vista de consumo de propelente para cambiar de una órbita a otra se denomina Transferencia de Hohmann: la nave espacial empieza a con una órbita circular alrededor del sol. Durante un periodo corto de tiempo se realiza un impulso en la dirección de movimiento de la nave espacial (tangente a la trayectoria) de tal forma que acelera o desacelera la nave espacial en una órbita elíptica alrededor del sol que es tangente a la previa órbita. La nave espacial así propulsada cae libremente mediante esta órbita hasta que alcanza su destino. Existen métodos especiales, tal y como el aerofrenado que a veces se emplea como un ajuste final de la órbita.

Concepción artística del funcionamiento y disposición de una vela solar.

Algunos métodos de propulsión tales como las velas solares proporcionan un impuso muy diminuto pero constante^[1]. Un sistema de propulsión de estas caracteríticas es capaz de viajar largas distancias interplanetarias con un propelante casi "inagotable", siguiendo una trayectoria diferente a la definida por la transferencia orbital de Hohmann ya que es permanentemente empujado radialmente hacia el exterior del sistema solar desde el Sol como centro.

Las naves espaciales que realizan viajes interestelares necesitan también de métodos de propulsión a chorros. En la actualidad no se ha construido una nave de estas características, pero muchos diseños forman parte de una discusión actual. Como las distancias interestelares son muy grandes, se necesita de una gran velocidad para recorrerlas en un intervalo de tiempo razonable para llegar al destino. Adquirir estas velocidades es un reto tecnológico hoy en día.

Efectividad de los sistemas de propulsión

La masa de la tierra genera un pozo gravitatorio y para que un cuerpo pueda escapar de esta fuerza gravitatoria ha de tomar una velocidad de 11,2 km/s (velocidad de escape) o incluso superior. Como estamos habituados a vivir en un campo gravitatorio de un valor de 1 g (9,8 m/s²), un sistema ideal de propulsión debería proporcionar una aceleración constante de un 1g (los cuerpos humanos son capaces de soportar aceleraciones hasta los 15g en algunos casos).

Los motores cohete con este tipo de propulsión deben empujar constantemente a esta velocidad para que los viajeros que naveguen en las naves espaciales se vean libres de las náuseas, debilidad muscular, reducción del sentido del sabor, falta de asimilación del calcio, etc.; todos ellos síntomas cuando se somete al cuerpo a periodos prolongados de caída libre.

Cinemática de la propulsión

En el espacio uno de los objetivos es el cambio del valor de la velocidad v mediante el empleo del sistema de propulsión a chorro de la nave espacial. Como es muy difícil poner en órbita un objeto masivo, los diseñadores generalmente discuten sobre el momento, mv. La cantidad de cambio de momento se denomina impulso. De esta forma el objetivo de la propulsión en el espacio es crear impulso. Cuando la nave espacial es lanzada desde la tierra, el método empleado de propulsión debe superar las fuerzas de resistencia gravitacional para obtener una acelación neta positiva. Cuando se pone en órbita, la velocidad tangencial de la nave proporciona lafuerza centrípeta necesaria para compensar el efecto del campo gravitatorio de la tierra.

La razón de cambio de la velocidad se denomina aceleración, y la razón de cambio de momento se denomina fuerza. De esta forma para alcanzar una cierta velocidad, se puede imprimir una pequeña cantidad de aceleración durante un periodo largo de tiempo, o puede imprimirse una gran aceleración durante un periodo corto de tiempo. De forma similar, se puede lograr un impulso dado con una gran fuerza impresa sobre la nave espacial durante un corto periodo de tiempo, o por el contrario con una pequeña fuerza aplicada sobre un gran periodo de tiempo. Las leyes de conservación del momento vienen a indicar que es necesario cambiar la velocidad o la masa de la nave. Algunos diseños emplean la presión electromagnética de la luz para cambiar el momento de la nave espacial, pero en el espacio exterior la única forma de cambiar momento es transportar alguna masa y expulsarla (sistema de propulsión). A tal masa se la denomina "masa de reacción".

