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Cohetes

Principios básicos

La mayoría de la gente tiene, como mínimo, una noción intuitiva del centro de gravedad (CG) de un objeto: es el punto en el cual el objeto puede estar equilibrado. Agarre una escoba por un extremo y el otro extremo inténtelo dejar caer, agárrela por su centro de gravedad, y permanecerá equilibrada, sin que ningún extremo se eleve.

Si ha probado a equilibrar una silla ó una escoba sobre la palma de su mano, sabe que el truco es colocar su mano bajo el centro de gravedad. Como su mano no está en el CG sino debajo, puede moverse perfectamente para mantener esta posición estratégica.

Existe un definición matemática precisa, no tiene nada que ver con la gravedad, por lo cual muchos científicos e ingenieros prefieren el término centro de masa. Sin embargo, se sale del tema principal y, por lo tanto, no nos molestaremos con él ahora. Un bastón ligero con dos bolas de igual peso en sus extremos tiene, obviamente, su CG en el medio. Cuando una bola tiene un peso doble de la otra, el CG divide la distancia entre ellas con una relación 1:2, de forma que estará más cerca de la masa más pesada (vea el dibujo). De modo semejante para otras relaciones.

Bolas que se empujan mutuamente

Imagínese ahora, por ejemplo, que en el bastón anterior las dos bolas tienen un muelle entre ellas. Aunque las bolas están separadas, se puede hablar de su CG común, en la línea que conecta sus centros, a 1/3 de la distancia del centro de la bola mayor. 

(El CG del sistema Tierra-Luna se puede definir de la misma forma. Dado que la relación de masas de los dos cuerpos es de 81:1, el Cg es el punto sobre la línea entre sus centros dividiendo esta por su relación. Se puede mostrar que, despreciando la atracción del Sol y de los otros planetas, la Luna no orbita sobre el centro de la Tierra, sino, en cambio, sobre el CG común y lo mismo hace la Tierra, reaccionando a la atracción de la Luna. Por supuesto que, como la Tierra es mucho más pesada, el CG no está muy lejos del centro de la Tierra, de hecho está mas cercano que la propia superficie de la Tierra.)

Suponga ahora que se coloca un fósforo encendido bajo el muelle, calentándolo. Cuando el muelle se expande, empuja hacia fuera las bolas, pero si es muy blando, su propio movimiento no importa y podemos asumir que las bolas se empujan mutuamente.

Mediante la formulación de Mach de las ecuaciones del movimiento, si la bola más pesada recibe una aceleración a, la ligera recibe 2a, el doble. Para cada incremento en la velocidad de la bola pesada, la ligera recibe el doble, y se tiene que para cada momento, su velocidad total, al igual que la distancia cubierta, es la doble de la de la bola mayor . 

Si la bola pesada está a la distancia D de la posición inicial del muelle, la más ligera está a una distancia 2D, como en la figura anterior, reproducida aquí. No importa el tiempo que pase, el centro de gravedad continuará en el mismo punto.

Cohetes

Esto se convierte en un principio general: en cualquier objeto ó serie de objetos, las fuerzas que solo involucran a esos objetos y a nada más ("fuerzas internas") no pueden mover al centro de gravedad.

Un astronauta flotando en el traje espacial no puede cambiar su posición sin involucrar a algo más, p.e. apoyandose contra su nave. El centro de gravedad ó "centro de masa", es un punto fijo que no puede ser movido sin ayuda exterior (girar a su alrededor sí es posible).

Arrojando una herramienta pesada en una dirección, el astronauta podría moverse en la dirección opuesta, aunque el centro de gravedad común de los dos permanecerá siendo el mismo. Dándole una botella de oxígeno comprimido, se consigue el mismo resultado al expulsar un chorro de gas (una escena que aparecía en los antiguos filmes de ciencia ficción). Un cohete hace lo mismo, excepto que se sustituye el gas frío por un chorro de gas reluciente, mucho más rápido, producido por la combustión del combustible apropiado.

Los poderosos cohetes que elevan cientos ó aún miles de toneladas desde la rampa de lanzamiento, dependen del mismo principio. Si alguna vez observó despegar un cohete desde Cabo Cañaveral, es importante recordar que si pudiera extraer de la escena la rampa de lanzamiento, la atmósfera y la Tierra, el centro de gravedad combinado del cohete y sus gases de escape permanecerán siempre donde comenzaron, en el punto de lanzamiento. 

Puede parecer una manera de producir movimiento en la dirección contraria. Pero todavía, los cohetes son (por lo menos por ahora) la única forma práctica de abandonar la Tierra y volar al espacio.

Primeros Cohetes

Los cohetes fueron inventados por los chinos, como consecuencia de su invención de la pólvora, alrededor del año 1000, quizás antes. los cohetes añadieron una nueva dimensión a los fuegos artificiales, otra contribución china, pero, inevitablemente, también fueron usados para la guerra, como misiles para quemar las ciudades enemigas. 

