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Autor: Patrick L. Barry

Robert Goddard y un cohete de combustible líquido de la cosecha de los años 20. [Más información]

Octubre 14, 2005: Cuando se piensa en la tecnología de los cohetes del futuro, probablemente se piensa en propulsión iónica, motores de antimateria y otras ideas exóticas.

¡No tan rápido! El capítulo final de los cohetes tradicionales de combustible líquido aún está por escribir. La investigación está en camino hacia una nueva generación de diseños de cohetes de combustible líquido que podrían doblar el rendimiento sobre los diseños actuales a la vez que mejorarían también su fiabilidad.

Los cohetes de combustible líquido han estado por aquí durante un largo tiempo: el primer lanzamiento impulsado con líquido fue llevado a cabo en 1926 por Robert H. Goddard. Aquel cohete simple produjo apenas unas 20 libras de empuje, suficiente para llevarlo a unos 40 pies en el aire. Desde entonces, los diseños se han ido haciendo más sofisticados y potentes. Los tres motores de combustible líquido a bordo de la lanzadera espacial, por ejemplo, pueden ejercer más de 1,5 millones de libras de empuje combinado en su camino a la órbita de la Tierra.

Podríamos suponer que, a estas alturas, todo refinamiento imaginable en los diseños de cohetes líquidos ya debe haberse llevado a cabo. Estaríamos equivocados. Resulta que aún hay espacio para el progreso.

Dirigidos por la Fuerza Aérea de EE.UU., un grupo compuesto por la NASA, el Departamento de Defensa, y varios socios industriales están trabajando en diseños de motor mejores. Su programa se llama Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies (Tecnologías Integradas de Propulsión de Cohetes de Gran Carga), y están enfocando a muchas posibles mejoras. Una de las más prometedoras hasta el momento es un nuevo esquema para el flujo de combustible:

La idea básica tras un cohete de combustible líquido es bastante sencilla. Un combustible y un oxidante, ambos in estado líquido, son introducidos en una cámara de combustión y encendidos. Por ejemplo, la lanzadera usa hidrógeno líquido como su combustible y oxígeno líquido como el oxidante. Los gases calientes producidos por la combustión escapan rápidamente a través de la tobera cónica, produciendo así el impulso.

Los detalles, por supuesto, son mucho más complicados. Por ejemplo, tanto el combustible líquido como el oxidante deben ser introducidos en la cámara muy rápido y bajo una gran presión. ¡Los motores principales de la lanzadera vaciarían una piscina llena de fuel en sólo 25 segundos!

Este torrente emanado de combustible es impulsado por una turbo bomba. Para alimentar la turbo bomba, una pequeña cantidad de combustible es 'pre-quemado', generando así gases calientes que accionan la turbo bomba, que a su vez impulsa el resto del combustible en la cámara principal de combustión. Un proceso similar se usa para impulsar el oxidante.

Los cohetes actuales de combustible líquido envían sólo una pequeña cantidad de fuel y oxidante a través de los pre quemadores. El grueso fluye directamente a la cámara principal de combustión, evitando completamente los pre-quemadores.

Una reproducción del Prototipo de Bomba Integrada, mostrando su innovadora fontanería para dirigir el combustible y el oxidante a la cámara de combustión. [Más información]

Una de las muchas innovaciones que están siendo probadas por la Fuerza Aérea y la NASA es enviar todo el combustible y oxidante a través de sus respectivos pre-quemadores. Sólo una pequeña cantidad es consumida allí – justo la necesaria para que funcionen los turbos; el resto fluye a través de la cámara de combustión.

Este diseño de 'ciclo de flujo completo por etapas' tiene una importante ventaja: con más masa pasando a través de la turbina que impulsa la turbo bomba, ésta es impulsada más fuerte, alcanzando así presiones más altas. Presiones más altas equivalen a un mayor rendimiento del cohete.

Un diseño así no se ha usado nunca en un cohete de combustible líquido en los EE.UU. antes, según Gary Genge del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA. Genge es el Director Delegado del Proyecto para el Prototipo de Bomba Integrada (Integrated Powerhead Demonstrator ,IPD) – un motor de pruebas para estos conceptos.

'Estos diseños que estamos explorando podrían mejorar el rendimiento de muchas maneras', dice Genge. 'Esperamos una mejor eficiencia del combustible, mejor ratio impulso-peso, fiabilidad mejorada – todo a un coste más bajo'.

'En esta fase del proyecto, sin embargo, estamos sólo intentando obtener que este patrón de flujo alterno funcione correctamente', apunta.

Ya han conseguido una meta clave: un motor de funcionamiento más frío. 'Las turbo bombas que usan patrones de flujo tradicionales pueden calentarse hasta los 1800 ºC', dice Genge. Eso es mucha fatiga térmica sobre el motor. La turbo bomba de 'flujo completo' es más fría, ya que con más masa atravesándola, pueden usarse temperaturas más bajas y aun así conseguir un buen rendimiento', dice.

El IPD es concebido sólo como un banco de pruebas para nuevas ideas, apunta Genge. El Prototipo en sí mismo nunca volará al espacio. Pero si el proyecto tiene éxito, algunas de las mejoras del IPD podrían encontrar su camino en los vehículos de lanzamiento del futuro.

Casi cien años y miles de lanzamientos después de Goddard, los mejores cohetes de combustible líquido pueden estar aún por llegar.

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Autor: Patrick L. Barry