HowStuffWorks 2005 Mira más fotos de cohetes. Uno de los esfuerzos más asombrosos que ha emprendido el hombre es la exploración del espacio. Gran parte del asombro es la complejidad. La exploración espacial es complicada porque hay muchos problemas que resolver y obstáculos que superar. Tienes cosas como:
Pero el mayor problema de todos es aprovechar la energía suficiente simplemente para hacer despegar una nave espacial. Eso es donde motores de cohetes Adelante.
Los motores de cohetes son, Por un lado, tan simple que puede construir y volar sus propios cohetes modelo a muy bajo costo (vea los enlaces en la última página del artículo para más detalles). Por otra parte, Los motores de cohetes (y sus sistemas de combustible) son tan complicados que solo tres países han puesto personas en órbita. En este articulo, analizaremos los motores de cohetes para comprender cómo funcionan, así como comprender parte de la complejidad que los rodea.
Cuando la mayoría de la gente piensa en motores o motores, piensan en la rotación. Por ejemplo, un motor de gasolina alternativo en un automóvil produce energía de rotación para impulsar las ruedas. Un motor eléctrico produce energía rotacional para impulsar un ventilador o hacer girar un disco. Se usa una máquina de vapor para hacer lo mismo, como es una turbina de vapor y la mayoría de las turbinas de gas.
Los motores de cohetes son fundamentalmente diferentes. Los motores de cohete son reacción motores. El principio básico que impulsa un motor de cohete es el famoso principio newtoniano de que "a cada acción hay una reacción igual y opuesta". Un motor de cohete lanza masa en una dirección y, como resultado, se beneficia de la reacción que ocurre en la otra dirección.
Este concepto de "lanzar masa y beneficiarse de la reacción" puede ser difícil de comprender al principio, porque eso no parece ser lo que está pasando. Los motores de cohetes parecen estar relacionados con las llamas, el ruido y la presión, no "tirar cosas". Veamos algunos ejemplos para tener una mejor idea de la realidad:
Próximo, veremos otro escenario que explica la acción y la reacción:el béisbol espacial.
Más sobre motores de cohetes
Sintonice el Canal Turbo, el lugar ideal para programar sobre automóviles, motocicletas aviones y todo lo demás con motor.
Contenido
Una cámara remota captura una vista cercana de un motor principal del transbordador espacial durante una prueba de disparo en el Centro Espacial John C. Stennis en el condado de Hancock. Pierda. Foto cortesía de la NASA. Imagina la siguiente situación:estás usando un traje espacial y estás flotando en el espacio junto al transbordador espacial; tiene una pelota de béisbol en la mano.
Si lanzas la pelota de béisbol, su cuerpo reaccionará moviéndose en la dirección opuesta a la pelota. Lo que controla la velocidad a la que su cuerpo se aleja es la peso de la pelota de béisbol que lanzas y la cantidad de aceleración que le aplica. La masa multiplicada por la aceleración es la fuerza (f =m * a). Cualquier fuerza que apliques a la pelota de béisbol será igualada por una fuerza de reacción idéntica aplicada a tu cuerpo (m * a =m * a). Digamos que la pelota de béisbol pesa 1 libra, y tu cuerpo más el traje espacial pesa 100 libras. Tiras la pelota de béisbol a una velocidad de 32 pies por segundo (21 mph). Es decir, acelera la pelota de béisbol de 1 libra con el brazo para que alcance una velocidad de 21 mph. Tu cuerpo reacciona pero pesa 100 veces más que la pelota de béisbol. Por lo tanto, se aleja a una centésima parte de la velocidad de la pelota de béisbol, o 0,32 pies por segundo (0,21 mph).
Si quieres generar más empuje de tu beisbol, tienes dos opciones:aumentar la masa o aumentar la aceleración. Puede lanzar una pelota de béisbol más pesada o lanzar varias pelotas de béisbol una tras otra (aumentando la masa), o puede lanzar la pelota de béisbol más rápido (aumentando la aceleración). Pero eso es todo lo que puedes hacer.