Requerimientos de la propulsión a chorro

Para lograr que un cohete funcione, es necesario dos cosas:

Masa de reacción
Energía.

El impulso proporcionado al expulsar una partícula de masa reactiva si esta posee una masa de m a una velocidad v es igual a mv. Pero esta partícula se expulsa con una energía cinética igual a mv²/2, que debe proceder de alguna parte. En un cohete de combustible sólido, líquido, o híbrido, el propuslsante debe quemarse, proporcionando energía, y los productos de la reacción se permite que fluyan hacia el exterior por la parte trasera de la nave espacial, proporcionando masa reactiva. En un propulsor iónico, se emplea la electricidad para acelerar los iones y expulsarlos por la parte trasera. Existen otros dispositivos que proporcionan energía electrica como los paneles solares o un reactor nuclear), mientras que los iones son los encargados de proporcionar una masa reactiva.

Parámetros de la eficiencia de la propulsión

Cuando se menciona la eficiencia de un sistema de propulsión a chorro, los diseñadores a menudo se focalizan el empleo adecuado de la masa reactiva. La masa reactiva debe llevarse necesariamente en el cohete y debe ser consumida irreversiblemente al ser usada. Una forma de medir la cantidad de impulso que es posible obtener de una cantidad dada de masa reactiva es lo que se denomina el impulso específico, llamando así a la cantidad de impulso por unidad de peso en la tierra (se designa típicamente como $I_{sp}$ ). La unidad para este valor es segundos. Como el impulso específico se mide con relación de peso en la tierra, a menudo no es importante cuando se habla de vehículos en el espacio, por esta razón se habla a veces de impulso específico en términos de unidades de masa. Esta forma alternativa de medir el impulso específico empleando unidades de masa (kg) hace que tenga unidades de velocidad (m/s), y en realidad es igual a la velocidad de las particulas (velocidad de evacuación) del motor cohete (Denominado de forma típica como $v_{e}$ ). Resulta confuso que ambos conceptos de impulso específico se denominen de forma similar. Aunque los dos valores difieren en un factor igual a la g, la aceleración de la gravedad sobre la superficie terrestre ( $I_{sp}g=v_{e}$ ).

Un cohete con una velocidad de evacuación alta puede alcanzar el mismo impulso empleando una masa de reacción menor. Por lo tanto la energía requerida para impulsar es proporcional al cuadrado de la velocidad de evacuación de la masa reactiva, de esta forma se necesita imprimir mucha energía a la masa reactiva. Esto es un problema si es un requerimiento que el motor proporcione una gran cantidad de empuje. Para generar una gran cantidad de impulso por segundo, se debe emplear una gran cantidad de energía por segundo. De esta forma un motor altamente eficiente requiere grandes cantidades de energía para proporcionar grandes cantidades de empuje. Como resultado, la mayoría de los motores se diseñan para proporcionar bajos niveles de empuje.

Cálculos de la propulsión a chorro

Quemando el propelente de un cohete de una nave espacial es la mejor forma de producir un cambio neto de velocidad en el espacio; a esta variación la denominamos 'delta-v'. La variación total de velocidad la representamos como $\Delta v$ de un vehículo y representa una de las incógnitas a resolver cuando se emplea la ecuación cinemática de un cohete, donde M es la masa de combustible (o de propelente), P es la masa de la [[carga útil] (incluyendo la masa estrucural del cohete), y $v_{e}$ es la velocidad de evacuación de propelente por la tobera. Todo estos parámetros forman parte de la Ecuación de Tsiolkovsky:

\Delta V=-v_{e}\ln \left({\frac {M+P}{P}}\right)

