Ciencia de cohetes simplificada

Rocket es un motor que quema el combustible almacenado en un gas de alta velocidad y alta temperatura que se mueve fuera de un vehículo a través de una salida limitada. Dado que el gas se mueve hacia abajo a alta velocidad, el vehículo portador reacciona moviéndose hacia arriba a las mismas velocidades altas. Por otro lado, también podemos describir un cohete como un vehículo cilíndrico con una boquilla puntiaguda utilizada para viajar al espacio. Los vehículos incluyen misiles o naves espaciales que utilizan un cohete como motor.Los

cohetes son un invento importante, y juegan varios papeles en la configuración de nuestro mundo a medida que lo vivimos hoy en día. Los cohetes son la razón por la que los científicos pueden monitorear el espacio para mantener nuestro planeta a salvo. Aquí hay varios usos de cohetes: 

Usos militares

Los cohetes se utilizan como transportadores de varias ojivas a varios destinos enemigos. Cuando los cohetes se combinan con ojivas, su nombre cambia a lo que comúnmente se conoce como misiles. El transporte de ojivas con cohetes es seguro para los militares, ya que pueden ser controlados remotamente. La función militar es un uso controvertido dada la naturaleza destructiva de las ojivas transportadas por cohetes.Investigación Espacial

Los astronautas utilizan cohetes para transportar instrumentos a áreas más allá de la superficie de la Tierra para registrar varios elementos de investigación que los científicos planean estudiar.Los cohetes ayudan a poner naves espaciales en la órbita

Los cohetes son preferidos explícitamente para esta función debido a sus altas velocidades que marchan la alta velocidad de la órbita, como discutiremos más adelante.Los

cohetes trabajan usando un simple principio científico llamado la tercera ley del movimiento. Isaac Newton se le ocurrió con las leyes del movimiento, y la tercera y última de estas leyes establece que debe haber una reacción igual en la dirección opuesta para cada acción. Este principio significa que si empujas algo hacia adelante, también te mueves hacia atrás a la misma velocidad.

¿Cómo se relaciona esto con los cohetes? Vamos a meternos en eso.

Los motores de cohetes queman un tipo especial de combustible del que hablaremos dentro de un rato. Cuando el combustible se quema, produce un gas caliente de la parte trasera del cohete a una velocidad muy alta. A medida que el gas sale a altas velocidades que van hacia abajo, ¿cuál es la dirección más probable que tomará el cohete? Por supuesto, adivinaste bien; se moverá hacia arriba a una velocidad igual a la velocidad del gas que va hacia arriba.

La fuerza que hace que el motor del cohete se mueva hacia arriba en la dirección opuesta del gas caliente se llama empuje, y el cohete sigue quemando más combustible para producir el mismo efecto una y otra vez, dando al cohete el empuje hacia adelante una y otra vez hasta que llega a su destino. Los impulsos repetidos también ayudan al cohete a superar el tirón gravitacional y la resistencia del aire.

Pero, ¿cómo sabe un cohete adónde va? ¿Tiene un piloto? Antes de que los cohetes sean liberados de la tierra, los científicos de cohetes calculan una ruta predeterminada que tomará el cohete. El curso se calcula en relación con la posición del sol y la luna. Otros planetas también pueden tener un poco de efecto, pero es muy mínimo. Antes de ver cómo se lanzan los cohetes, entendamos hasta dónde han llegado los cohetes.

Hoy en día, los conceptos utilizados en la cohetería se remontan al siglo I dC. Un ingeniero matemático, Heron of Alexandria, creó un dispositivo que hizo girar una bola usando boquillas de emisión de vapor. Después de esta fiesta de Heron, las cosas en la historia de los cohetes se quedó en silencio hasta el siglo 13 dC cuando la gente comenzó a fabricar cohetes de pólvora utilizados en armas como flechas.

