Un cohete (del italiano : rocchetto , literalmente 'bobina/carrete') [nb 1] [1] es un vehículo que utiliza propulsión a chorro para acelerar sin utilizar el aire circundante . Un motor de cohete produce empuje por reacción a los gases de escape expulsados a alta velocidad. [2] Los motores de cohetes funcionan enteramente con propulsor transportado dentro del vehículo; por tanto, un cohete puede volar en el vacío del espacio. Los cohetes funcionan más eficientemente en el vacío y sufren una pérdida de empuje debido a la presión opuesta de la atmósfera.
Los cohetes multietapa son capaces de alcanzar una velocidad de escape de la Tierra y, por lo tanto, pueden alcanzar una altitud máxima ilimitada. En comparación con los motores que respiran aire , los cohetes son livianos y potentes y capaces de generar grandes aceleraciones . Para controlar su vuelo, los cohetes dependen del impulso , los perfiles aerodinámicos , los motores de reacción auxiliares , el empuje con estabilizadores , las ruedas de impulso , la desviación de la corriente de escape , el flujo de propulsor, el giro o la gravedad .
Los cohetes para usos militares y recreativos se remontan al menos a la China del siglo XIII . [3] No se produjo un uso científico, interplanetario e industrial significativo hasta el siglo XX, cuando los cohetes eran la tecnología habilitadora para la era espacial , incluido poner un pie en la Luna . Los cohetes se utilizan ahora para fuegos artificiales , misiles y otras armas , asientos eyectables , vehículos de lanzamiento de satélites artificiales , vuelos espaciales tripulados y exploración espacial .
Los cohetes químicos son el tipo más común de cohete de alta potencia y normalmente crean un escape de alta velocidad mediante la combustión de combustible con un oxidante . El propulsor almacenado puede ser un simple gas presurizado o un único combustible líquido que se disocia en presencia de un catalizador ( monopropelente ), dos líquidos que reaccionan espontáneamente al contacto ( propulsores hipergólicos ), dos líquidos que deben encenderse para reaccionar (como el queroseno ( RP1) y oxígeno líquido, utilizado en la mayoría de los cohetes de propulsor líquido ), una combinación sólida de combustible con oxidante ( combustible sólido ), o combustible sólido con oxidante líquido o gaseoso ( sistema propulsor híbrido ). Los cohetes químicos almacenan una gran cantidad de energía en una forma que se libera fácilmente y pueden ser muy peligrosos. Sin embargo, un diseño, pruebas, construcción y uso cuidadosos minimiza los riesgos. [ cita necesaria ]
En China, los cohetes propulsados por pólvora evolucionaron en la China medieval bajo la dinastía Song en el siglo XIII. También desarrollaron una forma temprana de lanzacohetes múltiple durante este tiempo. Los mongoles adoptaron la tecnología de cohetes china y la invención se extendió a través de las invasiones mongolas al Medio Oriente y Europa a mediados del siglo XIII. [4] Según Joseph Needham, la armada Song utilizó cohetes en un ejercicio militar que data de 1245. La propulsión de cohetes de combustión interna se menciona en una referencia a 1264, registrando que la "rata de tierra", un tipo de fuegos artificiales, había asustado la Emperatriz-Madre Gongsheng en una fiesta celebrada en su honor por su hijo el Emperador Lizong . [5] Posteriormente, los cohetes se incluyen en el tratado militar Huolongjing , también conocido como Manual del Dragón de Fuego, escrito por el oficial de artillería chino Jiao Yu a mediados del siglo XIV. Este texto menciona el primer cohete multietapa conocido , el "dragón de fuego que surge del agua" (Huo long chu shui), que se cree que fue utilizado por la marina china. [6]
Los cohetes medievales y modernos se utilizaron militarmente como armas incendiarias en los asedios . Entre 1270 y 1280, Hasan al-Rammah escribió al-furusiyyah wa al-manasib al-harbiyya ( El libro de la equitación militar y los ingeniosos artefactos bélicos ), que incluía 107 recetas de pólvora, 22 de ellas para cohetes. [7] [8] En Europa, Roger Bacon mencionó los petardos fabricados en varias partes del mundo en el Opus Majus de 1267. Entre 1280 y 1300, el Liber Ignium dio instrucciones para construir dispositivos similares a los petardos basándose en relatos de segunda mano. . [9] Konrad Kyeser describió los cohetes en su tratado militar Bellifortis alrededor de 1405. [10] Giovanni Fontana , un ingeniero de Padua , en 1420, creó figuras de animales propulsados por cohetes. [11] [12]
El nombre "cohete" proviene del italiano rocchetta , que significa "canilla" o "pequeño huso", dado por la similitud en forma con la bobina o carrete que se utiliza para sujetar el hilo de una rueca. Leonhard Fronsperger y Conrad Haas adoptaron el término italiano al alemán a mediados del siglo XVI; "cohete" aparece en inglés a principios del siglo XVII. [1] Artis Magnae Artilleriae pars prima , una importante obra moderna temprana sobre artillería de cohetes , de Casimir Siemienowicz , se imprimió por primera vez en Ámsterdam en 1650.
Los cohetes Mysore fueron los primeros cohetes con carcasa de hierro exitosos, desarrollados a finales del siglo XVIII en el Reino de Mysore (parte de la actual India) bajo el gobierno de Hyder Ali . [13]
El cohete Congreve fue un arma británica diseñada y desarrollada por Sir William Congreve en 1804. Este cohete se basó directamente en los cohetes Mysore, utilizó pólvora comprimida y se utilizó en las Guerras Napoleónicas . Eran los cohetes Congreve a los que se refería Francis Scott Key , cuando escribió sobre el "resplandor rojo de los cohetes" mientras estaba cautivo en un barco británico que asediaba Fort McHenry en 1814. [14] Juntas, las innovaciones británica y de Mysore aumentó el alcance efectivo de los cohetes militares de 100 a 2000 yardas (91 a 1829 m).
El primer tratamiento matemático de la dinámica de la propulsión de cohetes se debe a William Moore (1813). En 1814, Congreve publicó un libro en el que analizaba el uso de múltiples aparatos de lanzamiento de cohetes. [15] [16] En 1815, Alexander Dmitrievich Zasyadko construyó plataformas de lanzamiento de cohetes, que permitían disparar cohetes en salvas (6 cohetes a la vez), y dispositivos para colocar armas. William Hale en 1844 aumentó considerablemente la precisión de la artillería de cohetes. Edward Mounier Boxer mejoró aún más el cohete Congreve en 1865.
William Leitch propuso por primera vez el concepto de utilizar cohetes para permitir los vuelos espaciales tripulados en 1861. La descripción de los vuelos espaciales con cohetes de Leitch se proporcionó por primera vez en su ensayo de 1861 "Un viaje a través del espacio", que se publicó más tarde en su libro La gloria de Dios en los cielos (1862). [17] Konstantin Tsiolkovsky más tarde (en 1903) también concibió esta idea y desarrolló ampliamente un cuerpo de teoría que ha proporcionado la base para el desarrollo posterior de los vuelos espaciales.
