Tipos actuales de Motores de Cohetes

Tipos actuales de Motores Cohete

A.- Introducción
B.- Introducción a la propulsión espacial
1.- Motores cohete químicos
     - Motores cohete de propulsante sólido
     - Motores cohete de propulsante líquido
     - Motores cohete híbridos
2.- Motores cohete termonucleares
3.- Motores cohete eléctricos
     - Motores cohete termoeléctricos
          • Resistojet
          • Motor de arco eléctrico (Arcjet)
     - Motores cohete electrostáticos (Aceleradores de iones)
     - Motores cohete electromagnéticos (Aceleradores de plasma)
          • Aceleradores estacionarios (SPT)
          • Acelerador magnetoplasmadinámico de efecto Hall (Hall thruster)
          • Acelerador magnetoplasmadinámico de arco eléctrico (MPD arcjet)
          • Aceleradores electromagnéticos pulsantes (PPT)
C.- Conclusión
D.- Bibliografia
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A.- Introducción
Cada vez más están tomando protagonismo tipos de propulsión que no responden a la tradicional configuración de cohetes que estamos acostumbrados a ver. Aunque términos como aceleradores de iones o motor de plasma puede que nos resulten familiares, es fácil tener una idea errónea de en qué consisten realmente. En este artículo pretendemos hacer un repaso a los diferentes conceptos de propulsión espacial que están ahora mismo en funcionamiento o en desarrollo. Intentaremos no entrar en muchos detalles técnicos, y hacerlo en un lenguaje lo mas sencillo posible.
B.- Introducción a la propulsión espacialDos son los efectos que producen la aceleración de cualquier tipo de motor cohete. Uno es el intercambio de cantidad de movimiento entre los gases expulsados y la nave (principio de conservación de la cantidad de movimiento para todo sistema aislado), y el otro son las fuerzas de presión que se producen en la sección de salida de la tobera. La justificación a este afirmación se encuentra en la fórmula mostrada en el apéndice matemático, al final del artículo.
Sin embargo, para poder comparar distintos tipos de propulsión entre sí, surgen una serie de variables de más fácil uso que las fuerzas o las velocidades. Una de las más importantes es el Impulso Específico (Isp), que da una medida de la eficiencia del gasto de propulsante. Esto es, para un mismo gasto, a mayor Isp, mayor empuje obtenemos.
Así, tras esta primera aproximación a la física del problema, vamos a descender a niveles más descriptivos. El proceso que ocurre dentro de un motor cohete es parecido al caso siguiente. Si tomamos una botella de refresco (gaseoso, claro), la cerramos y la agitamos, al abrirla saldrá un flujo de gas (un gasto másico) determinado. ¿Qué hemos hecho? Mediante el aporte de una energía exterior (la agitación) hemos “extraído” parte de la energía química que contenía el líquido (gracias al gas disuelto), y hemos aumentado su presión (y, de manera menos perceptible, su temperatura). Así, al abrir la botella, la diferencia de presión existente en la sección de salida de la tobera (el cuello de la misma) hace que el gas salga disparado hacia afuera. Este proceso produce en la botella un empuje en dirección contraria a la de la salida de gases, en este caso imperceptible. Para que este empuje sea considerable, necesitamos o una diferencia de presión altísima o una cantidad de movimiento de los gases de salida muy alta. La cantidad de movimiento es el producto de la masa por la velocidad; esto quiere decir que si eyectamos muy poca masa, necesitaremos velocidades altísimas para conseguir un determinado nivel de empuje. Cuanto más masa eyectemos (mayor gasto de propulsante), menos velocidad. Aquí radica el caballo de batalla de las nuevas generaciones de propulsores.
1.-Motores cohete químicos
Estos son los cohetes “clásicos”. En ellos, como en el ejemplo de la botella de refresco, lo que hacemos es convertir una energía química que posee el propulsante en energía térmica, mediante una reacción química.
oMotores cohete de propulsante sólido
A este tipo pertenece el clásico cohete de pólvora que ya usaban los chinos hace siglos. En ellos se almacena el propulsante en estado sólido, y se induce una reacción cuyo frente avanza por el mismo, gasificando el propulsante a su paso. Este gas, a alta presión y temperatura, escapa de la cámara de combustión por la tobera a velocidades supersónicas.