Tal vez la parte más significativa de la historia de los cohetes fue la publicación de Investigating Space With Reaction Devices de Konstantin Tsiolkovsky. Esta publicación detalló la dinámica de cómo funcionaban los cohetes. Más tarde en 1942, Alemania hace otro hito cuando lanza con éxito su misil basado en cohetes y lo pone en el blanco a la velocidad de más de 4000 mph.

El éxito de Alemania en el lanzamiento de su misil hizo que los ESTADOS UNIDOS y los U.S.S.R comenzaran sus programas espaciales, y en 1957, Rusia fue capaz de usar un cohete para transportar y lanzar el Sputnik 1, que fue el primer satélite del mundo al espacio, y en 1969, Estados Unidos lanzó el Apolo 11, el cohete que adornó la luna por primera vez.

Hemos aprendido lo que es un cohete, la ciencia detrás de cómo funcionan los cohetes, y hemos pasado por una breve historia de cohetes. Ahora debes tener curiosidad por saber cómo se lanza un cohete, ¿verdad? Pero antes de entrar en cómo se lanzan los cohetes, primero aprendamos la energía que impulsa los cohetes, ¿sí?

Para discutir los combustibles para cohetes, discutiremos los tipos de cohetes que tenemos hoy en día, ya que los cohetes se clasifican en función del tipo de combustible que utilizan. Hoy en día, hay cuatro tipos de cohetes:

• Cohetes de combustible sólido
• Cohetes de combustible líquido
• Cohetes de iones
• Cohetes de plasma

Aquí hay un análisis de cada uno de los cohetes para ayudarle a entender la energía utilizada por los cohetes.Cohetes de combustible sólido

Los combustibles sólidos para cohetes utilizan propulsores sólidos y se encuentran entre los primeros combustibles en ser descubiertos. Primero se utilizaron principalmente para fabricar armas pequeñas, aunque después de investigaciones posteriores, los científicos descubrieron que podían usarlos para alimentar cohetes grandes y durante un período más prolongado.

Los cohetes de combustible sólido son monopropelántes, lo que significa que no requieren un oxidante externo para quemar el combustible. La ciencia básica de la combustión afirma que para que cualquier cosa se queme, debe haber un agente oxidante. Por ejemplo, los chorros tienen tomas de aire, que proporcionan el oxígeno para que los motores enciendan el combustible y propulsen el chorro. Los cohetes monopropellantes, sin embargo, no requieren tomas de aire para quemar los combustibles.

En su lugar, los combustibles sólidos son una combinación de muchos productos químicos en una sola mezcla. Entre estos productos químicos se encuentran oxidantes que queman el combustible para producir gas caliente que impulsa los cohetes. Algunos de los productos químicos utilizados para fabricar combustibles sólidos para cohetes incluyen dinitramida de amonio, nitrato de potasio y perclorato de amonio. Para que los combustibles sólidos funcionen, deben colocarse en la cámara de combustión del cohete, donde se enciende.

La principal desventaja de los combustibles sólidos es que una vez que el combustible comienza a arder, no puede apagarse, lo que significa que el combustible se quemará continuamente sin control hasta que haya terminado. Esta falta de control lleva a la necesidad de utilizar cantidades masivas de combustible sólido, que es caro y puede aprovechar gran parte del espacio limitado que ofrece el cohete. Otra desventaja de los combustibles sólidos es el riesgo de que el cohete se salga antes de que el cohete llegue a su destino deseado. Además, la nitroglicerina, uno de los compuestos utilizados para fabricar combustibles sólidos, se evapora rápidamente.

Por otro lado, los propulsores sólidos son relativamente fáciles de almacenar y manipular que sus contrapartes líquidas. También son más baratos y son preferidos siempre que se necesiten grandes empujes. Algunos de los famosos cohetes que utilizaron combustible sólido incluyen la serie Russian Proton (Proton 8K82K y Proton-M), el Ariane europeo 5, el transbordador espacial, el Atlas V de Ee. UU. y el H-I de Japón.