Los británicos los conocieron cuando las tropas indias, bajo el Sultán Tipoo, las emplearon contra ellos. William Congreve, un oficial británico, desarrolló un cohete militar y en 1806 impulsó su uso contra Napoleón. "El rojo resplandor de los cohetes" del himno norteamericano se refiere a la utilización de cohetes Congreve en1814 en un fallido ataque británico sobre Fort McHenry, en las afueras de Baltimore. El blanco de esos cohetes era muy inexacto, y su uso declinó como mejora de la artillería. Sin embargo, se vendieron cohetes comerciales para su uso en los barcos, para enviar una cuerda a tierra en caso de naufragio. 

Los cohetes, todavía, son la única forma verosímil de alcanzar el espacio exterior. Un visionario que se dio cuenta de esto fue Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), un maestro ruso que impulsó con entusiasmo los vuelos espaciales y escribió libros sobre el asunto, antes de que la idea recibiera una estimación seria. 

Goddard

Otro fue el joven estadounidense, Robert Hutchins Goddard (1882-1945), un nativo de Worcester, Massachusetts. La familia Goddard estaba en la casa de unos amigos en los suburbios de Worcester el 19 de Octubre de 1899, cuando él se subió a un viejo cerezo para podar las ramas viejas. En lugar de eso, comenzó a soñar: 

     "Era uno de esas bellas tardes tranquilas y coloridas que tenemos en Octubre en Nueva Inglaterra, y cuando miré hacia los campos del este, imaginé lo bello que sería hacer un aparato que tuviera la posibilidad de elevarse hacia Marte, y como se vería a pequeña escala, si se enviara desde el prado a mis pies." 

Aquí fue cuando el joven Goddard decidió perseguir la idea de los vuelos espaciales. Más tarde escribió 

    "Era un chico diferente cuando descendí del árbol, por que la existencia al fin parecía tener una finalidad".

El 19 de Octubre 19 se convirtió en el "Día del Aniversario" apuntado en su diario como un festivo personal. Por ejemplo, en 1913, hizo la siguiente lista de prioridades ("orden") de cosas a realizar: Worcester, 19 de Octubre de 1913 (Día del Aniversario) 

    Orden: Completar la aplicación de patente, si es necesario, de la tobera y la pluralidad; sacar la aplicación sobre la característica de recarga; también completar la aplicación para la bomba eléctrica; repetir el cálculo cuidadosamente, para pequeños intervalos; buscar la teoría del movimiento lunar de Darwin; y buscar meteoros. También probar un jet.

La aplicación de patente fue la patente US #1,103,503, concedida en Julio de 1914 junto con una antigua, la #1,102,653. "Pluralidad" fue el término usado por Goddard para el cohete multietapas, y las patentes también cubrían la tobera de expansión y el combustible líquido, aunque Goddard no lo experimenta hasta 1915 y 1922, respectivamente. 

Los primeros experimentos de Goddard con cohetes

En 1915, siendo profesor asistente en la Clark University, Worcester, comenzó los experimentos sobre la eficiencia de los cohetes. Compró algunos cohetes comerciales y midió su empuje usando un péndulo balístico, una masa pesada suspendida por cuerdas, a la que sujetaba el cohete. Se encendía el cohete, y la altura a la que se elevaba el péndulo suministraba la medida del momento total (velocidad masa tiempo) comunicado. 

Se puede mostrar, por las leyes de Newton, que el momento total de un sistema libre de fuerzas exteriores se conserva; esta es realmente otra formulación de la conservación del centro de gravedad, mencionada en la discusión sobre la propulsión del cohete. Por consiguiente, el momento dado al péndulo en una dirección tiene que ser igual al momento mv comunicado al chorro de gas del cohete y ese momento determina la longitud y la altura de su oscilación. Pesando el cohete antes y después de su encendido, Goddard pudo deducir la masa  m de los gases expulsados y de ellos deducir v. Para un cohete naval Coston, encontró que v era de unos 1000 ft/sec (300 m/s). 

La Tobera De Laval

Un cohete es esencialmente una máquina calorífica, un aparato para convertir la energía calorífica (obtenida de la energía química del combustible) en energía mecánica, siendo aquí la energía cinética mv2/2 de su chorro. Conociendo m y v, Goddard pudo deducir la energía cinética suministrada al gas, quemando una cantidad medida de combustible, absorbiendo el calor (p.e. en agua) y midiendo el aumento de temperatura, también se obtiene la cantidad total de energía química convertida. La conclusión fue muy decepcionante: solamente el 2% de la energía disponible contribuía a la velocidad del chorro. 

¿Se podría mejorar?. Felizmente para Goddard, este problema habia sido resuelto por Gustav De Laval, un ingeniero sueco de ascendencia francesa. Probando el desarrollo de una máquina de vapor más eficiente, De Laval diseñó una turbina cuya rueda giraba mediante chorros de vapor.

 

Turbina De Laval: 
4 toberas, una en 
corte transversal.