Por razones históricas, la velocidad $v_{e}$ se escribe a menudo como

v_{e}=I_{sp}g_{o}\,

donde $I_{sp}$ es el impulso específico del cohete, medido en segundos, y $g_{o}$ es la aceleración gravitatoria en la superficie terrestre. Para un viaje de largas distancias la mayoría de la masa de la nave espacial es masa reactiva. Debido a que es necesario que la masa reactiva proporcione un aumento de velocidad a la masa de la carga útil. Si se tuviera que proporcionar a una carga útil de masa P un cambio de velocidad de $\Delta v$ , y el motor del cohete tuviera una velocidad de evacuación v_e, entonces la masa M reactiva sería calculada mediante la ecuación de Tsiolkovsky mediante $I_{sp}$

M=P\left(e^{\Delta v/v_{e}}-1\right)

Para $\Delta v$ más pequeña que la v_e, esta ecuación es lineal, y puede verse que basta con emplear una pequeña masa reactiva. Si $\Delta v$ es comparable con v_e, entonces existe la necesidad de que se necesite aproximadamente el doble de masa de propelante que de carga útil (lo que incluye motores, tanques de combustible, estructura, y demás). Tras estas características el crecimiento es exponencial; las velocidades más altas que la velocidad de evacuación requieren muy altos ratios de masa de propelante con respecto a la carga de pago (carga útil). Para poder lograr esto, alguna cantidad de energía debe ir para poder acelerar la masa reactiva. Además conviene suponer que nunca los motores (Por reglas termodinámicas) son 100% eficientes, liberan energía sin utilizar, pero si se asume un 100% de eficiencia se necesitaría una energía de

{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}Mv_{e}^{2}

Comparando con la ecuación de cohetes (que muestra cuanta energía necesita un vehículo) y la ecuación energética (que muestra la energía total requerida) se puede comprobar que bajo la suposición de un 100% de eficiencia en el motor, no toda la energía proporcionada acaba en el vehículo - si alguna de ella, de hecho la mayor parte de ella, acaba siendo energía cinética de la masa evacuada. Para una misión, por ejemplo, de lanzamiento y planetizaje (Aterrizar en otro planeta) es necesario tener en cuenta que hay que superar las fuerzas de gravedad (son resistentes al despegue, y provocan un aumento del propelnte necesario). Es típico considerar estas caractersísticas y otras muchas para poder lograr un correcto delta-v efectivo en la misión. Por ejemplo, cuando se lanza una nave a una misión de órbita baja se requiere una delta-v de 9.3-10 km/s, este valor forma parte de los número integrados de los computadores de abordo.

Por ejemplo, si que quiere mandar 10.000 kg a Marte. La $\Delta v$ requerida para alcanzar una órbita baja (igl. Low Earth Orbit o LEO) es de aproximadamente 3000 m/s, empleando una órbita de transferencia de Hohmann. Si hubiera necesidad de guiar la nave se necesitaría mucho más propelante. Para ajustar el argumento, los cohetes impulsores empleados hoy en día pueden ser:

Motor	Velocidad efectiva de evacación (m/s)	Impulso específico (s)	Masa de Propelente (kg)	Energía requerida (GJ)	Energía por kg de propelente	Mínima potencia por N de empuje
Cohete de combustible sólido	1,000	100	190,000	95	500 kJ	0.5 kW
Cohete bipropelente	5,000	500	8,200	103	12.6 MJ	2.5 kW
Propulsor iónico	50,000	5,000	620	775	1.25 GJ	25 kW

Se ha de observar que cuando se es más eficiente en el consumo de combustible los motores pueden necesitar menos peso de propelante para las mismas funciones; esta masa es casi despreciable (en relación con la masa de carga útil) para algunos de los motores. Sin embargo, es de notar que es requerida una gran cantidad de energía.

Métodos de propulsión a chorro

Los métodos de propulsión pueden clasificarse mediante la forma de acelerar la masa reactiva. Existiendo algunos métodos especiales para los lanzamientos, llegadas a planetas y planetizajes ("aterrizaje" en otros planetas).