El Royal Flying Corps británico diseñó un cohete guiado durante la Primera Guerra Mundial . Archibald Low declaró: "... en 1917, Experimental Works diseñó un cohete dirigido eléctricamente... Los experimentos con cohetes se llevaron a cabo bajo mis propias patentes con la ayuda del Cdr. Brock ". [18] La patente "Improvements in Rockets" se presentó en julio de 1918 pero no se publicó hasta febrero de 1923 por razones de seguridad. Los controles de disparo y guía pueden ser cableados o inalámbricos. El flujo del cohete de propulsión y guía salía de la capota deflectora situada en el morro.
En 1920, el profesor Robert Goddard de la Universidad Clark publicó mejoras propuestas para la tecnología de cohetes en Un método para alcanzar altitudes extremas . [19] En 1923, Hermann Oberth (1894-1989) publicó Die Rakete zu den Planetenräumen ( El cohete al espacio planetario ). Los cohetes modernos se originaron en 1926, cuando Goddard conectó una boquilla supersónica ( de Laval ) a una cámara de combustión de alta presión . Estas boquillas convierten el gas caliente de la cámara de combustión en un chorro de gas más frío, hipersónico y altamente dirigido, duplicando con creces el empuje y elevando la eficiencia del motor del 2 % al 64 %. [19] Su uso de propulsores líquidos en lugar de pólvora redujo considerablemente el peso y aumentó la eficacia de los cohetes.
En 1921, el laboratorio soviético de investigación y desarrollo Gas Dynamics Laboratory comenzó a desarrollar cohetes de propulsor sólido , lo que dio como resultado el primer lanzamiento en 1928, que voló aproximadamente 1.300 metros. [20] Estos cohetes se utilizaron en 1931 para el primer uso exitoso en el mundo de cohetes para el despegue de aviones asistidos por jet [21] y se convirtieron en los prototipos del lanzacohetes Katyusha , [22] que se utilizaron durante la Segunda Guerra Mundial .
En 1929 se estrenó la película alemana de ciencia ficción La mujer en la luna , de Fritz Lang . Mostró el uso de un cohete de múltiples etapas y también fue pionero en el concepto de una plataforma de lanzamiento de cohetes (un cohete colocado en posición vertical contra un edificio alto antes del lanzamiento que se coloca lentamente en su lugar) y el reloj de cuenta regresiva del lanzamiento de cohetes . [23] [24] El crítico de cine de The Guardian, Stephen Armstrong, afirma que Lang "creó la industria de los cohetes". [23] Lang se inspiró en el libro de 1923 The Rocket into Interplanetary Space de Hermann Oberth, quien se convirtió en el asesor científico de la película y más tarde en una figura importante en el equipo que desarrolló el cohete V-2. [25] Se pensaba que la película era tan realista que los nazis la prohibieron cuando llegaron al poder por temor a que revelara secretos sobre los cohetes V-2. [26]
En 1943 se inició en Alemania la producción del cohete V-2 . Fue diseñado por el Centro de Investigación del Ejército de Peenemünde con Wernher von Braun como director técnico. [27] El V-2 se convirtió en el primer objeto artificial en viajar al espacio al cruzar la línea de Kármán con el lanzamiento vertical de MW 18014 el 20 de junio de 1944. [28] Doug Millard, historiador espacial y curador de tecnología espacial en el Museo de Ciencias , Londres , donde se exhibe un V-2 en la sala de exposiciones principal, afirma: "El V-2 fue un salto cuántico de cambio tecnológico. Llegamos a la Luna utilizando la tecnología V-2, pero ésta fue una tecnología que se desarrolló con enormes avances". recursos, incluidos algunos particularmente sombríos. El programa V-2 fue enormemente costoso en términos de vidas, y los nazis utilizaron mano de obra esclava para fabricar estos cohetes". [29] Paralelamente al programa alemán de misiles guiados , los cohetes también se utilizaron en aviones , ya sea para ayudar al despegue horizontal ( RATO ), al despegue vertical ( Bachem Ba 349 "Natter") o para propulsarlos ( Me 163 , ver lista de misiles guiados de Alemania de la Segunda Guerra Mundial ). Los programas de cohetes de los aliados eran menos tecnológicos y dependían principalmente de misiles no guiados como el cohete soviético Katyusha en la función de artillería y el proyectil bazuca antitanque estadounidense . Estos utilizaban propulsores químicos sólidos.
Los estadounidenses capturaron a un gran número de científicos de cohetes alemanes , incluido Wernher von Braun, en 1945, y los llevaron a los Estados Unidos como parte de la Operación Paperclip . Después de la Segunda Guerra Mundial, los científicos utilizaron cohetes para estudiar las condiciones de gran altitud, mediante radiotelemetría de la temperatura y presión de la atmósfera, detección de rayos cósmicos y otras técnicas; Obsérvese también el Bell X-1 , el primer vehículo tripulado que rompió la barrera del sonido (1947). De forma independiente, en el programa espacial de la Unión Soviética la investigación continuó bajo la dirección del diseñador jefe Sergei Korolev (1907-1966).
Durante la Guerra Fría, los cohetes adquirieron extrema importancia militar con el desarrollo de los modernos misiles balísticos intercontinentales (ICBM). Los años 1960 vieron un rápido desarrollo de la tecnología de cohetes, particularmente en la Unión Soviética ( Vostok , Soyuz , Proton ) y en los Estados Unidos (por ejemplo, el X-15 ). Los cohetes comenzaron a utilizarse para la exploración espacial . Los programas tripulados estadounidenses ( Proyecto Mercury , Proyecto Gemini y más tarde el programa Apollo ) culminaron en 1969 con el primer aterrizaje tripulado en la Luna , utilizando equipos lanzados por el cohete Saturn V.
Los vehículos cohete a menudo se construyen con la arquetípica forma de "cohete" alto y delgado que despega verticalmente, pero en realidad hay muchos tipos diferentes de cohetes, entre ellos: [30]
El diseño de un cohete puede ser tan simple como un tubo de cartón lleno de pólvora negra , pero fabricar un cohete o misil eficiente y preciso implica superar una serie de problemas difíciles. Las principales dificultades incluyen enfriar la cámara de combustión, bombear el combustible (en el caso de un combustible líquido) y controlar y corregir la dirección del movimiento. [35]
Los cohetes constan de un propulsor , un lugar para colocar el propulsor (como un tanque de propulsor ) y una boquilla . También pueden tener uno o más motores de cohete , dispositivo(s) de estabilización direccional (como aletas , motores vernier o cardanes de motor para vectorización de empuje , giroscopios ) y una estructura (típicamente monocasco ) para mantener unidos estos componentes. Los cohetes destinados a un uso atmosférico de alta velocidad también tienen un carenado aerodinámico , como un cono de morro , que suele contener la carga útil. [36]
Además de estos componentes, los cohetes pueden tener muchos otros componentes, como alas ( aviones cohete ), paracaídas , ruedas ( coches cohete ) e incluso, en cierto sentido, una persona ( cinturón de cohetes ). Los vehículos suelen poseer sistemas de navegación y sistemas de guía que normalmente utilizan sistemas de navegación por satélite y de navegación inercial .