El componente crítico, en el que la energía calorífica del vapor de alta presión procedente de una caldera se convertía en energía cinética, era la tobera desde la que el chorro soplaba sobre la rueda. De Laval encontró que la conversión más eficiente ocurría cuando la tobera primero se estrechaba, aumentando la velocidad del chorro hasta la velocidad del sonido y luego se ensanchaba de nuevo. Por encima de la velocidad del sonido (pero no por debajo) este ensanchamiento causaba un mayor aumento de velocidad del chorro y producía una conversión muy eficiente de la energía calorífica en movimiento. Hoy en día las turbinas de vapor son los equipos de potencia preferidos en las centrales eléctricas y el los grandes barcos, aunque normalmente tienen un diseño diferente, para hacer un mejor uso del rápido chorro de vapor; la turbina De Laval tenía que girar a una alta velocidad impracticable. Pero para los cohetes la tobera De Laval fue justo lo que se necesitaba. 

Goddard experimentó sobre el péndulo balístico con varios diseños de toberas,  usando una pequeña cámara de combustión llena de un tipo de pólvora, encendida por electricidad. El final de la cámara estaba roscada para que pudieran atornillarse toberas de diferentes tipos y probarse. Usando una tobera De Laval, obtuvo velocidades de chorro entre 7000 y 8000 ft/sec y eficiencias de hasta un 63%. Luego reemplazó el péndulo por un aparato más compacto en el cual el empuje de los cohetes no elevaban un péndulo contra la gravedad, sino comprimían un muelle calibrado. Con este aparato mostró que (contrariamente a afirmaciones frecuentes) los cohetes trabajan también igual en el vacío. 

Como Goddard observó, esto hace a los cohetes la más eficiente de la máquinas caloríficas, mejor que las máquinas de vapor alternativas (21%) y motores Diesel (40%). No es para maravillarse: de la 2ª ley de la termodinámica, la eficiencia teóricamente alcanzable de una máquina calorífica aumenta con su temperatura de operación, y no hay otra máquina calorífica que funcione tan caliente como un cohete.

  Un motor de cohete en 
  el Smithsonian, con un 
  corte abierto mostrando 
  la tobera convergente- 
  divergente DeLaval.

La tobera De Laval cambió los vuelos espaciales desde un vago sueño a una posibilidad real. Goddard comunicó sus resultados a la Smithsonian Institution en Washington y requirió ayuda para desarrollar un cohete capaz de investigar la alta atmósfera. Su proyecto original ( la "característica de recarga" en su lista de prioridades) era alimentar la cámara de combustión con trozos sólidos de combustible, en forma similar en como se alimentan los cañones con balas. En Enero de 1917 el Smithsonian respondió con una subvención de $5000, y Goddard comenzó su estudio y uso de los cohetes. 

Después de que Estados Unidos entró en la I Guerra Mundial, Goddard también trabajó un corto tiempo sobre cohetes militares, pero no se usó ninguno de sus diseños, aunque cohetes algo similares a sus diseños se convirtieron, durante la II Guerra Mundial, en un arma efectiva contra los tanques; fueron conocidas como bazookas. 

Combustible Líquido

La idea de alimentar el cohete con una corriente continua de cargas sólidas también se probó que era irrealizable, y en 1922 Goddard volvió a su idea alternativa, propuesta independientemente por Hermann Oberth en Alemania y también apuntada por Tsiolkovsky: un cohete de combustible líquido. Tendría dos líneas hacia su cámara de combustión, una alimentando combustible y la otra oxígeno, similar a los sopletes de soldadura, excepto que las dos líneas llevarían líquido, no gases; en el diseño de Goddard gasolina y oxígeno líquido. 

Ese cohete prometía una gran eficiencia, pero también poseía serios desafíos tecnológicos. Ambos fluidos tenían que bombearse de forma estable, y uno de ellos, el oxígeno líquido, era extremadamente frío. La combustión a alta temperatura del oxígeno puro requiere materiales resistentes al calor y para superar eso, Goddard desarrolló la técnica de hacer que el oxígeno enfríe la cámara de combustión en su paso desde el tanque de combustible. este método aún se usa: en la foto superior, la parte exterior de la tobera está cubierta con un gran número de tubos metálicos, a través de los que el combustible frío fluye hacia la cámara de combustión. Otro problema completamente nuevo que encontró Goddard fue la orientación y el control del cohete en vuelo. 

 Robert H. Goddard al lado del 
 cohete de combustible líquido 
 en 1926. 
 El cohete está en la parte 
 superior, recibiendo su
 combustible por dos líneas
 desde el tanque en la base. 

El 16 de Marzo de 1926, Goddard probó el vuelo de su primer cohete de combustible líquido. Pensó que obtendría un vuelo estable montando el cohete por delante del tanque de combustible, con el tanque protegido de la llama por un cono metálico y con las líneas para el combustible y el oxígeno traccionándolo por detrás: el diseño funcionó, pero no tuvo la estabilidad esperada. El cohete inició la combustión unos 20 segundos antes de alcanzar suficiente empuje (o suficiente aligeramiento del tanque de combustible). Durante ese tiempo se fundió parte de la tobera, y la cámara con la que Mrs. Esther Goddard estaba intentando grabar el vuelo se quedó sin filme, por lo que no existe una grabación de ese vuelo. Despegó hasta una altura de 41 pies, se niveló y cayó al suelo, todo en 2.5 segundos, dando un promedio de una 60 mph. 