Un motor de cohete generalmente arroja masa en forma de gas a alta presión . El motor arroja la masa de gas en una dirección para obtener una reacción en la dirección opuesta. La masa proviene del peso del combustible que quema el motor del cohete. El proceso de combustión acelera la masa de combustible para que salga de la boquilla del cohete a gran velocidad. El hecho de que el combustible pase de sólido o líquido a gas cuando se quema no cambia su masa. Si quema una libra de combustible para cohetes, una libra de escape sale de la boquilla en forma de alta temperatura, gas de alta velocidad. La forma cambia, pero la masa no. El proceso de combustión acelera la masa.
Aprendamos más sobre el empuje a continuación.
La "fuerza" de un motor de cohete se llama su empuje . El empuje se mide en "libras de empuje" en los EE. UU. Y en Newtons bajo el sistema métrico (4,45 Newtons de empuje equivalen a 1 libra de empuje). Una libra de empuje es la cantidad de empuje que se necesitaría para mantener un objeto de 1 libra estacionario contra la fuerza de la gravedad en la Tierra. Entonces en la Tierra la aceleración de la gravedad es de 32 pies por segundo por segundo (21 mph por segundo). Si estaba flotando en el espacio con una bolsa de pelotas de béisbol y lanzaba una pelota de béisbol por segundo a 21 mph, tus pelotas de béisbol estarían generando el equivalente a 1 libra de empuje. Si en cambio lanzaras las pelotas de béisbol a 42 mph, entonces estarías generando 2 libras de empuje. Si los arrojas a 2, 100 mph (quizás disparándoles con algún tipo de arma de béisbol), entonces estás generando 100 libras de empuje, etcétera.
Uno de los problemas divertidos que tienen los cohetes es que los objetos que el motor quiere lanzar pesan algo, y el cohete tiene que soportar ese peso. Entonces, digamos que desea generar 100 libras de empuje durante una hora lanzando una pelota de béisbol por segundo a una velocidad de 2, 100 mph. Eso significa que tienes que empezar con 3, 600 pelotas de béisbol de 1 libra (hay 3, 600 segundos en una hora), o 3, 600 libras de pelotas de béisbol. Como solo pesas 100 libras en tu traje espacial, puede ver que el peso de su "combustible" empequeñece el peso de la carga útil (usted). De hecho, el combustible pesa 36 veces más que la carga útil. Y eso es muy común. Es por eso que tienes que tener un cohete enorme para llevar a una persona diminuta al espacio en este momento; tienes que llevar mucho combustible.
Puede ver la ecuación de peso muy claramente en el transbordador espacial. Si alguna vez ha visto el lanzamiento del transbordador espacial, sabes que hay tres partes:
El orbitador pesa 165, 000 libras vacías. El tanque externo pesa 78, 100 libras vacías. Los dos propulsores de cohetes sólidos pesan 185, 000 libras vacías cada uno. Pero luego tienes que cargar el combustible. Cada SRB contiene 1,1 millones de libras de combustible. El tanque externo tiene capacidad para 143, 000 galones de oxígeno líquido (1, 359, 000 libras) y 383, 000 galones de hidrógeno líquido (226, 000 libras). Todo el vehículo - lanzadera, tanque externo, carcasas sólidas de propulsión de cohetes y todo el combustible:tiene un peso total de 4.4 millones de libras en el momento del lanzamiento. 4,4 millones de libras para obtener 165, ¡000 libras en órbita es una gran diferencia! Para ser justo, el orbitador también puede llevar un 65, 000 libras de carga útil (hasta 15 x 60 pies de tamaño), pero sigue siendo una gran diferencia. El combustible pesa casi 20 veces más que el Orbiter [fuente:Manual del operador del transbordador espacial].
Todo ese combustible está siendo arrojado por la parte trasera del transbordador espacial a una velocidad de quizás 6, 000 mph (las velocidades típicas de escape de cohetes para cohetes químicos oscilan entre 5, 000 y 10, 000 mph). Los SRB se queman durante unos dos minutos y generan alrededor de 3,3 millones de libras de empuje cada uno en el lanzamiento (2,65 millones de libras en promedio durante la combustión). Los tres motores principales (que utilizan el combustible del depósito externo) funcionan durante unos ocho minutos, generando 375, 000 libras de empuje cada uno durante la quemadura.