Es probablemente el más fácil modelo de motor cohete, pero presenta serios inconvenientes. Sus características propulsivas son inferiores a las de los motores de propulsante líquido, y tienen un limitado tiempo de operación, pues no se encuentra refrigerada ni la cámara de combustión ni la tobera (como contraejemplo veremos los de propulsante líquido). Sin embargo, uno de los inconvenientes más serios es el control del empuje. Mediante un aporte energético (la típica mecha), provocamos el inicio de la reacción química en la base del propulsante, y esta comenzará a “trepar” por él mismo, dejándolo en estado gaseoso tras de sí. Pero, una vez comenzada, esta reacción es incontrolable. No podemos actuar sobre el desarrollo de la misma (al menos no fácilmente), y tenemos que limitarnos a diseñar configuraciones de la célula de combustible sólido que nos de la ley de empuje que requiramos. Este tipo de motores son los que usan los misiles aire-aire de los aviones (Sidewinder, Amraam...). En el dibujo a continuación vemos distintas secciones transversales de la célula sólida de combustible, con su correspondiente curva de empuje a lo largo del tiempo de operación. 

Motores cohete de propulsante líquido

Este tipo consiguió una mejora sustancial respecto a los anteriores. Es el más usado, y hasta ahora no encuentran oposición cuando queremos un empuje máximo (por ejemplo, los motores del Shuttle para escapar del campo gravitatorio terrestre). Sin embargo, en aplicaciones espaciales, están seriamente amenazados por las nuevas generaciones de motores iónicos y de plasma. Normalmente son de tipo bipropulsante, teniendo que almacenar dos líquidos que al juntarse en la cámara de combustión reaccionarán entre sí. Esta reacción suele ser una típica RedOx (Reducción-Oxidación) muy violenta, que provoca un escape de gases a altísima velocidad. Estos propulsantes deben ser presurizados antes de entrar en contacto en la cámara de combustión, para conseguir aumentar el gasto circulante, y aquí se presenta la primera clasificación de los mismos. Así, se llamarán de Ciclo Cerrado (o combustión escalonada), si un sangrado de estos propulsantes se encarga de mover la turbina de presurización para después ser inyectado él mismo también en la cámara de combustión, o de Ciclo Abierto (o generador de gas), si este sangrado, tras la turbina, es eyectado directamente en una tobera auxiliar.

Uno de los propulsantes (normalmente el reductor), antes de llegar a la cámara de combustión, recorre un circuito que pasa por dentro de las paredes de la tobera y de la cámara de combustión, con objeto de refrigerarlas. Esto produce un sustancial aumento de las posibles temperaturas de trabajo, con la consiguiente mejora de actuaciones. El más grave inconveniente de los motores de propulsante sólido es aquí fácilmente tratable, y es el control del empuje. Simplemente regulamos el paso del gasto másico a la cámara.

Los propulsantes mas usados son: 

Para motores bipropulsantes: 

• Oxígeno líquido y keroseno. 
• Hidrógeno líquido y N2O4/UDMH (dimetil hidracina asimétrica). 
• Para monopropulsantes se usa la hidracina casi exclusivamente. Con aporte de calor se descompone, formando el gas a alta presión y temperatura requerido para la eyección a través de la tobera. Una vez arrancada la reacción de descomposición, la temperatura de la cámara se encarga de descomponer el gasto aportado, con lo que el ciclo es totalmente autosostenido.

Motores cohete híbridos

Este tipo intenta aprovechar las ventajas de ambos tipos. Los propulsantes usados en combustibles líquidos suelen ser peligrosos de manipular y almacenar, por lo que tener algún componente en estado sólido mejora este aspecto, así como facilita sensiblemente el diseño de los subsistemas del motor. Normalmente encontramos el oxidante en estado líquido.

2.-Motores cohete termonucleares Este tipo de motor, al menos en su formulación ideal, requiere una tecnología que aún no podemos producir: La fusión nuclear. Así, consistiría en calentar un propulsante (deseablemente hidrógeno, barato y de fácil manejo) en un reactor nuclear de fusión. Durante la guerra fría se estuvo trabajando en un diseño “sucio” que incluía un reactor de fisión, el proyecto Orión, pero se abandonó. El modo en que operaba era simple: Se efectuaban una serie de detonaciones nucleares en lo que sería la parte inferior de la nave, provocando la consiguiente onda expansiva. Entre la parte superior de la nave y la cámara de detonación se colocaba un escudo de protección, que al absorber la onda de choque incidente propulsaba la nave en esa dirección. No se llegaron a realizar ensayos con cargas atómicas, limitándose a cargas convencionales. Sin embargo, los resultados prometían ser realmente impresionantes. La perspectiva de los ingentes niveles de empuje que conseguiríamos está haciendo al sector espacial replantearse su posible vuelta a las mesas de diseño.