El concepto de Goddard parecía validado, pero estaba muy lejos de ser un diseño práctico. Desafortunadamente trabajó solo, sin los recursos técnicos de una gran institución. En los años que siguieron continuó desarrollando sus cohetes, controlando su movimiento mediante giroscopios, dirigiéndolos con pequeñas cambios en el chorro escape, y construyendo cohetes mayores y más veloces. Fueron probados en pié sobre el suelo y en vuelo libre, la mayoría en el laboratorio de cohetes que construyó en Roswell, New Mexico. 

Pero la realización de su sueño recayó sobre otros que disfrutaron de ayuda militar ó nacional. Goddard, infelizmente, nunca vivió para ver la era espacial. Murió de cáncer el 10 de agosto de 1945 en Baltimore.

Alemania

La historia completa de la tecnología del cohete es muy larga para cubrirla aquí. Entre la I y la II Guerras Mundiales, especialmente en los años 30, hubo activos clubs de entusiastas de los cohetes en Alemania, Estados Unidos, Rusia y otros países. Se diseñaron cohetes experimentales, se probaron, y algunas veces los hicieron volar. Algunos de los experimentos usaban combustible líquido, aunque también se desarrollaron cohetes de combustible sólido. En estos últimos, el combustible se quemaba gradualmente (como en los antiguos cohetes de pólvora), y el contenedor de combustible estaba presurizado, proporcionando el gas caliente directamente hacia la tobera De-Laval. 

El semillero del estudio y uso de los cohetes fue Alemania, donde Hermann Oberth, un rumano, promovió con pasión la idea de los vuelos espaciales, aún cuando su tesis doctoral "El cohete en el espacio interplanetario" fue rechazado por la Universidad de Heidelberg. Oberth era un miembro antiguo de la "Sociedad par los Viajes Espaciales" (Verein fuer Raumschiffahrt ó VfR) formado en 1927. En 1930 el VfR probó con éxito un motor de combustible líquido con una tobera cónica que desarrollaba un empuje de 70 newtones (unos 10 newtones elevan 1 kg). En 1932 volaban cohetes con motores de 600 newtones. 

El Cohete V2 

En esos momentos, sin embargo, el ejercito alemán había comenzado a desarrollar cohetes para su propio uso y en 1932 alistaron a un joven ingeniero llamado Wernher Von Braun. Los cohetes militares eran mayores y más ambiciosos y el A2 que voló en 1934 desarrollaba un empuje de 16000 newton. Esto condujo hasta el A4, diseñado y probado bajo la supervisión de Von Braun, un cohete de 12 toneladas con un empuje de 250 000 newtones, con 1 tonelada de carga útil y un alcance de 300 km (unas 200 millas).

(Foto por Richard V. Wielgosz)

Denominado V-2 (arma de venganza 2) por el ejercito alemán, se enviaron cientos de ellos sobre Londres a finales de 1944, por ser un blanco lo suficientemente grande como para asegurar serios daños aún sin tener gran precisión. Debido a que estos misiles volaban mucho más rápido y más alto que cualquier aeroplano, los británicos no tenían forma de interceptarlos y bombardear sus bases de lanzamiento era también muy difícil, ya que los V-2 (como los misiles iraquíes en 1991) usaban lanzaderas móviles. El ataque solo paró cuando el ejercito alemán fue empujado más allá del alcance de los cohetes. Hoy en día se muestra un V-2 en el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian Institution en Washington (foto de la derecha). 

En los Estados Unidos

Entretanto se estaban desarrollando los cohetes en los EE.UU., bastante diferentes de los esfuerzos de Robert Goddard. Un pionero fue Theodore Von Karmán, un húngaro graduado en el Minta, una de las famosas universidades de Budapest, de la cual salió un gran número de distinguidos científicos. Karmán se convirtió en una autoridad en aerodinámica y en 1930 desempeñó el trabajo de profesor de aeronáutica en el Caltech, el California Institute of Technology en Pasadena, California. 

Juntamente con Frank Malina, uno de sus estudiantes diplomados, Karmán comenzó el diseño y construcción de cohetes en el Caltech's Guggenheim Aeronautical Lab (sostenido por la familia Guggenheim, que también financió los trabajos de Goddard). Debido a que los cohetes tenían un dudosa connotación de "lejanía", prefirió referirse a sus trabajos como "propulsión a chorro". Por último, Karmán y Malina establecieron en Caltech un laboratorio dedicado a los trabajos de cohetes, el Jet Propulsion Laboratory (JPL); hoy en día el JPL es virtualmente una parte de la NASA, un gran laboratorio especializado en la exploración del sistema solar más allá de la Tierra. Otro estudiante distinguido de Karmán fue Hsue Shen Tsien, quien posteriormente volvió a China y ayudó a asentar el esfuerzo de su país en los vuelos espaciales. 