En la siguiente sección, veremos la mezcla de combustible particular en los cohetes de combustible sólido.
Un cohete de combustible sólido inmediatamente antes y después de la ignición. Los motores de cohetes de combustible sólido fueron los primeros motores creados por el hombre. Fueron inventados hace cientos de años en China y se han utilizado ampliamente desde entonces. La frase sobre "el resplandor rojo del cohete" en el himno nacional (escrito a principios del siglo XIX) habla de pequeños cohetes militares de combustible sólido utilizados para lanzar bombas o dispositivos incendiarios. Así que puede ver que los cohetes se han usado bastante tiempo.
La idea detrás de un simple cohete de combustible sólido es sencilla. Lo que quieres hacer es crear algo que se queme muy rápido pero que no explote. Como probablemente sepa, estalla la pólvora. La pólvora está compuesta en un 75% por nitratos, 15% de carbono y 10% de azufre. En un motor de cohete no desea una explosión; le gustaría que la energía se liberara de manera más uniforme durante un período de tiempo. Por lo tanto, puede cambiar la mezcla a 72% de nitrato, 24% carbono y 4% azufre. En este caso, en lugar de pólvora, obtienes un combustible de cohete simple. Este tipo de mezcla se quemará muy rápidamente, pero no explota si se carga correctamente. Aquí hay una sección transversal típica:
A la izquierda se ve el cohete antes del encendido. El combustible sólido se muestra en verde. Es cilíndrico, con un tubo perforado por la mitad. Cuando enciendes el combustible, arde a lo largo de la pared del tubo. Mientras arde se quema hacia afuera hacia la carcasa hasta que se quema todo el combustible. En un motor de cohete de modelo pequeño o en un cohete de botella diminuta, la combustión puede durar un segundo o menos. En un transbordador espacial SRB que contiene más de un millón de libras de combustible, la quemadura dura unos dos minutos.
Cuando lee sobre cohetes avanzados de combustible sólido como los propulsores de cohetes sólidos del Shuttle, a menudo lees cosas como:
La mezcla propulsora en cada motor SRB consiste en un perclorato de amonio (oxidante, 69,6 por ciento en peso), aluminio (combustible, 16 por ciento), óxido de hierro (un catalizador, 0,4 por ciento), un polímero (un aglutinante que mantiene unida la mezcla, 12,04 por ciento), y un agente de curado epoxi (1,96 por ciento). El propulsor es una perforación en forma de estrella de 11 puntas en el segmento del motor delantero y una perforación de doble cono truncado en cada uno de los segmentos de popa y cierre de popa. Esta configuración proporciona un alto empuje en el encendido y luego reduce el empuje en aproximadamente un tercio 50 segundos después del despegue para evitar sobrecargar el vehículo durante la presión dinámica máxima. [fuente:NASA]Este párrafo analiza no solo la mezcla de combustible, sino también la configuración del canal perforado en el centro del combustible. Una "perforación en forma de estrella de 11 puntas" podría verse así:
La idea es aumentar la superficie del canal, aumentando así el área de la quemadura y por lo tanto el empuje. Mientras el combustible arde, la forma se empareja en un círculo. En el caso de los SRB, le da al motor un empuje inicial alto y un empuje menor en el medio del vuelo.
Los motores de cohetes de combustible sólido tienen tres ventajas importantes:
También tienen dos desventajas:
Las desventajas significan que los cohetes de combustible sólido son útiles para tareas de corta duración (como misiles), o para sistemas de refuerzo. Cuando necesite poder controlar el motor, debe utilizar un sistema propulsor líquido. A continuación, aprenderemos sobre esas y otras posibilidades.