Los motores de cohetes emplean el principio de propulsión a chorro . [2] Los motores de cohetes que impulsan los cohetes vienen en una gran variedad de tipos diferentes; Puede encontrar una lista completa en el artículo principal, Motor de cohete . La mayoría de los cohetes actuales son cohetes propulsados químicamente (normalmente motores de combustión interna , [37] pero algunos emplean un monopropulsor en descomposición ) que emiten un gas de escape caliente . Un motor de cohete puede utilizar propulsores gaseosos, propulsores sólidos , propulsores líquidos o una mezcla híbrida de sólido y líquido . Algunos cohetes utilizan calor o presión que se suministra desde una fuente distinta a la reacción química del(los) propulsor(es), como los cohetes de vapor , los cohetes solares térmicos , los motores de cohetes térmicos nucleares o los cohetes presurizados simples como los cohetes de agua o los propulsores de gas frío . Con los propulsores de combustión se inicia una reacción química entre el combustible y el oxidante en la cámara de combustión , y los gases calientes resultantes aceleran hacia afuera de la tobera (o toberas ) del motor de cohete en el extremo del cohete que mira hacia atrás. La aceleración de estos gases a través del motor ejerce una fuerza ("empuje") sobre la cámara de combustión y la tobera, impulsando el vehículo (según la Tercera Ley de Newton ). En realidad, esto sucede porque la fuerza (presión multiplicada por el área) sobre la pared de la cámara de combustión está desequilibrada por la apertura de la boquilla; este no es el caso en ninguna otra dirección. La forma de la boquilla también genera fuerza al dirigir los gases de escape a lo largo del eje del cohete. [2]
El propulsor de cohete es una masa que se almacena, generalmente en algún tipo de tanque o carcasa de propulsor , antes de usarse como masa propulsora que se expulsa de un motor de cohete en forma de chorro de fluido para producir empuje . [2] Para los cohetes químicos a menudo los propulsores son un combustible como hidrógeno líquido o queroseno quemado con un oxidante como oxígeno líquido o ácido nítrico para producir grandes volúmenes de gas muy caliente. El comburente se mantiene separado y mezclado en la cámara de combustión o viene premezclado, como ocurre con los cohetes sólidos.
A veces, el propulsor no se quema, pero aun así sufre una reacción química y puede ser un "monopropulsor", como hidracina , óxido nitroso o peróxido de hidrógeno , que puede descomponerse catalíticamente en gas caliente.
Alternativamente, se puede utilizar un propulsor inerte que pueda calentarse externamente, como en los cohetes de vapor , los cohetes solares térmicos o los cohetes nucleares térmicos . [2]
Para cohetes más pequeños y de bajo rendimiento, como los propulsores de control de actitud, donde es menos necesario un alto rendimiento, se utiliza un fluido presurizado como propulsor que simplemente escapa de la nave espacial a través de una boquilla propulsora. [2]
El primer cohete de combustible líquido , construido por Robert H. Goddard , se diferenciaba significativamente de los cohetes modernos. El motor del cohete estaba en la parte superior y el tanque de combustible en la parte inferior del cohete, [38] basándose en la creencia de Goddard de que el cohete alcanzaría estabilidad "colgando" del motor como un péndulo en vuelo. [39] Sin embargo, el cohete se desvió de su rumbo y se estrelló a 184 pies (56 m) de distancia del sitio de lanzamiento , [40] lo que indica que el cohete no era más estable que uno con el motor del cohete en la base. [41]
Se deben utilizar cohetes u otros dispositivos de reacción similares que lleven su propio propulsor cuando no exista otra sustancia (tierra, agua o aire) o fuerza ( gravedad , magnetismo , luz ) que un vehículo pueda emplear útilmente para la propulsión, como en el espacio. En estas circunstancias, es necesario llevar todo el propulsor a utilizar.
Sin embargo, también son útiles en otras situaciones:
Algunas armas militares utilizan cohetes para impulsar ojivas hacia sus objetivos. Un cohete y su carga útil juntos generalmente se denominan misil cuando el arma tiene un sistema de guía (no todos los misiles usan motores de cohete, algunos usan otros motores como jets ) o cohete si no está guiado. Los misiles antitanques y antiaéreos utilizan motores de cohetes para atacar objetivos a alta velocidad a un alcance de varios kilómetros, mientras que los misiles balísticos intercontinentales pueden usarse para lanzar múltiples ojivas nucleares desde miles de kilómetros, y los misiles antibalísticos intentan detenerlos. . También se han probado cohetes para reconocimiento , como el cohete Ping-Pong , que se lanzó para vigilar objetivos enemigos; sin embargo, los cohetes de reconocimiento nunca han tenido un uso generalizado en el ejército.
Los cohetes sonoros se utilizan comúnmente para transportar instrumentos que toman lecturas desde 50 kilómetros (31 millas) a 1.500 kilómetros (930 millas) sobre la superficie de la Tierra. [42] Las primeras imágenes de la Tierra desde el espacio se obtuvieron desde un cohete V-2 en 1946 ( vuelo n.° 13 ). [43]
Los motores de cohetes también se utilizan para propulsar trineos cohete a lo largo de un riel a velocidades extremadamente altas. El récord mundial para esto es Mach 8,5. [44]
Los cohetes más grandes normalmente se lanzan desde una plataforma de lanzamiento que proporciona un soporte estable hasta unos segundos después de la ignición. Debido a su alta velocidad de escape (2.500 a 4.500 m/s (9.000 a 16.200 km/h; 5.600 a 10.100 mph), los cohetes son particularmente útiles cuando se requieren velocidades muy altas, como la velocidad orbital de aproximadamente 7.800 m/s (28.000 kilómetros por hora; 17.000 mph). Las naves espaciales colocadas en trayectorias orbitales se convierten en satélites artificiales que se utilizan para muchos fines comerciales. De hecho, los cohetes siguen siendo la única forma de poner naves espaciales en órbita y más allá. [45] También se utilizan para acelerar rápidamente las naves espaciales cuando cambian de órbita o salen de órbita para aterrizar . Además, se puede utilizar un cohete para suavizar un aterrizaje brusco en paracaídas inmediatamente antes del aterrizaje (ver retrocohete ).
Se utilizaron cohetes para propulsar una línea hasta un barco siniestrado, de modo que se pueda utilizar una boya Breeches para rescatar a las personas a bordo. Los cohetes también se utilizan para lanzar bengalas de emergencia .
Algunos cohetes tripulados, en particular el Saturn V [46] y el Soyuz , [47] tienen sistemas de escape de lanzamiento . Se trata de un cohete pequeño, generalmente sólido, que es capaz de alejar la cápsula tripulada del vehículo principal hacia un lugar seguro en cualquier momento. Este tipo de sistemas se han utilizado varias veces, tanto en pruebas como en vuelo, y siempre se han operado correctamente.
