¿Qué pinta tiene una lanzadera cohete de 4 kg?

03/07/2013 1 comentario
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¿Por qué son tan grandes las lanzaderas que ponen los satélites en órbita? ¿Realmente hay que lanzar desde el suelo?

El pasado 2 de julio vimos de forma atónita cómo la lanzadera rusa PROTON perdía el control y se estrellaba nada más despegar poniendo en peligro las personas y las instalaciones colindantes. Por eso no es de extrañar que, tal y como veíamos en el artículo "¿Dónde acaba el mundo? ¿Dónde empieza el espacio?", en el caso de España sea el INTA el que deba supervisar cualquier intento de acceso al espacio desde el suelo usando cohetes. En este mismo artículo vimos cómo una forma de reducir considerablemente los riesgos derivados de un lanzamiento de cohete era justamente no hacerlo desde el suelo si no desde la estratosfera y encima del mar desde un globo. En nuestro caso, como el globo está hecho de LATEX, manejable con poco viento, y la rampa de lanzamiento está hecha de cartón reciclado, todo esto se deshará en el mar en pocos meses. De esta manera, no solo relajamos los requerimientos de seguridad si no que además reducimos el gasto de combustible y por consiguiente reducimos la contaminación.

¿Por qué prácticamente todas las agencias espaciales lanzan desde el suelo? Es posiblemente un tema de operatividad. Un globo que pudiera levantar un cohete grande (Como el globo que llevó al austriaco Félix Baumgartner a la estratosfera para romper la barrera del sonido) sería inmanejable con solo una leve brisa. Así pues, los rockoons (Globo y cohete) no serán operativos a menos que el satélite pese pocos gramos y el cohete que lo pone en órbita pese unos pocos kilogramos. Hoy en día, de momento los satélites pesan cientos de kilogramos y evidentemente, satélites pesados necesitarán cohetes pesados y estos deben seguir despegando desde el suelo. De satélites tan ligeros ya hablamos en el artículo "¿Qué pinta tiene un satélite de 20 gramos?" pero ¿Y lanzaderas? ¿Se puede hacer un cohete tan pequeño? En mi grupo de investigación en la UPC estudiamos justamente esto y vemos que, según nuestra experiencia, no es nada trivial. No porque teóricamente no sea posible, si no porque es un reto tecnológico que de momento queda lejos de las manos amateurs e incluso a veces de agencias espaciales. Pero veamos a qué nos enfrentamos.

¿Cómo debe ser un motor de una lanzadera cohete tan pequeña? La velocidad que se necesita para poner en orbita a nuestro pequeño WikiSat de solo 20 gramos es de unos 7,8 km/s, es decir, nuestro indicador de velocidad del coche marcaría unos 28.000 km/h !!! y como vimos en la ecuación del cohete de Tsiolkovsky la proporción entre la masa del cohete lleno y vacío debe ser considerable. En nuestro caso, al usar combustibles sólidos "low-cost" o de bajo coste y como necesitamos hacer el lanzameinto en dos etapas (La primera etapa que nos llegue a una altura de 250 km y la segunda etapa que nos acelere hasta la velocidad de órbita) al final necesitamos que el 88% o más de la masa del cohete sea puramente combustible. Eso para cohetes con combustible líquido es relativamente fácil si hacemos los depósitos muy grandes respecto al motor; por ejemplo el F-1 del programa Apollo que llevó al ser humano a la luna. Pero cuando se trata de combustible sólido donde la estructura es el motor, la cosa es más complicada. Debe ser una chapa fina para que sea ligero (Unos 200 gramos), de acero para que aguante el calor (Unos 600 ºC), con una forma adecuada para que aguante la presión (De unas 30 atmósferas) y luego que sea fácil de unir a la pieza que transforma toda esa presión y temperatura en empuje - La tobera. Y parece ser que en el mercado disponemos de un recipiente que cumple con todas esas expectativas y que encima lo tenemos en la ferretería: Un bote de spray de espuma. No es el diseño óptimo, pero se acerca mucho; además sale realmente barato y se recicla.

Ha sido divertido comprobar en nuestros ensayos cómo no es nada fácil fabricar motores tan ligeros. Curiosamente, al ser todo tan pequeño, hace que todo sea más difícil de fabricar porque las manos son grandes respecto a las piececitas tan ligeras y diminutas que se necesitan. Un ejemplo de eso es el control vectorial que es el sistema que se encarga de mantener al cohete apuntando hacia la dirección correcta y que es donde el PROTON del comienzo tuvo problemas.

 Configuración 1 del prototipo de cohete no profesional de Alí

Hace poco, un estudiante mío, ha presentado su trabajo final de carrera sobre el control vectorial de un cohete tan pequeño como el que estamos considerando. En la imagen Alí nos presenta su prototipo en configuración 1 que pesa menos de 4 kilógramos y que saliendo desde el globo, debe alcanzar una órbita de 250 km. De esta manera reduciremos en el futuro la contaminación derivada de poner un satélite en órbita. Solo en el tema del control vectorial llevamos más de dos años luchando para bajar algunos gramos el peso total del sistema. En vez de usar metales, Alí propone usar materiales compuestos, es decir fibra de vidrio y algunas ideas ingeniosas. Cada gramo cuenta.