El grupo de Karmán construyó cohetes de combustible sólido y líquido. Durante la II Guerra Mundial uno de los problemas fue conseguir poner en vuelo hidroaviones de gran peso, Karmán y sus ingenieros resolvieron esto diseñando el cohete JATO, ó "Jet Assisted Take Off." Al principio quemaron una mezcla de brea y perclorato, un compuesto rico en oxígeno similar a los que usan los profesores de química en las demostraciones de clase para producir oxígeno: la brea era el combustible y el perclorato proveía el oxígeno. (Robert Goddard diseñó un cohete de combustible líquido JATO, pero no tuvo éxito. ) 

Posteriormente diseñó el "Private", de combustible sólido, para uso militar, y uno mayor de combustible líquido, el ìCorporalî. Este último fue adaptado para la investigación a gran altura como "WAC Corporal" (WAC por Women's Auxiliary Corps) el cual, con un empuje de 6700 newtones, alcanzó en 1945 una altura de 70 km; posteriormente, a partir de este, se desarrolló un cohete científico mayor, el Aerobee. 

Usos Militares

Con la excepción del V-2, los diversos ejercitas de la II Guerra Mundial usaron cohetes de combustible sólido para bombardeos masivos, para cubrir ataques ó desembarques en la playa; el ejercito ruso, por ejemplo, tenía su famoso "Katyusha".

Asimismo, Alemania desarrolló un avión ligero movido por un cohete, con motores que solo funcionaban el tiempo necesario para permitirle su elevación e interceptar a los bombarderos americanos, después de lo cual planeaba hacia la tierra y aterrizaba sin motores. Fueron, no obstante, unas armas fruto de la desesperación y la guerra terminó antes de que pudieran utilizarse. Después de la guerra, en 1947, los EE.UU. construyeron e hicieron volar un avión cohete, el X-1, que se convirtió en el primer avión en superar la barrera del sonido en vuelo de nivel, el 14 de Octubre de 1947. El X-1 se puede ver también en el museo Smithsonian. 

Cohetes Multietapa y Tecnología

Todos los cohetes anteriores tenían un solo motor, con el que ascendían hasta que se quedaban sin combustible. Sin embargo, una forma mejor de alcanzar gran velocidad es colocar un cohete pequeño en la parte superior de un mayor y encenderlo después de que se ha apagado el primero. 

Imagine que queremos usar un cohete V-2 para enviar una carga útil pequeña, p.e. 10 kg., lo más alto posible. La carga util normal de un V-2 era de una tonelada (1000 kg), y con ese peso era posible alcanzar una altura de unos 100 km. Reduciendo la carga a 10 kg se podría incrementar la altura algo más, pero no mucho, ya que el cohete vacío, que pesa unas 3 toneladas, también es necesario elevarlo a la misma altura. 

El ejercito de los EE.UU., que después de la guerra usó V-2 capturados para vuelos experimentales a la alta atmósfera, usó un camino más efectivo. Reemplazó la carga por otro cohete, en este caso un "WAC Corporal," que era lanzado desde el alto de la órbita. Ahora el apagado V-2, que pesaba 3 toneladas, se podía dejar caer y, usando el cohete pequeño, alcanzar una mayor altitud. Este era el cohete "Bumper" (a la derecha) que en febrero de 1949 alcanzó una altura de 393 km. 

Hoy en día la mayoría de los cohetes espaciales usan varias etapas, que dejan caer las etapas apagadas y continúan con y continúan con impulsores más pequeños y ligeros. El Explorer 1, el primer satélite artificial de los EE.UU., que fue lanzado en enero de 1958, usaba un cohete de 4 etapas. La lanzadera espacial utiliza dos impulsores de combustible sólido, que se dejan caer cuando se han apagado (el desastre del "Challenger" de 1986 ocurrió cuando uno de ellos falló). 

El combustible para los motores propios de la lanzadera, hodrógeno y oxígeno liquidos, proviene de un enorme tanque desprendible. Cuando se va usando el combustible, la masa impulsada disminuye y, por a la 2ª ley de Newton, la aceleración aumenta constantemente (es difícil disminuir el empuje de los moteres, pero la lanzadera lo puede hacer de forma limitada). Para reducir la aceleración y salvar a los astronautas y al vehículo de una fatiga excesiva, en un punto elegido del vuelo se apagan 2 ó 3 motores. Aún así, cuando se quema el último combustible del tanque, la aceleración alcanza unas 6g, empujando a cada astronauta hacia abajo con una fuerza añadida de 6 veces el peso de su cuerpo. 

Las personas que no están familiarizadas con los vuelos espaciales raramente se dan cuenta que la mayor parte de la masa de los cohetes es el combustible. La masa de lanzamiento del V-2 era del 75% de combustible y el otro 25% el resto del cohete, pero como podemos ver, no era lo suficientemente bueno para los vuelos espaciales. En un artículo de 1948 en el American

Lanzamiento de un Atlas-Centaur.

