Los combustibles para motores de cohete fueron desarrollados en los años 50 y pocos han sido los avances desde entonces al conocerse la mayoría de las reacciones químicas que liberen la mayor cantidad de energía con una densidad del combustible lo más baja posible. A partir de aquí los avances tecnológicos fueron logrados, ya no en el campo de la química, sino de la termodinámica. Gracias al desarrollo de turbinas y compresores muy eficientes que junto a las modernas cámaras de combustión anulares, permitieron hacer motores con gran capacidad de empuje para una masa pequeña comparado con la carga que levantaban. Un ejemplo en su apogeo fue el motor Rocketdyne F1 de 6,8 meganewtons de empuje y que pesa, solo el motor, 8,4 toneladas. Este motor fue uno de los usados en el programa Apolo en los años 70 que llevó el hombre a la Luna. La primera etapa del cohete usaba 5 motores de estos para levantar al enorme Saturno V de 2.800 toneladas. Es decir, levanta 330 veces su peso. Y hasta el día de hoy todo sigue igual. Para ir al espacio hacen falta motores de gran capacidad de empuje para subir grandes cargas de pago. No parece que vaya a cambiar nada mientras no cambiemos el paradigma. En un futuro necesitaremos motores que usen otro tipo de reacción que no sea química, pero de momento, no parece que en los siguientes 15 años vaya a cambiar nada de esto.

Mientras tanto, desde aquí proponemos reducir la carga de pago para que el acceso al espacio sea barato, fácil y repetible de manera que ir al espacio sea una cosa que se haga cada semana y por empresas, no solo por agencias espaciales. Y en esta línea venimos presentando el aspecto que deben tener satélites que pesen menos de 100 gramos o cohetes que pongan estos pequeños satélites en órbita y que pesen menos de 10 kilogramos. Si pudiéramos escalar el problema, el motor de Alí debería pesar unos 10 gramos y crear un empuje suficiente como para levantarlo a él y el resto del cohete. ¿Cómo logramos que un motor pueda ser tan ligero y tan pequeño sin recurrir a la nanotecnología? Nuestra propuesta es usar uno de los motores más sencillos que existen y que se llevan usando desde hace más de 50 años: la tobera convergente-divergente.

Fabricación del motor L4 de la primera etapa del WikiLauncher

La tobera convergente-divergente

En termodinámica conocemos bien que si por un conducto fluye un fluido, cuanto más se estreche el conducto, más se tiene que acelerar el fluido para mantener así el caudal (Ver teorema de Bernoulli). En nuestro caso, al ser un gas, si se acelera mucho, este llega a la velocidad del sonido y se produce un curioso fenómeno que, tras la onda de choque se invierte el comportamiento del fluido; es decir, si aumentamos la sección, el gas se acelera aún más. Curioso ¿no? Entonces, en la parte más estrecha (llamada garganta o Throat del inglés) se mantiene la onda de choque. Antes de llegar a la garganta tenemos un fluido subsónico y después de la garganta tenemos un fluido supersónico llegando a alcanzar varias veces la velocidad del sonido a la salida de la tobera sin casi presión. Lo curioso de todo esto, no es tanto que alcanzamos varias veces la velocidad del sonido sin necesidad de ninguna hélice o compresor, sino que es una estructura muy estable. Si la presión dentro de la cámara de combustión oscila, la onda de choque tiende a permanecer en la garganta siempre y cuando la presión de la cámara de combustión sea suficiente como para que se alcance el estallido sónico. Luego por el principio de acción-reacción que nos enuncia la tercera ley de Newton, junto con un buen diseño de tobera fabricada en nuestro caso por Mecanitzats PARES, se produce el empuje necesario. En la figura anterior podemos ver el motor L4 que lleva la primera etapa del WikiLauncher, el cohete que pondrá en órbita el pequeño satélite WikiSat.