3.-Motores cohete eléctricosEn este caso la energía eléctrica se usa para calentar y/o para acelerar el propulsante. Esto requiere una elevada potencia eléctrica, motivo por el cual ha habido que esperar hasta el desarrollo de la última (hasta ahora) generación de paneles solares y de sistemas de almacenamiento y generación de energía para empezar a ver los desarrollos comercialmente viables en este campo.

Motores cohete termoeléctricos

En ellos la energía eléctrica se utiliza únicamente para calentar el propulsante. Existen dos tipos:

- Resistojet: La idea es realmente simple. Usamos una resistencia eléctrica en la cámara de combustión para calentar el gas que llega a la misma. Así conseguimos el aumento de presión y temperatura necesario para que el gas salga eyectado por la tobera. Estos sistemas se caracterizan por unas potencias moderadas, bajo Isp y un elevado rendimiento.

- Motor de arco eléctrico (Arcjet): Aquí sustituimos la resistencia de la cámara de combustión por un sistema ánodo-cátodo (normalmente de geometría anular), en los que crearemos una elevada diferencia de potencial. Así conseguimos una descarga entre los electrodos, formando un arco eléctrico (el típico chispazo que da un enchufe, o el rayo que se forma en una tormenta entre una nube y la tierra) que calienta brutalmente el gas, llegando a formar un auténtico plasma cerca del mismo (no confundir con los aceleradores de plasma, que veremos más adelante). Se caracterizan por poseer moderados Isp y bajo rendimiento (en torno al 35%).

Motores cohete electrostáticos (Aceleradores de iones)

Los primeros ensayos de este tipo de propulsión se remontan a 1964, donde se consiguió su primer vuelo balístico. La poca potencia eléctrica en los satélites tradicionalmente imposibilitó el desarrollo de los mismos hasta ahora. Suponen un elevado ahorro de propulsante y la posibilidad de un uso continuado, frente al tradicional uso de los motores de propulsante líquidos, que funcionaban a base de impulsos muy fuertes. Esto produjo un replanteamiento del uso mismo de las ecuaciones de la mecánica orbital, pues el aumento de velocidad se hacía lenta pero constantemente, llegando a valores que a la larga eran muy superiores a los tradicionales “impulsos” puntuales.