Este fue el caso cuando el Sistema de Garantía de Seguridad (nomenclatura soviética) retiró con éxito la cápsula L3 durante tres de los cuatro lanzamientos fallidos del cohete lunar soviético, los vehículos N1 3L, 5L y 7L . En los tres casos la cápsula, aunque no tripulada, se salvó de la destrucción. Sólo los tres cohetes N1 antes mencionados tenían sistemas de garantía de seguridad funcionales. El excelente vehículo, 6L , tenía etapas superiores ficticias y, por lo tanto, no tenía sistema de escape, lo que le dio al propulsor N1 una tasa de éxito del 100% para salir de un lanzamiento fallido. [48] [49] [50] [51]
Un escape exitoso de una cápsula tripulada se produjo cuando la Soyuz T-10 , en una misión a la estación espacial Salyut 7 , explotó en la plataforma. [52]
Los asientos eyectables propulsados por cohetes sólidos se utilizan en muchos aviones militares para alejar a la tripulación de un vehículo a un lugar seguro cuando se pierde el control del vuelo. [53]
Un modelo de cohete es un cohete pequeño diseñado para alcanzar altitudes bajas (por ejemplo, de 100 a 500 m (330 a 1640 pies) para el modelo de 30 g (1,1 oz)) y recuperarse mediante diversos medios.
Según el Código de Seguridad de la Asociación Nacional de Cohetes (nar) de los Estados Unidos, [54] los modelos de cohetes se construyen con papel, madera, plástico y otros materiales livianos. El código también proporciona pautas para el uso del motor, selección del sitio de lanzamiento, métodos de lanzamiento, ubicación del lanzador, diseño e implementación del sistema de recuperación y más. Desde principios de la década de 1960, se proporciona una copia del Código de seguridad de modelos de cohetes con la mayoría de los kits y motores de modelos de cohetes. A pesar de su asociación inherente con sustancias extremadamente inflamables y objetos con una punta puntiaguda que viajan a altas velocidades, los modelos de cohetes históricamente han demostrado [55] [56] ser un pasatiempo muy seguro y se les ha acreditado como una importante fuente de inspiración para los niños que eventualmente convertirse en científicos e ingenieros . [57]
Los aficionados construyen y vuelan una amplia variedad de modelos de cohetes. Muchas empresas producen kits y piezas de modelos de cohetes, pero debido a su simplicidad inherente, se sabe que algunos aficionados fabrican cohetes con casi cualquier cosa. Los cohetes también se utilizan en algunos tipos de fuegos artificiales profesionales y de consumo . Un cohete de agua es un tipo de modelo de cohete que utiliza agua como masa de reacción. El recipiente a presión (el motor del cohete) suele ser una botella de refresco de plástico usada. El agua es expulsada mediante un gas a presión, normalmente aire comprimido. Es un ejemplo de la tercera ley del movimiento de Newton.
La escala de los cohetes aficionados puede variar desde un pequeño cohete lanzado en el propio patio trasero hasta un cohete que llegó al espacio. [58] Los cohetes aficionados se dividen en tres categorías según el impulso total del motor : baja potencia, media potencia y alta potencia .
Los cohetes de peróxido de hidrógeno se utilizan para propulsar propulsores , [59] y se han utilizado para propulsar coches , y un coche cohete ostenta el récord de carreras de resistencia de todos los tiempos (aunque no oficial) . [60]
Corpulent Stump es el cohete no comercial más potente jamás lanzado con un motor Aerotech en el Reino Unido. [61] [62] [63]
Los lanzamientos de vuelos espaciales orbitales o al espacio interplanetario suelen realizarse desde un lugar fijo en la Tierra, pero también serían posibles desde un avión o un barco.
Las tecnologías de lanzamiento de cohetes incluyen el conjunto completo de sistemas necesarios para lanzar con éxito un vehículo, no solo el vehículo en sí, sino también los sistemas de control de disparo, el centro de control de la misión , la plataforma de lanzamiento , las estaciones terrestres y las estaciones de seguimiento necesarias para un lanzamiento o recuperación exitosos. ambos. A menudo se les denomina colectivamente " segmento terrestre ".
Los vehículos de lanzamiento orbital comúnmente despegan verticalmente y luego comienzan a inclinarse progresivamente, generalmente siguiendo una trayectoria de giro por gravedad .
Una vez por encima de la mayor parte de la atmósfera, el vehículo inclina el chorro del cohete, apuntándolo en gran medida horizontalmente pero algo hacia abajo, lo que permite al vehículo ganar y luego mantener altitud mientras aumenta la velocidad horizontal. A medida que aumenta la velocidad, el vehículo se irá volviendo cada vez más horizontal hasta que, a velocidad orbital, el motor se apagará.
Todos los vehículos actuales se ponen en etapa , es decir, desechan el hardware en el camino a la órbita. Aunque se han propuesto vehículos que podrían alcanzar la órbita sin necesidad de etapas, nunca se ha construido ninguno y, si estuvieran propulsados sólo por cohetes, las necesidades de combustible exponencialmente crecientes de dicho vehículo harían que su carga útil útil fuera pequeña o inexistente. La mayoría de los vehículos de lanzamiento actuales e históricos "gastan" su hardware desechado, generalmente permitiendo que se estrelle en el océano, pero algunos han recuperado y reutilizado el hardware desechado, ya sea mediante paracaídas o mediante aterrizaje propulsivo.
Al poner en órbita una nave espacial, un "" Dogleg " es un giro guiado y motorizado durante la fase de ascenso que hace que la trayectoria de vuelo de un cohete se desvíe de una trayectoria "recta". Un dogleg es necesario si el azimut de lanzamiento deseado, para alcanzar una inclinación orbital deseada, tomaría la trayectoria terrestre sobre la tierra. (o sobre un área poblada, por ejemplo, Rusia generalmente lanza sobre tierra, pero sobre áreas despobladas), o si el cohete está tratando de alcanzar un plano orbital que no alcanza la latitud del lugar de lanzamiento. Los Doglegs no son deseables debido al exceso a bordo. combustible requerido, lo que provoca una carga más pesada y una reducción del rendimiento del vehículo [64] [65] .
El escape de los cohetes genera una cantidad significativa de energía acústica. Cuando el escape supersónico choca con el aire ambiente, se forman ondas de choque . La intensidad del sonido de estas ondas de choque depende del tamaño del cohete y de la velocidad de escape. La intensidad del sonido de los cohetes grandes y de alto rendimiento podría potencialmente matar a corta distancia. [66]
El transbordador espacial generó 180 dB de ruido alrededor de su base. [67] Para combatir esto, la NASA desarrolló un sistema de supresión de sonido que puede hacer fluir agua a velocidades de hasta 900.000 galones por minuto (57 m 3 /s) hacia la plataforma de lanzamiento. El agua reduce el nivel de ruido de 180 dB a 142 dB (el requisito de diseño es 145 dB). [68] Sin el sistema de supresión de sonido, las ondas acústicas se reflejarían desde la plataforma de lanzamiento hacia el cohete, haciendo vibrar la sensible carga útil y la tripulación. Estas ondas acústicas pueden ser tan graves como para dañar o destruir el cohete.