Motores cohete

Artículo principal: Motor cohete

Archivo:Rocket-test-chamber-NASA-med.jpg

A "cold" (un-ignited) rocket engine test at NASA

La mayoría de los motores cohete son motores de combustión interna motores de calor (debido en parte al protagonsmo que toma la combustión). El motor de un cohete generalmente produce altas tempetrauras en la masa reactiva, produciendo un gas caliente. Este se produce mediente el quemado de un combustible sólido, líquido o gaseoso con un oxidante en una cámara de combustión. El gas extremadamente caliente se le permite escapar a través de una abertura capaz de hacer expandir el gas a un alto ratio, la abertura se denomina: tobera. Esta tobera con forma de campana le proporción al cohete una forma característica. El efecto de la tobera provoca una aceleración dramática de las partículas haciendo que la energía térmica se convierta en energía cinética. Las velocidades de evacuación de gases a nivel de presión normal pueden llegar a superar fácilmente casi 10 veces la velocidad del sonido.

Los cohetes que emiten plasma pueden potencialmente transportar reacciones dentro de una botella magnética y lanzar el plasma vía una tobera magnética, de tal forma que no haya contacto material con el plasma. Desde luego la máquina que haga esto es compleja, pero las investigaciones en fusión nuclear han desarrollado métodos, algunos de los cuales han sido usados en sistemas especulativos de propulsión a chorro.

Véase motor cohete para una lista de los diferentes tipos de motores cohetes empleados en la industria aeroespacial así como los diferentes formas de la cámara de combustión, incluyendo los químicos, eléctricos, solar, y nuclear.

Reactores para el lanzamiento

Artículos principales: Reactor (motor) y Reactores.

Los estudios muestran que los motores a reacción, tales como los ramjets o los turbojets son generalmente demasiado pesados (la razón empuje/peso es baja) para cualquier desarrollo de operciones de lanzamiento, por esta razón se suelen lanzar desde otras naves ya en vuelo. Los sistemas de lanzamiento pueden ser lanzamiento aéreo desde un avión (como por ejemplo desde una B-29, Pegasus y White Knight) donde hacen uso de sus sistemas de propulsión.

Por otra parte, existen los Aeroreactores que son motores ligeros que tienen la ventaja de tomar aire durante la fase de ascenso:

SABRE - Un aeroreactor que emplea como combustible hidrógeno con un pre-enfriador^[2]
ATREX - Otro aeroreactor de bajo peso con pre-enfriador^[3]
motor de ciclo de aire líquido - se trata de un moror que emplea hidrógeno y que emplea aire líquido antes de ser quemado en la cámara de combustión
Scramjet - Se trata de un aeroreactor que emplea combustión supersónica

Los cohetes normalmente se lanzan desde una posición casi vertical y vuelan durante una decena de kilómetros antes de llegar a su órbita; este inicial lanzamiento vertical consume mucho propelante pero es óptimo desde el punto de vista de resistencia aerodinámica. Los aeroreactores queman propelante más eficientemente y permiten emplear una trayectoria más tangencial, los vehículos típicamente vuelan tangencialmente a la superficie tierra hasta que abandonan la atmósfera terrestre, en este instante desarrollan un segundo cohete delta-v que enlaza este estado con la órbita.

Aceleración de la masa reactiva por electromagetismo

Archivo:Ion-engine-NASA.jpg

Motor de prueba que acelera iones empleando fuerzas electromagnéticos.

En lugar de someter a un líquido a altas temperaturas y a la dinámica de fluidos para acelerar la masa reactivaa altas velocidades, existen una variedad de métodos que emplean las fuerzas del campo electrostático o electromagnético para acelerar la masa reactiva. Generalmente en este tipo de motores la masa reactiva es una corriente de iones. Tales motores necesitan de una fuente de energía potente para poder funcionar, y unas altas velocidades de evacuación requieren altas cantidades de energía.