El Dr. Robert H. Goddard y su cohete de oxígeno líquido-gasolina en el marco desde el que fue disparado el 16 de marzo de 1926, en Auburn, Mass. Voló durante solo 2,5 segundos, subió 41 pies, y aterrizó a 184 pies de distancia en un campo de repollo. Foto cortesía de la NASA. En 1926, Robert Goddard probó el primer motor cohete propulsor líquido. Su motor usaba gasolina y oxígeno líquido. También trabajó y resolvió una serie de problemas fundamentales en el diseño de motores de cohetes, incluidos los mecanismos de bombeo, estrategias de enfriamiento y arreglos de dirección. Estos problemas son los que hacen que los cohetes propulsores líquidos sean tan complicados.
La idea básica es simple. En la mayoría de los motores de cohetes de propulsante líquido, un combustible y un oxidante (por ejemplo, gasolina y oxígeno líquido) se bombean a una cámara de combustión. Allí se queman para crear una corriente de gases calientes a alta presión y alta velocidad. Estos gases fluyen a través de una boquilla que los acelera aún más (5, 000 a 10, 000 mph siendo las velocidades de salida típicas), y luego salen del motor. El siguiente diagrama muy simplificado le muestra los componentes básicos.
Este diagrama no muestra las complejidades reales de un motor típico (vea algunos de los enlaces en la parte inferior de la página para obtener buenas imágenes y descripciones de motores reales). Por ejemplo, Es normal que el combustible o el oxidante sea un gas licuado frío como el hidrógeno líquido o el oxígeno líquido. Uno de los grandes problemas en un motor de cohete propulsor líquido es enfriar la cámara de combustión y la boquilla, por lo que los líquidos criogénicos primero se hacen circular alrededor de las partes sobrecalentadas para enfriarlas. Las bombas tienen que generar presiones extremadamente altas para superar la presión que crea el combustible en combustión en la cámara de combustión. Los motores principales del transbordador espacial utilizan en realidad dos etapas de bombeo y queman combustible para impulsar las bombas de la segunda etapa. Todo este bombeo y enfriamiento hace que un motor de propulsor líquido típico se parezca más a un proyecto de plomería descontrolado que a cualquier otra cosa. Mire los motores en esta página para ver a qué me refiero.
En los motores de cohetes de propulsante líquido se utilizan todo tipo de combinaciones de combustible. Por ejemplo:
Esta imagen de un motor de iones de xenón, fotografiado a través de un puerto de la cámara de vacío donde se estaba probando en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, muestra el tenue resplandor azul de los átomos cargados que emite el motor. El motor de propulsión iónica es la primera propulsión no química que se utiliza como medio principal de propulsión de una nave espacial. Foto cortesía de la NASA. Estamos acostumbrados a ver motores de cohetes químicos que queman su combustible para generar empuje. Sin embargo, hay muchas otras formas de generar empuje. Cualquier sistema que arroje masa serviría. Si pudiera encontrar una manera de acelerar pelotas de béisbol a velocidades extremadamente altas, tendrías un motor cohete viable. El único problema con tal enfoque sería el "escape" de béisbol (pelotas de béisbol de alta velocidad) que quedan fluyendo a través del espacio. Este pequeño problema hace que los diseñadores de motores de cohetes prefieran los gases para el producto de escape.
Muchos motores de cohetes son muy pequeños. Por ejemplo, Los propulsores de actitud en los satélites no necesitan producir mucho empuje. Un diseño de motor común que se encuentra en los satélites no usa "combustible" en absoluto: propulsores de nitrógeno presurizado simplemente sople gas nitrógeno de un tanque a través de una boquilla. Propulsores como estos mantuvieron Skylab en órbita, y también se utilizan en el sistema de maniobras tripulado del transbordador.
Los nuevos diseños de motores están tratando de encontrar formas de acelerar iones o partículas atómicas a velocidades extremadamente altas para crear empuje de manera más eficiente. La nave espacial Deep Space-1 de la NASA fue la primera en utilizar motores de iones para la propulsión [fuente:SPACE.com]. Consulte esta página para obtener más información sobre los motores de iones y plasma.
Para obtener más información sobre motores de cohetes y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.