El ruido generalmente es más intenso cuando un cohete está cerca del suelo, ya que el ruido de los motores se irradia hacia arriba desde el avión, además de reflejarse en el suelo. Este ruido se puede reducir un poco mediante zanjas con techos, inyectando agua alrededor del chorro y desviando el chorro en ángulo. [66]
Para los cohetes tripulados se utilizan varios métodos para reducir la intensidad del sonido para los pasajeros y, por lo general, la ubicación de los astronautas lejos de los motores del cohete ayuda significativamente. Para los pasajeros y la tripulación, cuando un vehículo se vuelve supersónico, el sonido se corta porque las ondas sonoras ya no pueden seguir el ritmo del vehículo. [66]
El efecto de la combustión del propulsor en el motor del cohete es aumentar la energía interna de los gases resultantes, utilizando la energía química almacenada en el combustible. [ cita necesaria ] A medida que aumenta la energía interna, aumenta la presión y se utiliza una boquilla para convertir esta energía en energía cinética dirigida. Esto produce un empuje contra el medio ambiente al que se liberan estos gases. [ cita necesaria ] La dirección ideal de movimiento del escape es en la dirección que genere empuje. En el extremo superior de la cámara de combustión, el fluido gaseoso energético y caliente no puede avanzar y, por lo tanto, empuja hacia arriba contra la parte superior de la cámara de combustión del motor de cohete . A medida que los gases de combustión se acercan a la salida de la cámara de combustión, aumentan su velocidad. El efecto de la parte convergente de la tobera del motor de cohete sobre el fluido a alta presión de los gases de combustión es hacer que los gases se aceleren a alta velocidad. Cuanto mayor es la velocidad de los gases, menor es la presión del gas ( principio de Bernoulli o conservación de la energía ) que actúa sobre esa parte de la cámara de combustión. En un motor correctamente diseñado, el flujo alcanzará Mach 1 en la garganta de la boquilla. En ese momento la velocidad del flujo aumenta. Más allá de la garganta de la boquilla, una parte de expansión del motor en forma de campana permite que los gases que se están expandiendo empujen contra esa parte del motor del cohete. De este modo, la parte en forma de campana de la boquilla proporciona un empuje adicional. Expresado de manera simple, por cada acción hay una reacción igual y opuesta, según la tercera ley de Newton con el resultado de que los gases salientes producen la reacción de una fuerza sobre el cohete provocando que acelere el cohete. [69] [nota 2]
En una cámara cerrada, las presiones son iguales en cada dirección y no se produce aceleración. Si se proporciona una abertura en el fondo de la cámara, entonces la presión ya no actúa sobre la sección que falta. Esta abertura permite que escape el escape. Las presiones restantes dan un empuje resultante en el lado opuesto a la abertura, y estas presiones son las que empujan el cohete.
La forma de la boquilla es importante. Considere un globo propulsado por aire que sale de una boquilla ahusada. En tal caso, la combinación de presión del aire y fricción viscosa es tal que la boquilla no empuja el globo sino que es arrastrada por él. [71] El uso de una boquilla convergente/divergente proporciona más fuerza ya que el escape también la presiona a medida que se expande hacia afuera, aproximadamente duplicando la fuerza total. Si se añade continuamente gas propulsor a la cámara, estas presiones se pueden mantener mientras quede propulsor. Tenga en cuenta que en el caso de los motores de propulsor líquido, las bombas que mueven el propulsor hacia la cámara de combustión deben mantener una presión mayor que la de la cámara de combustión, normalmente del orden de 100 atmósferas. [2]
Como efecto secundario, estas presiones sobre el cohete también actúan sobre los gases de escape en la dirección opuesta y aceleran estos gases de escape a velocidades muy altas (según la Tercera Ley de Newton ). [2] A partir del principio de conservación del impulso, la velocidad del escape de un cohete determina cuánto aumento de impulso se crea para una determinada cantidad de propulsor. A esto se le llama impulso específico del cohete . [2] Debido a que un cohete, el propulsor y el escape en vuelo, sin perturbaciones externas, pueden considerarse como un sistema cerrado, el impulso total es siempre constante. Por lo tanto, cuanto más rápida sea la velocidad neta del escape en una dirección, mayor será la velocidad que podrá alcanzar el cohete en la dirección opuesta. Esto es especialmente cierto porque la masa del cuerpo del cohete suele ser mucho menor que la masa total final del escape.
El estudio general de las fuerzas sobre un cohete forma parte del campo de la balística . Las naves espaciales se estudian más a fondo en el subcampo de la astrodinámica .
Los cohetes voladores se ven afectados principalmente por lo siguiente: [72]
Además, la inercia y la pseudofuerza centrífuga pueden ser importantes debido a la trayectoria del cohete alrededor del centro de un cuerpo celeste; cuando se alcanzan velocidades suficientemente altas en la dirección y altitud correctas, se obtiene una órbita estable o una velocidad de escape .
Estas fuerzas, con una cola estabilizadora (el empenaje ) presente, a menos que se realicen esfuerzos de control deliberados, causarán naturalmente que el vehículo siga una trayectoria aproximadamente parabólica denominada giro por gravedad , y esta trayectoria se usa a menudo al menos durante la parte inicial de un lanzamiento. (Esto es cierto incluso si el motor del cohete está montado en la nariz). De este modo, los vehículos pueden mantener un ángulo de ataque bajo o incluso nulo , lo que minimiza la tensión transversal en el vehículo de lanzamiento , permitiendo un vehículo de lanzamiento más débil y, por tanto, más ligero. [73] [74]
La resistencia es una fuerza opuesta a la dirección del movimiento del cohete en relación con el aire a través del cual se mueve. Esto reduce la velocidad del vehículo y produce cargas estructurales. Las fuerzas de desaceleración de cohetes que se mueven rápidamente se calculan mediante la ecuación de resistencia .
La resistencia se puede minimizar mediante un cono de nariz aerodinámico y utilizando una forma con un alto coeficiente balístico (la forma "clásica" de cohete, larga y delgada), y manteniendo el ángulo de ataque del cohete lo más bajo posible.
Durante un lanzamiento, a medida que aumenta la velocidad del vehículo y la atmósfera se adelgaza, hay un punto de máxima resistencia aerodinámica llamado Q máx . Esto determina la fuerza aerodinámica mínima del vehículo, ya que el cohete debe evitar pandearse bajo estas fuerzas. [75]
Un motor de cohete típico puede manejar una fracción significativa de su propia masa en propulsor cada segundo, y el propulsor sale de la boquilla a varios kilómetros por segundo. Esto significa que la relación empuje-peso de un motor de cohete, y a menudo de todo el vehículo, puede ser muy alta, en casos extremos superior a 100. Esto se compara con otros motores de propulsión a reacción que pueden superar 5 para algunos de los mejores [76] motores. [77]
El empuje neto de un cohete es
dónde
La velocidad efectiva de escape es más o menos la velocidad a la que el escape sale del vehículo y, en el vacío del espacio, la velocidad efectiva de escape es a menudo igual a la velocidad promedio real de escape a lo largo del eje de empuje. Sin embargo, la velocidad de escape efectiva permite diversas pérdidas y, en particular, se reduce cuando se opera dentro de una atmósfera.