Journal of Physics, titulado "¿Podemos volar a la Luna? " los autores contestan su pregunta con un no rotundo. Extrapolaban la tecnología V-2 a los grandes cohetes y calculaban que el 80% del peso debería ser combustible, y con la conclusión de que la carga útil que se podría enviar a la Luna podrían ser 10 kg, y nunca un ser humano. 

El Cohete Atlas

Los vuelos hacia la Luna solo fueron posibles con una tecnología en la que el combustible constituyese una mayor fracción de la masa. De la masa del misil Atlas, construido en los años 1950 y que fue usado por los primeros astonautas, el 97% de la misma, aproximadamente, era combustible. Esos cohetes fueron denominados como ìbalones de acero inoxidableî, conservando su forma con la ayuda del gas presurizado de su interior, usándolo también para empujar el combustible. Ese fue el vehículo con el que, el 20 de febrero de 1962, John Gleen se convirtió en el primer norteamericano en orbitar la Tierra. Debido a que el tanque de combustible era tan ligero, el Atlas solo dejaba caer dos de sus motores al final de la primera etapa de su vuelo y, como la lanzadera, continuaba con el tercero. 

La Carrera de los Misiles

El final de la II Guerra Mundial llegó en 1945, cuando Hiroshima y Nagasaki, las dos ciudades japonesas, fueron destruidas por ambas bombas atómicas. Los cohetes tuvieron de pronto una nueva y terrorífica imagen. La carga de 1 ton. de las V-2 alemanas solo causaba un daño limitado: era un arma de terror imparable, pero insignificante desde el punto de vista estratégico. Ahora ese poder destructivo podía aumentarse unas 20.000 veces. Diez años después, cuando se perfeccionó la bomba H, esta relación se aumentó en millones. 

Este logro, en los años posteriores a la II Guerra Mundial, hizo que los militares ofrecieran un mayor apoyo al desarrollo de los cohetes, especialmente en los EE.UU. y en la URSS o Unión Soviética (ahora República Rusa y sus aliados). Mientras mucha gente soñaban con explorar el espacio, el dinero iba destinado, en ese momento al menos, al desarrollo de misiles.

 Sergei Korolev

Los primeros cohetes militares fueron muy adaptables para usos científicos. Los militares pretendían que los "Misiles Balísticos Intercontinentalesî (ICBMs) fueran capaces de alcanzar cualquier punto de la Tierra, y para esto tenían que ser capaces de impartir una velocidad muy cercana a la necesaria para alcanzar una órbita sobre la atmósfera. Tanto los EE.UU. como la URSS se pusieron a trabajar en los cohetes de combustible líquido. Los EE.UU. capturaron un buen número de V-2 en buen uso, así como al equipo de diseño de cohetes alemán liderado por Wernher von Braun, que pronto tuvo un papel decisivo en el desarrollo de los misiles norteamericanos. La URSS también capturó motores V-2, y los diseñadores rusos, liderados por Valentin Glushko y Sergei Korolev ("Koralyov") copiaron esos cohetes y luegon pasaron a desarrollar los suyos propios, más potentes . 

En los EE.UU. con esos esfuerzos se consiguieron los cohetes Thor y Jupiter, con un alcance de 2000-3000 km, y el Atlas cuyo alcance era intercontinental. Al mismo tiempo se desarrolló una serie de cohetes científicos a partir del JPL's "Corporal", particularmente el Aerobee, para estudios de la alta atmósfera y el Viking, un vehículo mayor. En Inglaterra y Francia también se desarrollaron proyectos de misiles y cohetes científicos, mucho más limitados. 

El Año Geofísico Internacional 

Los cohetes científicos hicieron posible, por vez primera, los estudios de los fenómenos de gran altitud y las observaciones del Sol en emisiones ultravioleta, que normalmente eran bloqueadas por la atmósfera. Entre esos activos estaba James Van Allen, quien a finales de los 1940 envió contadores Geiger, detectores de iones rápidos y de electrones, a gran altitud abordo de cohetes Aerobee y V2. Consciente de que esos cohetes gastaban una gran cantidad de energía en vencer la resistencia del aire, él y su equipo de la Universidad de Iowa, posteriormente, suspendieron cohetes pequeños con globos de altura y los encendieron por control remoto cuando estaban por encima de la atmósfera. En 1953 uno de estos cohetes fue encendido dentro de una aurora polar  y observaron un flujo de partículas rápidas, posteriormente identificadas como electrones. 

Sputnik

Por un convenio internacional los años 1957-8 fueron declarados como el ìAño Geofísico Internacionalî (IGY), un espacio de tiempo para desarrollar esfuerzos internacionales para el estudio de la Tierra, los océanos, la atmósfera y el entorno del espacio terrestre. Los EE.UU. anunciaron que estaban planeando lanzar en esos momentos un pequeño satélite con una radio-

baliza, el "Vanguard", que usaba un cohete multietapa basado en la tecnología del Viking . Extraoficialmente Von Braun también estaba preparando un cohete militar para lanzar un satélite, suministrado por el grupo de Van Allen de la Universidad de Iowa, pero no le permitieron hacerlo antes que la misión oficial Vanguard. 

