Cómo Funcionan Los Motores De Cohetes

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Los motores de cohetes aprovechan la energía para despegar una nave espacial. Conozca sobre los motores de cohetes de combustible sólido, los cohetes de combustible líquido y el futuro de los motores de cohetes.

-Uno de los esfuerzos más asombrosos que el hombre haya emprendido nunca es la exploración del espacio. Un gran p-art del asombro es la complejidad. La exploración espacial es complicada porque hay muchos problemas que resolver y obstáculos que superar. Tienes cosas como:

  • El vacío del espacio.
  • Problemas de manejo del calor
  • La dificultad de reingreso.
  • Mecánica orbital
  • Micrometeoritos y desechos espaciales.
  • Radiación cósmica y solar.
  • La logística de tener baños en un entorno ingrávido.

Pero el mayor problema de todos es aprovechar la energía suficiente simplemente para que una nave espacial despegue de la tierra. Eso es donde motores de cohetes Adelante.

Galería de imágenes de cohetes

Los motores de cohetes son, por un lado, tan simples que puede construir y volar sus propios cohetes modelo de forma muy económica (consulte los enlaces en la última página del artículo para obtener más información). Por otro lado, los motores de cohetes (y sus sistemas de combustible) son tan complicados que solo tres países en realidad han puesto a las personas en órbita. En este artículo, veremos los motores de cohetes para entender cómo funcionan, así como para comprender la complejidad que los rodea.

-Cuando la mayoría de la gente piensa en motores o motores, ellos piensan en rotación. Por ejemplo, un motor de gasolina alternativo en un automóvil produce energía de rotación para impulsar las ruedas. Un motor eléctrico produce energía de rotación para impulsar un ventilador o hacer girar un disco. Una máquina de vapor se usa para hacer lo mismo, al igual que 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 los motores El principio básico que maneja un motor de cohete es el famoso principio newtoniano de que "para cada acción hay una reacción igual y opuesta". Un motor de cohete está lanzando masa en una dirección y se beneficia de la reacción que se produce en la otra dirección como resultado.

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 sucediendo. Los motores de cohetes parecen ser sobre llamas y ruido y presión, no "tirar cosas". Veamos algunos ejemplos para obtener una mejor imagen de la realidad:

  • Si alguna vez has disparado un escopeta, especialmente una gran escopeta de calibre 12, entonces sabes que tiene muchas "patadas". Es decir, cuando disparas la pistola, te "patea" el hombro hacia atrás con mucha fuerza. Esa patada es una reacción. Una escopeta dispara alrededor de una onza de metal en una dirección a unas 700 millas por hora, y su hombro es golpeado por la reacción. Si estuviera usando patines o de pie sobre una patineta cuando disparó la pistola, entonces la pistola actuaría como un motor de cohete y reaccionaría rodando en la dirección opuesta.
  • Si alguna vez has visto un gran manguera de fuego Al rociar agua, es posible que haya notado que se necesita mucha fuerza para sostener la manguera (a veces verá dos o tres bomberos que sostienen la manguera). La manguera está actuando como un motor de cohete. La manguera está arrojando agua en una dirección, y los bomberos están usando su fuerza y ​​peso para contrarrestar la reacción. Si soltaban la manguera, se sacudiría con una fuerza tremenda. Si todos los bomberos estuvieran parados en patinetas, ¡la manguera los empujaría hacia atrás a gran velocidad!
  • Cuando soplas un globo y déjalo ir para que vuele por toda la habitación antes de quedarte sin aire, has creado un motor de cohete. En este caso, lo que se lanza son las moléculas de aire dentro del globo. Muchas personas creen que las moléculas de aire no pesan nada, pero sí lo hacen (consulte la página de helio para obtener una mejor imagen del peso del aire). Cuando los arrojas por la boquilla de un globo, el resto del globo reacciona en la dirección opuesta.

A continuación, veremos otro escenario que explica la acción y la reacción: el béisbol espacial.

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Acción y reacción: el escenario del béisbol espacial

Una cámara remota captura una vista en primer plano de un motor principal del transbordador espacial durante un disparo de prueba en el Centro Espacial John C. Stennis en el condado de Hancock, Mississippi.