Cohete de combustible líquido

Los cohetes de combustible líquido utilizan propulsores líquidos. Los propulsores líquidos son, como dice la palabra, líquidos. Los combustibles líquidos son ampliamente utilizados y pueden ser monopropellantes (¿recuerda monopropellante de combustibles sólidos?), o Bipropellant, o incluso más raramente, tripropellante. Algunos de los productos químicos utilizados para hacer propulsores líquidos incluyen tetróxido de dinitrogen combinado con hidrazina, oxígeno líquido e hidrógeno líquido. Estos productos químicos son ligeros y fáciles de transportar, y por lo tanto reducen el peso del cohete.

Los ingenieros de cohetes confían en los combustibles líquidos porque tienen alta densidad y tienen un impulso específico alto. A los ingenieros les encanta la alta densidad y el impulso específico porque les facilitan el uso de turbobomps centrífugos más ligeros para mover el combustible de los tanques de combustible del cohete a las cámaras de combustión. Las turbobojas aumentan la presión del combustible en la cámara de combustión.

Además de su alta densidad e impulso específico, los propulsores líquidos son útiles porque son fáciles de controlar. A diferencia de los propulsores sólidos que no se pueden controlar cuando comienzan a quemarse, los propulsores líquidos son fáciles de controlar y solo se queman cuando se requiere quemar. Esta capacidad de control hace que sea fácil para los astronautas controlar la velocidad del cohete y encender y apagar el cohete para controlar el uso de combustible.

Una desamación importante para los propulsores líquidos es que los ingenieros tienen que diseñar un sistema de tuberías separado de las cámaras de almacenamiento del líquido para llegar a las cámaras de combustión. Perfeccionar este diseño es particularmente difícil ya que el objetivo de crear un cohete es hacerlo lo más ligero posible.
Algunos de los cohetes que utilizan propulsores líquidos incluyen el V-2 alemán, el Space X Falcon 9 y el Atlas ICBM

Ion Rocket
Los cohetes de iones han sido funcionales desde 1998, y utilizan energía electrónica de células solares. Las células solares convierten la luz solar en energía eléctrica y son diez veces más rápidas que los cohetes tradicionales que utilizan combustibles químicos. Sin embargo, el empuje producido por los cohetes iónicos es débil y no puede levantar el cohete del suelo. Por consiguiente, los ingenieros de cohetes deben encontrar una forma alternativa de levantar el cohete del suelo.

Cohetes de plasma
Los cohetes de plasma son conocidos en conversaciones científicas como Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR). Estos cohetes funcionan acelerando el plasma producido al despojar electrones negativos de los átomos de hidrógeno dentro de un campo magnético y expulsarlos del motor. Estos cohetes se promocionan para ser más rápidos y pueden llegar a Marte más rápido que otros tipos de cohetes. Su sostenibilidad todavía se está probando, y más información sobre ellos estará disponible pronto.

Los científicos consideran muchas cosas antes de lanzar un cohete. Algunas de las consideraciones que hacen incluyen:

• La carga útil del cohete
• El destino de la carga
• The Weather
• Proximidad al ecuador
• La proximidad del sitio de lanzamiento a servicios sociales y residencias
• Hora del día

La lista anterior es sólo un punto culminante y está destinado a dirigir a algunas de las consideraciones que los científicos hacen antes de lanzar un cohete.Las múltiples etapas de un lanzamiento exitoso de cohetes:

Antes de discutir las diversas etapas, respondamos a esta pregunta frecuente: ¿Qué es la puesta en escena?

La puesta en escena de cohetes es el proceso a través del cual los ingenieros organizan diferentes partes de un cohete. La disposición de los motores de cohetes determina cómo saldrán de la nave en varias etapas.

La puesta en escena efectiva también garantiza que a medida que el cohete arroja piezas que ya no son útiles, se vuelve más ligero, y los motores subsiguientes dan al cohete el empuje necesario para atravesar la atmósfera y viajar a la velocidad correcta para que coincida con los requisitos de velocidad de la órbita. Dependiendo de la función del cohete, los científicos colocan tantas piezas desmontables como el número de etapas que esperan que el vehículo se someta antes de llegar a su destino final. Sin embargo, cuanto más tiene el número de etapas que tiene un cohete, más complicado es, y más la probabilidad de su fracaso.

