DISEÑANDO UN MOTOR DE COHETE MÁS EFICIENTE

Cuando nos imaginamos la tecnología de los cohetes del futuro, probablemente pensemos en propulsión iónica, motores de antimateria y otras ideas exóticas.
¡No tan rápido! El capítulo final de los cohetes tradicionales de combustible líquido aún está por escribirse.
La investigación está en camino hacia una nueva generación de diseños de cohetes de combustible líquido que podrían duplicar el rendimiento sobre los diseños actuales, a la vez que mejorarían también su confiabilidad.
Los cohetes de combustible líquido han estado por aquí durante un largo tiempo: el primer lanzamiento impulsado con líquido fue llevado a cabo en 1926 por Robert H. Goddard.
Aquel cohete simple produjo apenas unas 20 libras de empuje, suficiente para llevarlo a unos 15 metros en el aire.
Desde entonces, los diseños se han ido haciendo más sofisticados y potentes. Los tres motores de combustible líquido a bordo del Transbordador Espacial, por ejemplo, pueden ejercer más de 1,5 millones de libras de empuje combinado en su camino a la órbita de la Tierra.
Podríamos suponer que, a estas alturas, todo refinamiento imaginable en los diseños de cohetes líquidos ya debe haberse llevado a cabo.
Estaríamos equivocados.
Resulta que aún hay espacio para el progreso.
Dirigido por la Fuerza Aérea de EE.UU., un grupo compuesto por la NASA, el Departamento de Defensa, y varios socios industriales está trabajando en diseños de motores de alta eficiencia.
Su programa se llama Tecnologías Integradas de Propulsión de Cohetes de Gran Carga, (Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies), y están considerando muchas posibilidades de mejoras.
Una de las más prometedoras hasta el momento es un nuevo esquema para el flujo de combustible:
La idea básica tras un cohete de combustible líquido es bastante sencilla. Un combustible y un oxidante, ambos en estado líquido, son introducidos en una cámara de combustión y encendidos.
Por ejemplo, el Transbordador usa hidrógeno líquido como su combustible y oxígeno líquido como el oxidante.
Los gases calientes producidos por la combustión escapan rápidamente a través de la tobera cónica, produciendo así el impulso.
Los detalles, por supuesto, son mucho más complicados.
Por ejemplo, tanto el combustible líquido como el oxidante deben ser introducidos en la cámara muy rápido y bajo una gran presión.
¡Los motores principales del Transbordador vaciarían una piscina llena de combustible en sólo 25 segundos!
Este torrente de combustible es impulsado por una turbo bomba.
Para alimentar la turbo bomba, una pequeña cantidad de combustible es "pre-quemado", generando así gases calientes que accionan la turbo bomba, la cual a su vez impulsa el resto del combustible hacia la cámara principal de combustión.
Un proceso similar se usa para impulsar el oxidante.
Los cohetes actuales de combustible líquido envían sólo una pequeña cantidad de combustible y oxidante a través de los pre quemadores.
La mayor parte fluye directamente a la cámara principal de combustión, evitando completamente los pre-quemadores.
Una de las muchas innovaciones que están siendo probadas por la Fuerza Aérea y la NASA es enviar todo el combustible y oxidante a través de sus respectivos pre-quemadores.
Sólo una pequeña cantidad es consumida allí —justo la necesaria para que funcionen los turbos; el resto fluye a través de la cámara de combustión.
Este diseño de "ciclo de flujo completo por etapas" tiene una importante ventaja: con más masa pasando a través de la turbina que impulsa la turbo bomba, ésta es impulsada con más fuerza, alcanzando así presiones más altas. Presiones más altas equivalen a un mayor rendimiento del cohete.
Un diseño semejante no se ha usado nunca antes en un cohete de combustible líquido en los EE.UU., según Gary Genge del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. Genge es el Director Delegado del Proyecto para el Prototipo de Bomba Integrada (Integrated Powerhead Demonstrator, IPD) —un motor de pruebas para estos conceptos.
"Estos diseños que estamos explorando podrían mejorar el rendimiento de muchas maneras", dice Genge.
"Esperamos una mejor eficiencia del combustible, mejor relación impulso-peso, mejor confiabilidad —todo a un costo más bajo".
"En esta fase del proyecto, sin embargo, sólo estamos tratando de obtener que este patrón de flujo alterno funcione correctamente", apunta.
Ya han conseguido una meta clave: un motor de funcionamiento más frío.
"Las turbo bombas que usan patrones de flujo tradicionales pueden calentarse hasta los 1800 ºC", dice Genge.
Eso es mucha fatiga térmica sobre el motor.
La turbo bomba de "flujo completo" es más fría, ya que con más masa atravesándola, pueden usarse temperaturas más bajas y aun así conseguir un buen rendimiento", dice.
El IPD es concebido sólo como un banco de prueba para nuevas ideas, apunta Genge.
El Prototipo en sí mismo nunca volará al espacio.
Pero si el proyecto tiene éxito, algunas de las mejoras del IPD podrían encontrar su camino en los vehículos de lanzamiento del futuro.
Casi cien años y miles de lanzamientos después de Goddard, los mejores cohetes de combustible líquido pueden estar aún por llegar.
Tomado de NASA