Una cámara remota captura una vista en primer plano de un motor principal del transbordador espacial durante un disparo de prueba en el Centro Espacial John C. Stennis en el condado de Hancock, Mississippi.

Imagina la siguiente situación: estás usando un traje espacial y estás flotando en el espacio al lado del transbordador espacial; Sucede que tienes una pelota de béisbol en la mano.

Si lanzas la pelota de béisbol, tu cuerpo reaccionará moviéndose en la dirección opuesta a la pelota. Lo que controla la velocidad a la que tu cuerpo se aleja es la peso de la pelota que lanzas y la cantidad de aceleración que le apliques. La masa multiplicada por la aceleración es la fuerza (f = m * a). Cualquier fuerza que aplique a la pelota de béisbol será igualada por una fuerza de reacción idéntica aplicada a su cuerpo (m * a = m * a). Entonces, digamos que la pelota de béisbol pesa 1 libra, y su cuerpo y el traje espacial pesan 100 libras. Usted tira la pelota de béisbol a una velocidad de 32 pies por segundo (21 mph). Es decir, usted acelera la pelota de béisbol de 1 libra con su brazo para que obtenga una velocidad de 21 mph. Tu cuerpo reacciona, pero pesa 100 veces más que el béisbol. Por lo tanto, se aleja a una centésima la velocidad de la pelota de béisbol, o 0.32 pies por segundo (0.21 mph).

Si quieres generar más. empuje Desde tu béisbol, tienes dos opciones: aumentar la masa o aumentar la aceleración.Puedes lanzar una pelota de béisbol más pesada o lanzar varias pelotas de béisbol una tras otra (aumentando la masa), o puedes lanzar la pelota más rápido (aumentando la aceleración en ella). Pero eso es todo lo que puedes hacer.

Un motor de cohete generalmente arroja masa en forma de gas de alta presion. El motor expulsa 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 de cohete. El proceso de combustión acelera la masa de combustible para que salga de la boquilla del cohete a alta velocidad. El hecho de que el combustible se convierta de un sólido o líquido en un gas cuando se quema no cambia su masa. Si quema una libra de combustible de cohete, una libra de escape sale por la boquilla en forma de un gas de alta temperatura y alta velocidad. La forma cambia, pero la masa no. El proceso de quema acelera la masa.

Aprendamos más sobre el empuje siguiente.

Empuje

Cómo funcionan los motores de cohetes: cómo

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 es igual a 1 libra de empuje). Una libra de empuje es la cantidad de empuje que se necesitaría para mantener estacionario un objeto de 1 libra contra la fuerza de la gravedad en la Tierra. Así que en la Tierra, la aceleración de la gravedad es de 32 pies por segundo por segundo (21 mph por segundo). Si estuvieras flotando en el espacio con una bolsa de pelotas de béisbol y tiraras una pelota de béisbol por segundo lejos de ti a 21 mph, tus pelotas de béisbol estarían generando el equivalente de 1 libra de empuje. Si fuera a lanzar las pelotas de béisbol a 42 mph, entonces estaría generando 2 libras de empuje. Si los lanzas a 2100 mph (tal vez disparándoles desde algún tipo de arma de béisbol), estás generando 100 libras de empuje, y así sucesivamente.

Uno de los problemas graciosos que tienen los cohetes es que los objetos que el motor quiere lanzar realmente pesan algo, y el cohete tiene que cargar ese peso. Entonces, digamos que desea generar 100 libras de empuje durante una hora lanzando una pelota de béisbol cada segundo a una velocidad de 2,100 mph. Eso significa que debes comenzar 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, puedes ver que el peso de tu "combustible" empequeñece el peso de la carga útil (tú). De hecho, el combustible pesa 36 veces más que la carga útil. Y eso es muy común. Es por eso que debes tener un enorme cohete para llevar a una pequeña persona al espacio en este momento, tienes que llevar una gran cantidad de combustible.