 

El "Semiorka" cohete R-7 de Korolev, similar al que lanzaba los Sputniks

La URSS también anunció su intención de lanzar satélites artificiales durante el IGY, pero los EE.UU. y sus aliados no tomaron en serio su anuncio. Ignoraban el alto desarrollo de los cohetes rusos de larga distancia, comenzando por el cohete R7 de Korolev, el Semiorka (pequeño número 7), un enorme vehículo impulsado por 20 motores. Este cohete no era solo una lanzadera muy efectiva, sino también algo bello para contemplar: cuatro afilados cohetes de 1ª etapa, cada uno con un grupo de 4 motores, rodeando el vehículo principal, que estaba impulsado igualmente por un grupo de ellos. 

El 7 de octubre de 1957, ese cohete puso en órbita circular por encima de la atmósfera el primer "sputnik" (= satélite) ruso, causando una gran conmoción en todo el mundo. El Sputnik fue visto como un reto a la tecnología de los EE.UU., y evidenciaba que los misiles soviéticos eran de alcance intercontinental. Esto no hizo solamente adelantar los planes de lanzamiento de los EE.UU., sino que hizo también reconsiderar el programa de educación científica de las escuelas y otras interioridades de la tecnología avanzada. Un mes más tarde la URSS lanzó el Sputnik 2, que llevaba una perra llamada Laika, probando que los seres vivos podrían volar al espacio y sobrevivir. 

Los EE.UU. hicieron la prueba de lanzar su satélite Vanguard el 6 de Diciembre de 1957, pero fallaron. El margen de potencia de elevación extra era más bien pequeña; en los primeros y críticos segundos no pudo elevar el cohete con la sufieciente rapidez como para separarlo de su apoyo; en vez de eso, el cohete se tumbó y ardió. Hoy en día todas las lanzaderas espaciales usan sujeciones para mantener el cohete abajo durante esos segundos, hasta que se alcanza el empuje completo; si se observa la cuenta atrás de un lanzamiento espacial, se puede ver que la ignición comienza un instante antes del despegue. No era así en los primeros tiempos. Los posteriores lanzamientos de los "Vanguard" despegaron sin problemas, pero lo que se recuerda es el fallo de 1957. 

Explorers 1 y 3

 Lanzamiento del Explorer 1

A la vista del éxito del Sputnik y el fallo del Vanguard, el plan de Von Braun tuvo un nuevo impulso y el 31 de enero de 1958, orbitó con éxito el primer satélite norteamericano, el Explorer 1 (a la derecha la foto de su lanzamiento). Abordo iba un contador Geiger de Van Allen; a este lanzamiento le siguió el del Explorer 3, un vehículo similar, en Marzo, (el Explorer 2 falló). 

Van Allen había planeado observar la radiación cósmica, los iones de alta velocidad (átomos despojados de electrones) del universo distante. Principalmente buscaba medir el flujo de los rayos cósmicos de iones de más baja energía, que eran completamente absorbidos por la atmósfera y no podían ser estudiados desde el suelo (la reciente misión Sampex estudió estas partículas con instrumentos mucho mejores). A diferencia de la órbitas de los Sputniks, la del Explorer 1 fue muy elíptica; subiendo hasta altitudes por encima de los 2000 km. 

Extrañamente, a mayores altitudes, la cantidad de partículas de rayos cósmicos registradas por el contador Geiger cayeron a cero. La razón se encontró por medio del Explorer 3, que mostró que a mayor elevación la radiación normal era tan alta que el instrumento se sobrecargaba. De esta forma se descubrió el cinturón de ìradiación atrapadaî (o sea, iones y electrones atrapados) que se extiende alrededor de la Tierra, mantenida por el campo magnético de la Tierra.

Vuelos Espaciales Tripulados

Desde los días del Sputnik y del Explorer 1, miles de naves espaciales han ido al espacio, algunas de ellas llevando pasajeros humanos. La primera persona que orbitó la Tierra fue el ruso Yuri Gagarin, el 12 de abril de 1961. El primer norteamericano en hacer lo mismo fue John Glenn, que completó tres órbitas el 20 de febrero de 1962; más de 26 años más tarde, a la edad de 77 años, Glenn retornó al espacio abordo de la lanzadera espacial. 

 John Glenn entrando en su cápsula "Mercury".

El vuelo de Glenn fue el primero del ìProyecto Mercuryî que preparó el misil Atlas. Fue seguido (en los EE.UU.) por el "Gémini" cuyas cápsulas con dos hombres abordo fueron puestas en órbita por cohetes Titán, mas potentes. Luego vinieron las misiones ìApoloî con tres hombres, primero volando alrededor de la Luna y luego alunizando sobre su superficie, el 20 de julio de 1969. En total se consiguieron 6 alunizajes con éxito, todos usando el cohete gigante, de 2700 toneladas, Saturno V, impulsado por cinco enormes motores de cohete F-1 (y uno más en la segunda etapa). Uno de estos motores se muestra en el National Air and Space Museum (NASM) del Smithsonian Institution en Washington, así como la cápsula de John Glenn, un módulo lunar y muchos otros recuerdos de los primeros tiempos de los vuelos espaciales. 