Este prototipo de motor pesa solo 9 gramos y es capaz de hacer más de 4 kilogramos de empuje. Pertenece a la categoría L al tener un impulso total de más de 3 kilonewtons segundo. No tiene ninguna pieza móvil y convierte la presión de combustión en empuje puro. Veamos cómo funciona. En la siguiente figura se puede observar el detalle de la cámara de combustión que a la vez hace de depósito de combustible. Obsérvese el sencillo ensamblaje del motor dentro del depósito sin tornillos ni juntas.

Detalle del depósito de combustible 

En el interior de este bote de spray, hay un cilindro muy duro de combustible sólido. Se trata de un combustible parecido al APCP (Ammonium Perchlorate Composite Propellant) que contiene aluminio en polvo como combustible, perclorato de amonio como oxidante y algunos aditivos para aumentar la velocidad de quemado. Recuerda que en el espacio no hay oxígeno y debemos llevar a cuestas tanto el combustible como el oxidante. La forma de quemar de este bloque es como si fuera un cigarro quemando de un extremo al otro. Al quemar dentro del recipiente, los gases se acumulan en la cámara de combustión, la presión aumenta y al tener la tobera una garganta tan pequeña, se aceleran y se alcanza el estallido sónico en ella. La tobera empieza a funcionar manteniéndose más o menos estable la presión y por lo tanto el empuje. Los combustibles sólidos tienen en general menos impulso específico que los combustibles líquidos pero como puedes observar, son tremendamente sencillos. Además el APCP es un material seguro pues es como una piedra y necesita alcanzar más de 300 ºC para autoencenderse; eso sí, una vez que empieza, nadie lo para. Esta es otra desventaja de los motores de combustible sólido que son más difíciles de controlar.

Llama de escape del motor L4 durante las pruebas de quemado

El motor L4 aún es un prototipo desarrollado en España por la UPC y necesita pulir muchos aspectos pero de momento ha sido probado tal y como muestra la imagen de la foto anterior en una cantera, no en vuelo. Puedes ver vídeos de algunas pruebas aquí. La llama se parece mucho a las generadas en la simulación numérica que hemos obtenido con el programa Solid Works con el módulo de Fluido supersónico de CFD (Computational Fluid Dynamics).

Mejora en los materiales, no en la química

Pero el reto, cuando de combustibles sólidos se trata, no reside en fabricar un motor tan ligero sino en fabricar una cámara de combustión ligera. Y esta es la mayor desventaja de los motores con combustibles sólidos respecto a los combustibles líquidos pues estos últimos permiten hacer depósitos muy ligeros, mientras que en los primeros, los depósitos deben soportar no solo altas presiones sino altas temperaturas. Una vez más hablamos de mejora en materiales, no en procesos químicos.

Recordemos que en el mundo del acceso al espacio "low-cost" no buscamos únicamente motores eficientes sino sencillos, baratos, accesibles a la industria y suficientemente buenos como para alcanzar nuestros objetivos. Al final, tal y como planteábamos en otro artículo, necesitamos bajar todo lo posible la masa de la estructura respecto de la masa del combustible. El motor de la figura usa un recipiente que, junto con el motor y otros materiales pesa unos 200 gramos. En este prototipo de motor caben 1,7 kilogramos de APCP lo que permite alcanzar una fracción en masa de combustible de cerca de 89 %. Los motores de cohete amateurs a la venta están en el orden de 20 % y 50 % los mejores; cuanto más alto sea este valor, más pequeño será el cohete necesario para llegar al espacio. Pero ¿cómo arrancamos el motor?

Joshua Tristancho Martínez
Joshua Tristancho Martínez

Profesor de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Responsable del programa de espacio para femto-satélites y mini-lanzaderas en Team FREDNET y WikiSat.  Ingeniero Técnico Aeronáutico, esp. Aeronavegación, y Master in Aerospace Science and Technology por la UPC.

Sobre este blog

El creciente desarrollo que la tecnología experimenta en el sector aeroespacial hace que cada vez sea más barato el acceso al espacio. El uso de femto-satélites (menos de 100 gramos) con plena capacidad de comunicación y control, nos permitirá usar micro-lanzaderas (menos de 100 kg) de bajo coste para ponerlos en órbitas LEO (Low Earth Orbit).

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