A medida que los científicos hacen cohetes, el combustible de los cohetes transporta alrededor del 90-94% del peso total del cohete, y el otro 6-10% se comparte entre los materiales de construcción y la carga útil del cohete (discutiremos qué carga útil en unos pocos párrafos). Esto significa que el material utilizado para fabricar cohetes debe ser extremadamente ligero, y los astronautas deben asegurarse de que la carga que transportan con un cohete sea igualmente ligera.

Hay cuatro formas diferentes de puesta en escena, como analizamos a continuación:

Estadística en serie

La puesta en escena en serie se produce cuando los científicos apilan etapas una encima de la otra. En este tipo de puesta en escena, la etapa que se quemará primero se coloca como la más inferior, mientras que la etapa final es más cercana a la parte superior. Los cohetes lunares Saturn V fueron buenos ejemplos de cohetes que utilizaban la puesta en escena en serie.

Estadificación paralela

En la puesta en escena paralela, los científicos colocan una o varias etapas de refuerzo conectadas al sustentador principal. Todos los motores comienzan la combustión al inicio del viaje, y cuando los motores atrapados gastan completamente su combustible, el motor principal continúa ardiendo para transportar la carga en órbita. Las etapas desmontables se utilizan como propulsores y se caen tan pronto como se quedan sin combustible. La puesta en escena paralela se puede combinar con la puesta en escena en serie en el mismo vehículo.
Algunos de los cohetes que utilizan el método de puesta en escena paralelo incluyen lanzadores como Titan III y Delta II

Etapa y media

Una etapa y media implican el uso del motor principal de sostenimiento y otro que actúa como el refuerzo. Como se esperaba de todas las etapas de refuerzo, la etapa adjunta y la mitad del sistema se caen después de que se gasta todo su combustible. Ejemplos de cohetes que utilizaron una etapa y media incluyen el Atlas y Atlas Agena.

Una sola puesta en escena

Este método de puesta en escena todavía está bajo investigación, y su principal sueño es tener cohetes que no requieren múltiples etapas para funcionar. Como hemos dicho anteriormente, cuantas más etapas tenga un vehículo, más complicado es, y más posibilidades de su fracaso. Como tal, cuando los científicos descubren una manera de actualizar el método de puesta en escena único, evitarán un riesgo considerable y tendrán etapas menores con las que lidiar al lanzar cohetes.
Ahora que entendemos los diferentes métodos de puesta en escena, profundicemos en las múltiples etapas de un lanzamiento de cohetes.

Etapas de un lanzamiento de cohete

Los cohetes se lanzan en varias etapas, y cada etapa tiene su papel único para realizar. Los diversos motores que se quemarán para lanzar un cohete con éxito se apilan uno encima del otro y se separan cuando termina su utilidad. Por lo tanto, este destacamento significa que a medida que el cohete se desprende motores de carga, se vuelve más ligero y, en consecuencia, utiliza menos combustible. También es digno de entender que cada motor es independiente de los demás. Esta independencia ofrece a los ingenieros de cohetes la oportunidad de personalizar cada motor para el propósito que sirve. Optimización significa hacer que el motor se adapte más a la presión atmosférica prevaleciente o a la tracción gravitacional en cada etapa.

Estos son algunos pasos que los cohetes pasan para lanzarse con éxito:

1)Etapa primaria

La primaria es la primera y más importante etapa de un lanzamiento de cohete y también se llama la etapa "0". En esta etapa, el motor quema combustible para proporcionar el primer empuje. El empuje debe ser lo suficientemente fuerte como para propulsar el cohete a una alta velocidad que lo lleve hacia el cielo. El empuje también debe ser fuerte, ya que debe ser suficiente para llevar el peso pesado del cohete, que incluye el primer motor. Cuando el primer motor se queda sin combustible, se separa del cohete y dispara un pequeño explosivo conectado al segundo motor, que toma el control y impulsa aún más la nave espacial. El primer motor se quema y cae de vuelta a la tierra. El destacamento del primer motor del resto del cohete se conoce como Main Engine Cut Off (MECO).