Puedes ver la ecuación de peso muy claramente en el transbordador espacial. Si alguna vez has visto el lanzamiento del Transbordador espacial, sabes que hay tres partes:

  • El orbitador
  • El gran tanque externo.
  • Los dos propulsores de cohetes sólidos. (SRBs)

El Orbiter pesa 165,000 libras vacías. El tanque externo pesa 78,100 libras vacías. Los dos propulsores de cohetes sólidos pesan 185,000 libras vacíos cada uno. Pero entonces hay que cargar el combustible. Cada SRB tiene 1,1 millones de libras de combustible. El tanque externo contiene 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 de cohetes y todo el combustible) tiene un peso total de 4.4 millones de libras en el lanzamiento. ¡4.4 millones de libras para obtener 165,000 libras en órbita es una gran diferencia! Para ser justos, el orbitador también puede llevar una carga útil de 65,000 libras (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 se está lanzando por la parte trasera del transbordador espacial a una velocidad de quizás 6,000 mph (las velocidades de escape típicas de los cohetes químicos varían entre 5,000 y 10,000 mph). Los SRB se queman durante aproximadamente dos minutos y generan aproximadamente 3.3 millones de libras de empuje cada uno en el lanzamiento (2.65 millones de libras en promedio durante la quema). Los tres motores principales (que usan el combustible en el tanque externo) se queman durante unos ocho minutos, generando 375,000 libras de empuje cada uno durante la quema.

En la siguiente sección, veremos la mezcla de combustible particular en cohetes de combustible sólido.

Cohetes de combustible sólido: Mezcla de combustible

Un cohete de combustible sólido inmediatamente antes y después de la ignición.

Un cohete de combustible sólido inmediatamente antes y después de la ignición.

Los motores de cohete 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 línea sobre "el resplandor rojo del cohete" en el himno nacional (escrito a principios de 1800) habla de pequeños cohetes militares de combustible sólido utilizados para lanzar bombas o dispositivos incendiarios. Así que puedes ver que los cohetes han estado en uso durante bastante tiempo.

La idea detrás de un simple cohete de combustible sólido es directa. Lo que quieres hacer es crear algo que se quema muy rápidamente pero que no explote. Como probablemente sepan, la pólvora explota. La pólvora se compone de 75% de nitrato, 15% de carbono y 10% de azufre. En un motor de cohete, no desea una explosión, le gustaría que la potencia se libere de manera más uniforme durante un período de tiempo. Por lo tanto, puede cambiar la mezcla a 72% de nitrato, 24% de carbono y 4% de azufre. En este caso, en lugar de pólvora, obtienes un combustible de cohete simple. Este tipo de mezcla se quemará muy rápidamente, pero no explotará si se carga correctamente. Aquí hay una sección transversal típica:

A la izquierda se ve el cohete antes de la ignición. El combustible sólido se muestra en verde. Es cilíndrico, con un tubo perforado en el medio. Cuando enciendes el combustible, se quema a lo largo de la pared del tubo. A medida que se quema, se quema hacia afuera hacia la carcasa hasta que todo el combustible se haya quemado. En un modelo pequeño de motor de cohete o en una pequeña botella de cohete, la quemadura podría durar un segundo o menos.En un transbordador espacial SRB que contiene más de un millón de libras de combustible, la quemadura dura aproximadamente dos minutos.

Cohetes de combustible sólido: Configuración del canal

Cómo funcionan los motores de cohetes: cómo

Cuando lees sobre cohetes avanzados de combustible sólido como los propulsores sólidos de cohetes 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 la mezcla unida, 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 puntos en el segmento del motor delantero y una perforación de cono truncado doble en cada uno de los segmentos de popa y el 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 un esfuerzo excesivo del vehículo durante la presión dinámica máxima. [fuente: NASA]

Este párrafo discute 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 puntos" podría verse así:

La idea es aumentar el área de superficie del canal, aumentando así el área de quemado y por lo tanto el empuje. A medida que el combustible se quema, la forma se iguala en un círculo. En el caso de los SRB, le da al motor un empuje inicial alto y un empuje más bajo en el medio del vuelo.

Los motores de cohetes de combustible sólido tienen tres ventajas importantes:

  • Sencillez
  • Bajo costo
  • La seguridad

También tienen dos desventajas:

  • El empuje no puede ser controlado.
  • Una vez encendido, el motor no se puede detener ni reiniciar.

