2. Conceptos Básicos

Propulsión Espacial

Dr. Daniel Portnoy Consultech Colombia IL SAS, CEO

Resumen

El artículo explica en forma didáctica que es la propulsión espacial, cuál es su principio y cuáles son las posibilidades, desde el lanzamiento hasta el uso del sistema de propulsión por parte del satélite o la nave espacial, en su misión espacial.

El trabajo comienza con una explicación sencilla, como el uso de cohetes de presión con agua, forma de propulsión simple que cualquier educador puede construir y culmina con los más adelantados motores a propulsión que son hoy tecnologías de punta (state-of-th-art) en propulsión como los motores iónicos. En todos los motores cohetes, que es la forma de propulsión espacial, existen elementos en común: propelentes, cámara donde se genera la presión y tobera de salida, por donde se expulsan los resultados de la cámara, por lo general llamada “cámara de combustión”. Lo que diferencia de un motor a otro es el proceso que se genera en la cámara y los resultados de ese proceso que contribuye a la propulsión.

Palabras clave: propelente, reacción, combustión, impulso específico

Abstract

The article explains in a didactic way what space propulsion is, what is the principle and which are the possibilities, from launch to the use of propulsion system by the satellite or spacecraft, in space mission. The work begins with a simple explanation, such as the use of pressure rockets with water, a simple form of propulsion that any educator can build and culminates with the most advanced propulsion engines are today state-of-the-art propulsion technologies, like ion engines. In all rocket engines, which is the form of space propulsion, there are common elements: propellants, the cham-

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ber where the pressure is generated, and the outlet nozzle, where results are expelled from the chamber, generally called the “combustion chamber”. What differentiates from one engine to another is the process generated in the chamber and the results of that process contributes to propulsion.

Keywords: propellant, reaction, combustion, specific impulse

1. Introducción

Tanto en los lanzamientos como en el espacio, los lanzadores como los satélites utilizan cohetes como medios de propulsión. Esto es debido a que a diferencia de los aviones modernos – los cuales se impulsan por medio de motores a reacción que utilizan el aire de la atmósfera para producir la combustión y la energía necesaria para impulsarse – en el espacio existe el vacío, por lo que cada satélite lleva en sí mismo todos los elementos para producir su propia propulsión. Si bien los satélites son lanzados por medio de cohetes, que al despegue están sobre la tierra, rodeados de atmósfera que podría ser aprovechada como en los aviones, varios segundos después del lanzamiento los vectores lanzadores se encuentran en una atmósfera tan tenue que hace la combustión ineficiente.

La propulsión se basa en la segunda ley de Newton, cuando consideramos un cuerpo de masa variable. Un ejemplo claro de este principio es un globo inflado que se libera: el aire a presión dentro del globo es expedido por el orificio, por el cual fue introducido, a una velocidad que depende de la presión dentro del globo; y el globo avanza en sentido contrario. En ausencia de fuerzas externas se dice que existe una conservación del momento o cantidad de movimiento de todo el sistema: aire y globo. Se suele atribuir a este movimiento, globo y aire, a la tercera ley de Newton: acción y reacción.

En los cohetes, la energía de la propulsión proviene de una reacción química que se produce en la cámara de combustión. Por lo general los componentes o propelentes de esta reacción son dos: combustible y oxidante. Tanto en los lanzadores como en los satélites estos dos componentes están almacenados por lo general en depósitos separados, en forma líquida. Si se quiere obtener una propulsión, se hacen fluir los dos componentes en forma controlada a la cámara de combustión para obtener una reacción. Existen varios tipos de motores de propulsión en el espacio, entre los más comunes: mono-propelentes (ya que no utiliza oxidante) y bi-propelentes (combustible y oxidante). A veces al combustible se le llama propelente.

El propelente y oxidante reaccionan de tal manera que la temperatura en la cámara de combustión aumenta, los resultados de la reacción de los líquidos es

un gas a gran temperatura y presión. El gas que se encuentra a alta presión es liberado por la tobera del motor, siendo la fuerza de empuje del motor proporcional a la velocidad de escape de los gases por la tobera. Como en el caso del globo, el vehículo que está fijo al motor avanza junto con éste en sentido contrario al sentido de la velocidad de los gases.

El ejemplo más sencillo y básico de un motor cohete es una botella de agua a la que se le introduce presión por medio de una bomba, como se muestra en la Figura 1.1 y Figura 1.2.

La Figura 1.1 muestra una botella invertida con agua (cámara de presión o cámara de combustión). Con una bomba se introduce aire y se aumenta la presión dentro de la botella. En la Figura 1.2 vemos que en el momento que la fuerza de la presión en la botella, es mayor que la fuerza de rozamiento que mantiene a la botella unida a la entrada de la bomba, la botella sale lanzada hacia el espacio.

En este caso el cohete es mono-propelente (agua) y también los resultados de la cámara es agua que deja la botella que es impulsada en sentido contrario.

Este es el principio del cohete que es explicado más adelante.

La Figura 1.3 y 1.4 muestran esquemas de motores cohetes más avanzados: bi-propelente líquidos y mono-propelente sólido.

Figura 1.1 Introduciendo presión con una bomba a la botella

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Figura 1.2 Lanzamiento exitoso de la botella

Figura 1.3 Motor bi‐propelente líquido

Fuente: [1]

Figura 1.4 Motor mono‐propelente sólido

Fuente: [2]

El Capítulo 2 explicara varios conceptos básicos, el principio físico del empuje y varias definiciones utilizadas en ingeniería. El Capítulo 3 explicará porque los vectores lanzadores tienen varias etapas. El Capítulo 4 los distintos tipos de cohetes usados, tanto para los lanzamientos como en el espacio y sus usos.

2. Conceptos Básicos

2.1 Ecuación de Empuje Dado un cuerpo de masa M (por ejemplo, un cohete) que se desplaza con velocidad V, según se mide de un sistema inercial de referencia, de este cuerpo se desprende un incremental de masa ∆m con una velocidad U según se mide desde el mismo sistema de referencia. ¿Cuál será la fuerza de empuje que recibe el cohete? Aunque el problema es del tipo vectorial, supongamos el movimiento en una dirección para hacerlo del tipo escalar. La Figura 2.1 y 2.2 muestran la pérdida de masa de un cohete.

Figura 2.1 Cohete de masa M con velocidad V

Fuente: Autor.

Figura 2.2 Del cohete se desprende masa ∆M con velocidad U

Fuente: Autor.

Desde el sistema inercial, antes de la separación, la cantidad de movimiento

es:

Pi = MV (2.1)

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