La velocidad del flujo de propulsor a través de un motor de cohete a menudo se varía deliberadamente durante el vuelo, para proporcionar una manera de controlar el empuje y, por tanto, la velocidad del vehículo. Esto, por ejemplo, permite minimizar las pérdidas aerodinámicas [75] y puede limitar el aumento de las fuerzas g debido a la reducción de la carga propulsora.
El impulso se define como una fuerza que actúa sobre un objeto a lo largo del tiempo, que en ausencia de fuerzas opuestas (gravedad y resistencia aerodinámica), cambia el impulso (integral de masa y velocidad) del objeto. Como tal, es el mejor indicador de clase de rendimiento (masa de carga útil y capacidad de velocidad terminal) de un cohete, en lugar del empuje, la masa o la "potencia" de despegue. El impulso total de un cohete (etapa) quemando su propulsor es: [2] : 27
Cuando hay empuje fijo, esto es simplemente:
El impulso total de un cohete de varias etapas es la suma de los impulsos de las etapas individuales.
Como puede verse en la ecuación de empuje, la velocidad efectiva del escape controla la cantidad de empuje producido por una cantidad particular de combustible quemado por segundo.
Una medida equivalente, el impulso neto por unidad de peso de propulsor expulsado, se llama impulso específico , y esta es una de las cifras más importantes que describe el rendimiento de un cohete. Se define de manera que está relacionada con la velocidad efectiva de escape mediante:
dónde:
Así, cuanto mayor sea el impulso específico, mayor será el empuje neto y el rendimiento del motor. se determina midiendo mientras se prueba el motor. En la práctica, las velocidades efectivas de escape de los cohetes varían, pero pueden ser extremadamente altas, ~4500 m/s, aproximadamente 15 veces la velocidad del sonido en el aire a nivel del mar.
La capacidad delta-v de un cohete es el cambio total teórico de velocidad que un cohete puede lograr sin ninguna interferencia externa (sin resistencia del aire, gravedad u otras fuerzas).
Cuando es constante, el delta-v que puede proporcionar un vehículo cohete se puede calcular a partir de la ecuación del cohete Tsiolkovsky : [81]
dónde:
Cuando se lanzan desde la Tierra, la práctica delta-v para un solo cohete que transporta cargas útiles puede alcanzar varios kilómetros por segundo. Algunos diseños teóricos tienen cohetes con delta-vs de más de 9 km/s.
El delta-v requerido también se puede calcular para una maniobra particular; por ejemplo, el delta-v para lanzarse desde la superficie de la Tierra a la órbita terrestre baja es de unos 9,7 km/s, lo que deja al vehículo con una velocidad lateral de unos 7,8 km/s a una altitud de unos 200 km. En esta maniobra se pierden unos 1,9 km/s en resistencia del aire , resistencia por gravedad y ganancia de altitud .
La relación a veces se denomina relación de masa .
Casi toda la masa de un vehículo de lanzamiento se compone de propulsor. [82] La relación de masa es, para cualquier "quemado", la relación entre la masa inicial del cohete y su masa final. [83] En igualdad de condiciones, una relación de masa alta es deseable para un buen rendimiento, ya que indica que el cohete es liviano y por lo tanto funciona mejor, esencialmente por las mismas razones por las que es deseable un peso bajo en los autos deportivos.
Los cohetes como grupo tienen la relación empuje-peso más alta de cualquier tipo de motor; y esto ayuda a que los vehículos alcancen altos ratios de masa , lo que mejora el rendimiento de los vuelos. Cuanto mayor sea la relación, menos masa del motor será necesario transportar. Esto permite transportar aún más propulsor, mejorando enormemente el delta-v. Alternativamente, algunos cohetes, como los utilizados en escenarios de rescate o carreras, llevan relativamente poco propulsor y carga útil y, por lo tanto, solo necesitan una estructura liviana y, en cambio, logran altas aceleraciones. Por ejemplo, el sistema de escape Soyuz puede producir 20 g . [47]
Las relaciones de masa alcanzables dependen en gran medida de muchos factores, como el tipo de propulsor, el diseño del motor que utiliza el vehículo, los márgenes de seguridad estructural y las técnicas de construcción.
Las relaciones de masa más altas generalmente se logran con cohetes líquidos, y estos tipos generalmente se usan para vehículos de lanzamiento orbital , una situación que requiere un delta-v alto. Los propulsores líquidos generalmente tienen densidades similares a las del agua (con las notables excepciones del hidrógeno líquido y el metano líquido ), y estos tipos pueden usar tanques livianos de baja presión y, por lo general, hacen funcionar turbobombas de alto rendimiento para forzar el propulsor hacia la cámara de combustión.
Algunas fracciones de masa notables se encuentran en la siguiente tabla (se incluyen algunos aviones con fines comparativos):
Hasta ahora, ningún cohete ha alcanzado la velocidad requerida (delta-v) para alcanzar la órbita porque el propulsor , el tanque, la estructura, la guía , las válvulas y los motores, etc., toman un porcentaje mínimo particular de la masa de despegue que es demasiado grande para que el propulsor que lleva alcance ese delta-v con cargas útiles razonables. Dado que hasta ahora no se ha podido lograr la transición de una sola etapa a la órbita , los cohetes orbitales siempre tienen más de una etapa.
Por ejemplo, la primera etapa del Saturn V, que soportaba el peso de las etapas superiores, pudo alcanzar una relación de masas de aproximadamente 10 y logró un impulso específico de 263 segundos. Esto da un delta-v de alrededor de 5,9 km/s, mientras que se necesitan alrededor de 9,4 km/s delta-v para alcanzar la órbita con todas las pérdidas permitidas.
Este problema se resuelve frecuentemente mediante la puesta en escena : el cohete se desprende del exceso de peso (normalmente el tanque vacío y los motores asociados) durante el lanzamiento. La puesta en escena es en serie, donde los cohetes se encienden después de que la etapa anterior se ha caído, o en paralelo , donde los cohetes se queman juntos y luego se separan cuando se queman. [89]
Las velocidades máximas que se pueden alcanzar con la puesta en escena están teóricamente limitadas únicamente por la velocidad de la luz. Sin embargo, la carga útil que se puede transportar disminuye geométricamente con cada etapa adicional necesaria, mientras que el delta-v adicional para cada etapa es simplemente aditivo.
Según la segunda ley de Newton, la aceleración, , de un vehículo es simplemente:
donde m es la masa instantánea del vehículo y es la fuerza neta que actúa sobre el cohete (principalmente empuje, pero la resistencia del aire y otras fuerzas pueden influir).