Por simple que pueda sonar, la primera etapa tiene que superar muchos obstáculos antes de que se queme con éxito.

El arrastre aumenta a medida que el cohete gana velocidad:

Arrastrar en cohetes es la resistencia que el cohete tiene que superar a medida que va hacia el cielo. Para entender arrastrar en un lenguaje simple, suponga que está ejecutando en una pista. Si estás corriendo en un día tranquilo cuando el viento se mueve lentamente, harás menos esfuerzo para correr. Por otro lado, si estás corriendo contra un viento fuerte, correr se vuelve un poco más difícil. Además, cuanto más rápido corras, más resistencia tendrás. Si usted a la baja velocidad que corre puede obtener fricción del aire, imagine un vehículo que viaja a velocidades de hasta 16200 Km / h. El cohete debe enfrentar mucha resistencia, ¿no?

El lanzamiento es más duro en la primera etapa:

La fuerza gravitacional (comúnmente conocida como fuerza G) es mayor en la atmósfera inferior en comparación con las atmósferas más altas. También hay vibración de alta frecuencia a considerar y el enorme peso que lleva el cohete.

La etapa primaria determina el éxito o el fracaso de un lanzamiento de cohetes:

Para que un cohete penetre a través del arrastre causado por la atmósfera y alcance con éxito MAXQ, el empuje inicial debe ser lo suficientemente fuerte como para llevar el cohete a través de todo. Si se produce un pequeño error de cálculo en la fase principal, todo el proyecto está obligado a fallar.

2)Las etapas superiores

El cohete ya se está moviendo en el cielo a alta velocidad y ya ha arrojado algo de peso en forma de primer motor quemado. Por lo tanto, esto significa que el motor en esta etapa tiene una tarea relativamente más fácil de realizar en comparación con el motor de la primera etapa.
El único propósito de esta etapa es llevar el cohete a la velocidad orbital. Esta es la velocidad necesaria para alinearse con el movimiento de otros objetos espaciales como planetas y otros. El cohete debe moverse a una alta velocidad que contrarújese con éxito el tirón gravitacional.

Si no se alcanzan las altas velocidades necesarias para superar el tirón gravitacional, el cohete se tira de nuevo al suelo por gravedad. Lo importante a tener en cuenta aquí es que cuanto más cerca esté el cohete de la superficie de la tierra, mayor será el efecto de tracción gravitacional y mayor será la velocidad necesaria para superarlo.

Antes de que el motor de la etapa secundaria se agote, debe ocurrir lo siguiente:

• El vehículo debe lograr la ingravidez
• Lograr una clasificación de impulsos específica más alta
• Muévete más rápido
• El movimiento del vehículo se vuelve estable

El motor usado en la etapa secundaria también se separa del cohete en un proceso llamado Second Engine Cut Off (SECO). Sin embargo, los restos del motor no pueden volver a la Tierra (a menos que el cohete se modele para ser reutilizado como discutiremos más adelante) sino permanecer en el espacio, orbitando alrededor de otros cuerpos hasta el infinito. Estos desprendimientos de cohetes usados forman parte de lo que se llama basura espacial o basura espacial.

Los cohetes se envían principalmente al espacio para entregar una carga útil. La carga útil es cualquier carga transportada usando un cohete, y podría incluir instrumentos de investigación, satélites, armas y personas, entre otras cargas útiles. Pero, ¿qué pasa con los cohetes después de que entregan su carga?

Tradicionalmente, los cohetes usados caen a la superficie de la Tierra y en una órbita y comienzan a oscilar junto con el planeta. Otras veces, el cohete se desintegra y se evapora cuando se encuentra con altas temperaturas. Con el último avance, sin embargo, los cohetes no tienen que ser destruidos después de un solo uso. Cohetes recientes como el halcón más reciente de SpaceX se pueden volver a utilizar parcialmente para transportar cargas útiles futuras.