La idea es la siguiente: Partimos de un propulsante gaseoso, a cuyos átomos sometemos a un proceso de ionización. Este consiste en que tras el aporte de una determinada cantidad de energía (la energía de ionización del mismo, característica de cada elemento), cada átomo se desprende de un electrón, quedando cargado positivamente. Aprovechándonos de la propiedad de que toda carga eléctrica sufre una aceleración en presencia de un campo eléctrico, creamos este campo en el que “sumergimos” el gas (de signo eléctrico positivo). Sus moléculas reaccionan, pues, por el mismo, y un adecuado diseño del campo produce el escape del gas en la dirección de la tobera.
El subsistema más característico de este tipo de motores es el neutralizador. Este responde ante la necesidad de solventar el problema siguiente: Si de una nave eléctricamente neutra eyectamos un chorro eléctricamente positivo, la nave se nos va cargando negativamente (pues estamos ante un sistema aislado, y la carga macroscópica global debe seguir siendo nula). Así, cuando la carga eléctrica de la nave (que irá aumentando negativamente a medida que se expulsa gas ionizado) sea suficientemente grande, este campo eléctrico atraerá al chorro que pretendemos eyectar, con lo que este se abrirá como un abanico y se lanzará contra la nave. Con esto, además de poder dañar los equipos de la nave con la carga eléctrica negativa que va adquiriendo, perdemos el efecto propulsante del motor. El neutralizador se encargará, por tanto, de inyectar la cantidad suficiente de electrones al chorro de descarga, justo en su sección de salida, para que este flujo que arrojamos al espacio sea eléctricamente neutro.
Sin entrar en detalles, diremos que los distintos tipos se clasifican típicamente por la forma en que consiguen la ionización del gas, siendo estos de ionización por bombardeo, ionización por contacto y de generación de partículas coloidales cargadas.
Los propulsantes típicos son los que poseen bajas energías de ionización (más fácilmente ionizables), como el Cesio, el Mercurio, el Argón y el Xenón.
Un caso particular de motores de iones que se está desarrollando en la actualidad son los FEEP (Field-effect electrostatic propulsion). Su particularidad consiste en que se basan en la extracción de iones individuales de una superficie metálica en la que existen campos eléctricos elevados. Usan como propulsante el Cesio y, como en el caso de los PPT que veremos a continuación, su bajo impulso los hace factibles para maniobras pequeñas como correcciones de órbitas NSSK-EWSK (North-South Station-Keeping y East-West Station-Keeping, respectivamente).
Motores cohete electromagnéticos (Aceleradores de plasma) Aquí también vamos a “manipular” el gas que usaremos de propulsante. Sin embargo, en vez de crear una corriente intrínsecamente cargada, como el gas ionizado del apartado anterior, vamos a llevar este gas al estado de plasma, que es macroscópicamente neutro. Recordemos que, a grosso modo, el plasma es el estado en que la temperatura de la materia es tan alta que las fuerzas de cohesión de los propios átomos no son suficiente para mantenerlos unidos, y se forma un mar de electrones, protones y neutrones desordenados. Una vez obtenido este estado (que si bien es neutro es un excelente conductor), creamos en su interior unas corrientes eléctricas. Las ecuaciones de Maxwell nos dicen que un campo eléctrico interacciona en presencia de uno magnético perpendicularmente al mismo, por lo que no queda más que crear este campo magnético de manera que la dirección de reacción de las corrientes eléctricas vaya en la dirección que nos interese, arrastrando al plasma en que están inmersas.
Una primera diferenciación está en si este campo magnético lo creamos desde el exterior, bien con unos electroimanes, unos imanes permanentes o unos solenoides, o bien están producidas por el mismo campo eléctrico dentro del plasma, lo que requiere un cuidadoso diseño de la geometría de la cámara. Esta propulsión genera altos impulsos específicos y, lo que es más importante, altos gastos por unidad de área.
Típicamente se clasifican en dos grandes grupos:
- Aceleradores estacionarios (SPT):• Acelerador magnetoplasmadinámico de efecto Hall (Hall thruster). Son más ligeros y compactos que los aceleradores de iones, aunque algo peores en Isp y en rendimiento. El campo magnético es externo, normalmente creado por unos solenoides. Gracias al mismo se confina un flujo electrónico en el canal anular existente entre el cátodo y el ánodo, contra el que impactará el gas emergente, formando el deseado chorro iónico. Usan gases nobles (Xe, Kr, Ar) como propulsantes. Sus beneficios son tiempos de funcionamiento elevados y rendimientos moderadamente altos. Es el usado en la misión europea SMART-1.
• Acelerador magnetoplasmadinámico de arco eléctrico (MPD arcjet). Se encuentra en un estado muy temprano de desarrollo. Crea unos arcos eléctricos en el plasma que inducirían el campo magnético. Se postulan como propulsantes el hidrógeno, los gases nobles y el litio.
- Aceleradores electromagnéticos pulsantes (PPT):
El concepto parte de tener un propulsante en estado sólido (teflón), y, mediante un arco eléctrico, vaporizar una fina película del mismo. Este arco se crea intermitentemente con la carga y brusca descarga de un condensador, consiguiendo un flujo de plasma muy controlado. A esta aplicación se la denomina típicamente micropropulsión, pues son motores de muy alta precisión y bajo empuje, que pueden operar con muchos pulsos por segundo. El campo magnético es autoinducido por el arco eléctrico. Sus características los hacen idóneos para el control de actitud de satélites.
C.- Conclusión
El futuro de la navegación espacial está más abierto e interesante que nunca. Con muchos campos todavía por explorar, aún no está muy claro cuales serán las posibilidades reales de la raza humana en su expansión por el espacio. Sin duda, los próximos años marcarán un punto de inflexión. Los sucesivos estudios de física cuántica nos darán la clave de si puede llegar a ser posible un diseño de motor fotónico (o incluso de antimateria), o si quedara como una curiosidad de ciencia ficción. Sin embargo, si comparamos los motores iónicos de la ciencia ficción con los proyectos reales que hay ahora mismo en funcionamiento, nos damos cuenta de que quizá la navegación en el futuro se parezca muy poco a lo que podamos imaginar. Quién sabe, a lo mejor las bases ya estén sentadas y tan sólo hay que mirar en la dirección correcta.
D.- Bibliografia
- Motores cohete, J.J. Salvá Monfort. Publicaciones de la E.T.S.I.Aeronáuticos. Madrid, Septiembre 2003.
- Propulsión eléctrica: El motor Hall, Pablo Martínez Cerezo. UPM, Madrid. Junio 2001.