A medida que disminuye el propulsor restante, los vehículos cohete se vuelven más ligeros y su aceleración tiende a aumentar hasta que se agota el propulsor. Esto significa que gran parte del cambio de velocidad se produce hacia el final de la combustión, cuando el vehículo es mucho más ligero. [2] Sin embargo, el empuje se puede acelerar para compensarlo o variarlo si es necesario. Las discontinuidades en la aceleración también ocurren cuando las etapas se agotan, a menudo comenzando con una aceleración más baja con cada nueva etapa que se activa.
Las aceleraciones máximas se pueden aumentar diseñando el vehículo con una masa reducida, lo que generalmente se logra mediante una reducción en la carga de combustible y el tanque y las estructuras asociadas, pero obviamente esto reduce la autonomía, el delta-v y el tiempo de combustión. Aún así, para algunas aplicaciones para las que se utilizan cohetes, es muy deseable una aceleración máxima elevada aplicada durante un corto período de tiempo.
La masa mínima del vehículo consiste en un motor de cohete con un mínimo de combustible y estructura para transportarlo. En ese caso, la relación empuje-peso [nb 3] del motor del cohete limita la aceleración máxima que se puede diseñar. Resulta que los motores de cohetes generalmente tienen relaciones empuje-peso verdaderamente excelentes (137 para el motor NK-33 ; [90] algunos cohetes sólidos superan los 1000 [2] : 442 ), y casi todos los vehículos de gravedad realmente alta emplean o tienen cohetes empleados.
Las altas aceleraciones que poseen naturalmente los cohetes significan que los vehículos cohetes a menudo son capaces de despegar verticalmente y, en algunos casos, con una guía y control adecuados de los motores, también de aterrizar verticalmente . Para que se realicen estas operaciones es necesario que los motores de un vehículo proporcionen más que la aceleración gravitacional local .
La densidad de energía de un propulsor de cohete típico suele ser alrededor de un tercio de la de los combustibles de hidrocarburos convencionales; la mayor parte de la masa es oxidante (a menudo relativamente económico). Sin embargo, en el momento del despegue, el cohete tiene una gran cantidad de energía en el combustible y el oxidante almacenados dentro del vehículo. Por supuesto, es deseable que la mayor parte posible de la energía del propulsor termine siendo energía cinética o potencial del cuerpo del cohete.
La energía del combustible se pierde en la resistencia del aire y la gravedad y se utiliza para que el cohete gane altitud y velocidad. Sin embargo, gran parte de la energía perdida acaba en el escape. [2] : 37–38
En un dispositivo de propulsión química, la eficiencia del motor es simplemente la relación entre la potencia cinética de los gases de escape y la potencia disponible de la reacción química: [2] : 37–38
Una eficiencia del 100% dentro del motor ( eficiencia del motor ) significaría que toda la energía térmica de los productos de combustión se convierte en energía cinética del chorro. Esto no es posible, pero las boquillas casi adiabáticas de alta relación de expansión que se pueden usar con cohetes se acercan sorprendentemente: cuando la boquilla expande el gas, el gas se enfría y acelera, y se puede lograr una eficiencia energética de hasta el 70%. . La mayor parte del resto es energía térmica en el escape que no se recupera. [2] : 37–38 La alta eficiencia es consecuencia del hecho de que la combustión del cohete se puede realizar a temperaturas muy altas y el gas finalmente se libera a temperaturas mucho más bajas, lo que proporciona una buena eficiencia de Carnot .
Sin embargo, la eficiencia del motor no lo es todo. Al igual que otros motores a reacción , pero particularmente en los cohetes debido a sus velocidades de escape altas y típicamente fijas, los vehículos cohete son extremadamente ineficientes a bajas velocidades, independientemente de la eficiencia del motor. El problema es que a bajas velocidades, el escape arrastra una enorme cantidad de energía cinética hacia atrás. Este fenómeno se denomina eficiencia propulsiva ( ). [2] : 37–38
Sin embargo, a medida que aumentan las velocidades, la velocidad de escape resultante disminuye y la eficiencia energética general del vehículo aumenta, alcanzando un pico de alrededor del 100% de la eficiencia del motor cuando el vehículo viaja exactamente a la misma velocidad a la que se emiten los gases de escape. En este caso, lo ideal sería que el escape se detuviera en el espacio detrás del vehículo en movimiento, quitando energía cero y, debido a la conservación de energía, toda la energía terminaría en el vehículo. Luego, la eficiencia vuelve a caer a velocidades aún más altas, ya que el escape termina viajando hacia adelante, detrás del vehículo.
A partir de estos principios se puede demostrar que la eficiencia propulsora de un cohete que se mueve a una velocidad de escape es:
Y la eficiencia energética general (instantánea) es:
Por ejemplo, a partir de la ecuación, con un valor de 0,7, un cohete que vuele a Mach 0,85 (a la que vuelan la mayoría de los aviones) con una velocidad de escape de Mach 10, tendría una eficiencia energética general prevista del 5,9%, mientras que un cohete convencional, moderno, El motor a reacción que respira aire alcanza una eficiencia cercana al 35%. Por tanto, un cohete necesitaría aproximadamente 6 veces más energía; y teniendo en cuenta que la energía específica del propulsor de cohetes es aproximadamente un tercio de la del combustible aéreo convencional, sería necesario transportar aproximadamente 18 veces más masa de propulsor para el mismo viaje. Esta es la razón por la que los cohetes rara vez se utilizan en la aviación general.
Dado que la energía proviene en última instancia del combustible, estas consideraciones significan que los cohetes son útiles principalmente cuando se requiere una velocidad muy alta, como en los misiles balísticos intercontinentales o el lanzamiento orbital . Por ejemplo, el transbordador espacial de la NASA encendió sus motores durante unos 8,5 minutos, consumiendo 1.000 toneladas de propulsor sólido (que contiene un 16% de aluminio) y 2.000.000 de litros adicionales de propulsor líquido (106.261 kg de combustible de hidrógeno líquido ) para levantar el vehículo de 100.000 kg. (incluida la carga útil de 25.000 kg) a una altitud de 111 km y una velocidad orbital de 30.000 km/h. A esta altitud y velocidad, el vehículo tenía una energía cinética de aproximadamente 3 TJ y una energía potencial de aproximadamente 200 GJ. Dada la energía inicial de 20 TJ, [nb 4] el transbordador espacial tuvo aproximadamente un 16% de eficiencia energética al lanzar el orbitador.
Así, los motores a reacción, con una mejor correspondencia entre la velocidad y la velocidad de escape del avión (como los turbofan , a pesar de su peor rendimiento ), dominan el uso atmosférico subsónico y supersónico, mientras que los cohetes funcionan mejor a velocidades hipersónicas. Por otro lado, los cohetes sirven en muchas aplicaciones militares de corto alcance y velocidad relativamente baja, donde su ineficiencia a baja velocidad se ve compensada por su empuje extremadamente alto y, por tanto, sus altas aceleraciones.