 La lanzadera espacial
 en órbita.

La historia de los vuelos espaciales tripulados es larga, fascinante y aún continúa desarrollándose. Este corto relato no puede hacerlo con justicia y aquellos que quieran saber más se deberán dirigir a otras fuentes disponibles. Los vuelos tripulados actuales se fundamentan el la lanzadera espacial, un cohete reutilizable con alas cortas, que le permiten aterrizar en una pista como un aeroplano. Los cohetes de la lanzadera utilizan unas 700 toneladas de hidrógeno y oxígeno líquidos, un combustible más eficaz; adicionalmente lleva dos cohetes de combustible adosados, con un peso de 600 toneladas cada uno. 

Los satélites tripulados incluyen varias ìestaciones espacialesî proyectadas para estancias largas. En el pasado, los EE.UU. pusieron en órbita el "Skylab," lanzado en 1973 y quemado en su reentrada a la atmósfera en 1980, bastante tiempo después de que sus ocupantes lo hubieran abandonado; un módulo de reserva del Skylab está abierto para los visitantes en el NASM. 

La URSS lanzó estaciones espaciales de tamaño creciente, las Soyuz, Salyut y (en 1986) la estación espacial Mir (a la derecha). Con los años la Mir se fue agrandando con módulos adicionales (uno de los cuales se dañó por una colisión accidental en 1997) y aún continúa en órbita. La construcción de la Estación Espacial Internacional comenzó en noviembre de 1998 con la puesta en órbita de módulo ruso "Zarya", seguido en diciembre por el ìUnityî de la NASA .

Reentrada

Cualquier misión tripulada tiene el problema del regreso seguro a la Tierra, que requiere deshacerse de una gran cantidad de energía asociada al movimiento orbital. Una nave espacial en baja órbita terrestre se mueve a unas 24 veces la velocidad del sonido. Como la energía del movimiento (energía cinética) es proporcional al cuadrado de la velocidad v, gramo por gramo (o onza por onza) ese vehículo tiene 242 = 576 veces más energía que un objeto moviéndose a la velocidad del sonido (en el aire), p.e. una bala. 

La fricción atmosférica convierte esa energía en calor, un calor suficiente para fundir y hasta evaporar el material de la nave, incluso a un metal duro. Para liberarse de ese calor, el vehículo entra en la atmósfera con un ángulo pequeño, retrasándose en las capas más rarificadas. También es muy útil que presente un obstaculo romo al aire, porque crea un gran frente de choque por delante del vehículo que disipa una gran cantidad de calor. Por esta razón la lanzadera comienza la reentrada enfrentando la parte inferior y solo después de perder la mayor parte de su velocidad, gira sobre si misma y coloca su proa (parte delantera) por delante como cualquier aeroplano. 

Aún así, alcanza la nave una gran cantidad de calor, lo que requiere que la parte delantera sea recubierta con material resistente al calor. Las Mercurio, Geminis y Apolo usaban escudos que se desgastaban (vaporizaban), que aligeraban la nave para que aterrizase con un paracaídas. La parte inferior de la lanzadera está recubierta con tejas de un material especial ligero y resistente al calor. La Unión Soviética construyó e hizo volar en 1988 su propia lanzadera, la Buran, pero aunque su prueba fue buena, no se ha vuelto a usar.

    Foto de la derecha: Wernher Von Braun y uno de los motores-cohete F-1, del tipo que impulsó los vuelos Apolo a la Luna. Un motor similar se muestra en el National Air and Space Museum del Smithsonian, en Washington, DC.

Naves Espaciales no Tripuladas

Es tan grande la variedad de naves no tripuladas (al igual que las tripuladas), que es imposible tratarlas aquí todas. Pueden dividirse en cinco grupos, que se describen por separado en los archivos enlazados de la lista siguiente:

- Satélites que observan el Sol, el Sistema Solar o el Universo (como la japonesa Yohkoh que observa el Sol o el telescopio en órbita Hubble). Los observatorios en órbita pueden detectar longitudes de onda que la atmósfera no deja pasar, como la luz ultravioleta o los rayos X.

- Satélites que observan a la Tierra desde arriba, para usos científicos, militares y comerciales, como los meteorológicos, que muestran los mapas del tiempo en la TV.

- Satélites que toman muestras de su entorno, por ejemplo, los que monitorizan los cinturones de radiación y el viento solar.

- Satélites usados para el beneficio de la humanidad, como los de comunicaciones y los del sistema GPS usado en determinar la posición.

- Naves que no están ligadas a la Tierra, sino que exploran otros planetas y los límites del sistema solar. 

Fuente: NASA

 

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