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 usar un sistema de propelente líquido. Aprenderemos sobre esas y otras posibilidades a continuación.

Cohetes propulsores líquidos

El Dr. Robert H. Goddard y su cohete líquido de oxígeno y gasolina en el marco desde el cual se disparó el 16 de marzo de 1926, en Auburn, Massachusetts. Volaron durante solo 2,5 segundos, subieron 41 pies y aterrizaron a 184 pies de distancia en un campo de coles.

El Dr. Robert H. Goddard y su cohete líquido de oxígeno y gasolina en el marco desde el cual se disparó el 16 de marzo de 1926, en Auburn, Massachusetts. Volaron durante solo 2,5 segundos, subieron 41 pies y aterrizaron a 184 pies de distancia en un campo de coles.

En 1926, Robert Goddard probó el primer motor de cohete propulsor líquido. Su motor utiliza 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, las estrategias de enfriamiento y los dispositivos 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 propulsores líquidos, se bombea un combustible y un oxidante (por ejemplo, gasolina y oxígeno líquido) a una cámara de combustión. Allí se queman para crear una corriente de alta presión y alta velocidad de gases calientes. Estos gases fluyen a través de una boquilla que los acelera aún más (siendo típicas las velocidades de salida de 5,000 a 10,000 mph), y luego dejan el motor. El siguiente diagrama altamente simplificado le muestra los componentes básicos.

Cómo funcionan los motores de cohetes: cohetes

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 de líquido es enfriar la cámara de combustión y la boquilla, por lo que los líquidos criogénicos circulan primero alrededor de las partes sobrecalentadas para enfriarlas. Las bombas deben 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 en realidad usan dos etapas de bombeo y queman combustible para impulsar las bombas de la segunda etapa. Todo este bombeo y enfriamiento hace que un motor 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.

Todos los tipos de combinaciones de combustible se utilizan en motores de cohetes de propulsante líquido. Por ejemplo:

  • Hidrógeno líquido y oxígeno líquido. - utilizado en los motores principales del transbordador espacial
  • Gasolina y oxígeno líquido. - utilizado en los primeros cohetes de Goddard
  • Keroseno y oxigeno liquido. - utilizado en la primera etapa de los grandes impulsores Saturn V en el programa Apollo
  • Alcohol y oxigeno liquido - Utilizado en los cohetes V2 alemanes.
  • Tetróxido de nitrógeno / monometil hidrazina - Utilizado en los motores Cassini.

El futuro de los motores de cohetes

Esta imagen de un motor de iones de xenón, fotografiada 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 débil resplandor azul de los átomos cargados que se emiten desde el motor. El motor de propulsión iónica es la primera propulsión no química que se utiliza como el principal medio para propulsar una nave espacial.

Esta imagen de un motor de iones de xenón, fotografiada 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 débil resplandor azul de los átomos cargados que se emiten desde el motor. El motor de propulsión iónica es la primera propulsión no química que se utiliza como el principal medio para propulsar una nave espacial.

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 lance masa lo haría. Si pudiera encontrar una manera de acelerar las pelotas de béisbol a velocidades extremadamente altas, tendría un motor de cohete viable. El único problema con este enfoque sería el "escape" de béisbol (pelotas de béisbol de alta velocidad en ese sentido) dejado en el 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 impulsores de actitud en los satélites no necesitan producir mucho empuje. Un diseño de motor común encontrado en los satélites no utiliza ningún "combustible" en absoluto - empujadores de nitrógeno presurizados simplemente soplar gas nitrógeno desde un tanque a través de una boquilla. Los propulsores como estos mantuvieron a Skylab en órbita, y también se usan 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 iónicos para la propulsión [fuente: SPACE.com]. Vea esta página para una discusión adicional sobre los motores de plasma e iones.

Para obtener más información sobre los motores de cohetes y temas relacionados, echa un vistazo a los enlaces en la página siguiente.


Suplemento De Vídeo: COMO FUNCIONA UN COHETE COMPONENTES ANIMACION BIEN EXPLICADO.





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