Una característica sutil de los cohetes se relaciona con la energía. Una etapa de cohete, mientras lleva una carga determinada, es capaz de dar un delta-v particular . Este delta-v significa que la velocidad aumenta (o disminuye) en una cantidad particular, independientemente de la velocidad inicial. Sin embargo, debido a que la energía cinética es una ley cuadrada de la velocidad, esto significa que cuanto más rápido viaja el cohete antes de quemarse, más energía orbital gana o pierde.
Este hecho se utiliza en los viajes interplanetarios. Significa que la cantidad de delta-v para alcanzar otros planetas, además de la necesaria para alcanzar la velocidad de escape, puede ser mucho menor si el delta-v se aplica cuando el cohete viaja a altas velocidades, cerca de la Tierra u otra superficie planetaria. ; mientras que esperar hasta que el cohete haya disminuido su velocidad en altitud multiplica el esfuerzo necesario para alcanzar la trayectoria deseada.
La confiabilidad de los cohetes, como la de todos los sistemas físicos, depende de la calidad del diseño y la construcción de ingeniería.
Debido a la enorme energía química de los propulsores de cohetes (mayor energía en peso que los explosivos, pero menor que la gasolina ), las consecuencias de los accidentes pueden ser graves. La mayoría de las misiones espaciales tienen algunos problemas. [91] En 1986, tras el desastre del transbordador espacial Challenger , el físico estadounidense Richard Feynman , que había formado parte de la Comisión Rogers , estimó que la probabilidad de que se produjera una condición insegura para el lanzamiento del transbordador era aproximadamente del 1%; [92] Más recientemente, se ha calculado que el riesgo histórico por persona en vuelos espaciales orbitales es de alrededor del 2% [93] o 4%. [94]
En mayo de 2003, la oficina de astronautas dejó clara su posición sobre la necesidad y viabilidad de mejorar la seguridad de la tripulación para futuras misiones tripuladas de la NASA, indicando su "consenso de que una reducción de un orden de magnitud en el riesgo de vidas humanas durante el ascenso, en comparación con el transbordador espacial , es ambos posibles con la tecnología actual y consistentes con el enfoque de la NASA en mejorar constantemente la confiabilidad de los cohetes". [95]
Los costos de los cohetes se pueden dividir aproximadamente en costos de propulsor, costos de obtención y/o producción de la "masa seca" del cohete y costos de cualquier equipo e instalaciones de apoyo necesarios. [96]
La mayor parte de la masa de despegue de un cohete normalmente es propulsor. Sin embargo, el propulsor rara vez es más que unas pocas veces más caro que la gasolina por kilogramo (en 2009, la gasolina costaba alrededor de 1 dólar por kilo [0,45 dólares por libra] o menos), y aunque se necesitan cantidades sustanciales, para todos los cohetes, excepto para los más baratos, Resulta que los costes del propulsor suelen ser comparativamente pequeños, aunque no del todo despreciables. [96] Dado que el oxígeno líquido cuesta 0,15 dólares por kilogramo (0,068 dólares/libra) y el hidrógeno líquido 2,20 dólares/kg (1,00 dólares/libra), el transbordador espacial en 2009 tuvo un gasto en propulsor líquido de aproximadamente 1,4 millones de dólares por cada lanzamiento que costó 450 millones de dólares de otros gastos (siendo el 40% de la masa de propulsores utilizados líquidos en el tanque de combustible externo , el 60% sólidos en los SRB ). [97] [98] [99]
Aunque la masa seca no propulsora de un cohete suele estar entre el 5% y el 20% de la masa total, [100] este costo domina. Para el hardware con el rendimiento utilizado en los vehículos de lanzamiento orbital , son comunes los gastos de entre 2.000 y 10.000 dólares o más por kilogramo de peso seco , principalmente en ingeniería, fabricación y pruebas; Las materias primas representan normalmente alrededor del 2% del gasto total. [101] [102] Para la mayoría de los cohetes, excepto los reutilizables (motores de lanzadera), los motores no necesitan funcionar más de unos pocos minutos, lo que simplifica el diseño.
Los requisitos de rendimiento extremos para los cohetes que llegan a la órbita se correlacionan con un costo elevado, incluido un control de calidad intensivo para garantizar la confiabilidad a pesar de los factores de seguridad limitados permitidos por razones de peso. [102] Los componentes producidos en pequeñas cantidades, si no se mecanizan individualmente, pueden evitar la amortización de los costos de investigación y desarrollo y de las instalaciones en comparación con la producción en masa en el grado que se observa en la fabricación más común. [102] Entre los cohetes de combustible líquido, la complejidad puede verse influenciada por la cantidad de hardware que debe ser liviano, como los motores alimentados por presión pueden tener dos órdenes de magnitud menos de piezas que los motores alimentados por bomba, pero generan más peso al necesitar una mayor presión del tanque. , como consecuencia se utiliza con mayor frecuencia solo en pequeños propulsores de maniobra. [102]
Para cambiar los factores anteriores para los vehículos de lanzamiento orbital, los métodos propuestos han incluido la producción en masa de cohetes simples en grandes cantidades o a gran escala, [96] o el desarrollo de cohetes reutilizables destinados a volar con mucha frecuencia para amortizar su gasto inicial en muchas cargas útiles. o reducir los requisitos de rendimiento de los cohetes mediante la construcción de un sistema de lanzamiento espacial sin cohetes para parte de la velocidad de órbita (o toda ella, pero con la mayoría de los métodos que implican algún uso de cohetes).
Los costos del equipo de apoyo, los costos de alcance y las plataformas de lanzamiento generalmente aumentan con el tamaño del cohete, pero varían menos con la velocidad de lanzamiento, por lo que pueden considerarse aproximadamente un costo fijo. [96]
Los cohetes en aplicaciones distintas del lanzamiento a la órbita (como los cohetes militares y el despegue asistido por cohetes ), que normalmente no necesitan un rendimiento comparable y, a veces, se producen en masa, suelen ser relativamente económicos.
Desde principios de la década de 2010, surgieron nuevas opciones privadas para obtener servicios de vuelos espaciales, lo que generó una presión sustancial sobre los precios en el mercado existente. [103] [104] [105] [106]
Liza
Cohetería general
Propulsión de cohetes
Cohetería recreativa
Arsenal
Cohetes para la investigación
Misceláneas
Los cohetes aparecen en la literatura árabe en 1258 d.C., describiendo el uso que hicieron los invasores mongoles el 15 de febrero para capturar la ciudad de Bagdad.
Los gigantes aeroespaciales [Boeing Co. y Lockheed Martin Corp.] compartieron casi 500 millones de dólares en ganancias de capital de la empresa de fabricación de cohetes el año pasado, cuando todavía tenían el monopolio del negocio de poner en órbita los satélites más importantes del Pentágono. Pero desde entonces, "nos han tenido a raya", dijo Tory Bruno, director ejecutivo de United Launch.
Se acabó el monopolio gubernamental sobre los viajes espaciales.
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