Para algunas misiones la energía solar puede ser suficiente, y es empleada muy a menudo, pero para otras se requiere una fuente de energía nuclear; los motores que emplean la energía de la una fuente nuclear se denominan: cohetes de electricidad nuclear. Con la actual capacidad de generación de electricidad, bien sea químicamente, nuclear o solar se tiene una limitación de empuje de este tipo de propulsión.

Algunos métodos electromagnéticos:

Propulsión iónica
- Propulsión electrostática de iones
- Propulsión emisión de campo eléctrico
- Propulsión mediante efecto Hall
- Propulsión de doble capa Helicon
- Propulsión sin electrodos mediante plasma (aceleración por fuerzas electromagnéticas; emite plasma)
- Propulsión de pulsos inductivos
Propulsión de dinámica por magnetoplasma
Cohete de impulso específico variable

Sistemas sin masa reactiva transportada en el cohete

La ley de la conservación de momento establece que cualquier motor que no emplee masa reactiva, no puede mover su centro de gravedad (cambiar la orientación es sin embargo posible). Sin embargo el espacio no está vacío, especialmente en el área del Sistema Solar, donde puede haber campos magnéticos, el viento y la radiacción solar. Muchos sistemas de propulsión intentan diseñarse de tal forma que se aprovechen de estas características. Debido a la característica difusa de estos fenómenos en el sistema solar, los motores que aprovechan estas fuentes de energía necesitan de unas estructuras de tamaño considerable. Los motores de estas características no necesitan (o en cualquier caso emplean una una cantidad muy pequeña) de masa reactiva:

Propulsión Tether^[4]
Propulsión mediante Velas Solares
Propulsión mediante velas magnéticas
Propulsión medinate plasma mini-magnetosférico

Para cambiar la orientación de la nave espacial en el espacio no existe sin embargo tal restricción, la ley de conservación de momento angular no impone restricciones, muchos satélites empelan un volante de inercia para controlar la orientación del satélite. Este método no es el único para controlar la actitud del mismo, se pueden emplear sistemas que aprovechen el viento solar o las fuerzas magnéticas para hacer la misma función, algunos de estos sistemas pueden diseñarse de tal forma que pueden servir como sistema secundario.

Referencias

↑ http://www.planetary.org/programs/projects/innovative_technologies/solar_sailing/facts.html
↑ "The Sabre Engine." Reaction Engines Limited. 5 Nov 2006..
↑ Harada, Kenya et al. DEVELOPMENT STUDY ON PRECOOLER FOR ATREX ENGINE. Institute of Space and Astronautical Science: Propulsion System Laboratory. 5 Nov 2006.
↑ National Aeronautics and Space Administration. "NASA calls on industry, academia for in-space propulsion innovations." Realizado el 24 de Octubre 2002.

Enlaces externos

Guía de la NASA para principiantes (Lectura obligada para a aquellos que sin conocimientos técnicos desean saber algo sobre el tema)
NASA Proyecto de propulsión en la NASA
Propulsión de Cohetes
Journal of Advanced Theoretical Propulsion
Diferentes tipos de Cohetes
Earth-to-Orbit Transportation Bibliography - La más extensa bibliografía sobre la sistemas de transporte mediante propulsión
Spaceflight Propulsion - una detallada recopilación realizada por Greg Goebel, de domino público

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[1] ttp://www.planetary.org/programs/projects/innovative_technologies/solar_sailing/facts.html

[2] "The Sabre Engine." Reaction Engines Limited. 5 Nov 2006..

[3] Harada, Kenya et al. DEVELOPMENT STUDY ON PRECOOLER FOR ATREX ENGINE. Institute of Space and Astronautical Science: Propulsion System Laboratory. 5 Nov 2006.

[4] National Aeronautics and Space Administration. "NASA calls on industry, academia for in-space propulsion innovations." Realizado el 24 de Octubre 2002.

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