viernes, 18 de enero de 2013

Motores cohete: El primer paso.

Por: Chato Wilbury

EL MOMENTO CRUCIAL

Ya Jules Verne había hecho su parte. Había motivado a la humanidad a emprender la hazaña de mayor alcance de la historia. Y poco después Konstantin Tsiolkovsky había descrito con gran detalle sobre el uso como propulsores de los combustibles líquidos mediante propelentes y turbobombas. Incluso sobre enfriar los componentes con los mismos líquidos antes de pasar a la combustión, para elevar la eficiencia del sistema. Ahora faltaba dar el gran paso.




Muchos admiramos a Da Vinci por dibujar máquinas visionarias, e incluso esculpió una escultura ecuestre de puro bronce. Pero sus ideas rara vez llegaban a materializarse, por las circunstancias que fueran. Eso no le resta ningún grado al genio, pues se requirieron de miles de hombres, procesos, materiales y soluciones para ir materializando cada uno de sus trabajos.

Esa es la diferencia entre la teoría y la práctica. En el caso de la historia de la propulsión cohete, el momento crucial fue la mañana del 16 de Marzo de 1926, en Auburn, Massachusetts. El equivalente en astronáutica de lo que fue el avión de los Wright. En ese momento despegó el primer cohete de combustible líquido de la historia.

SE DICE FÁCIL...

Los trabajos para materializar los sueños de la humanidad, se gestaron desde meses antes del despegue, cuando logró estabilizar la combustión en una cámara cerrada. Eso solo se logra administrando en proporciones precisas, una combinación de líquido altamente volátil (Combustible) con una atmósfera que favorezca la combustión (Oxígeno).

Eso no es sencillo. Si dejamos chorrear gasolina con una manguera y le prendemos fuego, sólo obtenemos un camino de lumbre que sube hasta la fuente de combustible. Por eso debemos ingresar los líquidos a una presión y velocidad mayor que a la que se queman en la cámara de combustión.

De la misma manera, si queremos optimizar la expansión de los gases, necesitamos que la mayor cantidad de moléculas de combustible estén en contacto con el oxígeno suficiente para propiciar la combustión. O sea que si inyectamos un chorro, sólo podrán quemarse explosivamente las moléculas que están en contacto directo con el oxígeno, el interior del chorro seguirá intacto hasta encontrar oxígeno, entregando una combustión pobre, lenta y descontrolada.

Para que todas las moléculas de oxígeno y combustible estén en contacto directo entre ellas, es preciso obtener una mezcla homogénea, atomizando los líquidos lo suficiente como para crear una atmósfera altamente explosiva, contenida en una cámara con una sola salida por donde puedan escapar los gases en expansión. (primera imagen)

Lograr un atomizado perfecto depende del diseño de las boquillas inyectoras (Nozzles) y su manufacturabilidad.

Con un atomizado constante y un diseño eficiente de la cámara de comustión, sólo necesitamos encenderlo para desatar toda la fuerza de la termodinámica. La 3era Ley de Newton hace el resto: Empujar el vehículo hacia donde los gases NO pueden escapar.


 
Video que explica el sistema de inyección
del V2 de Werner Von Braun.

EL DISEÑO DE GODDARD

Robert Goddard utilizó una mezcla de oxígeno líquido y gasolina. Para empujar los líquidos a la cámara de combustión, instaló una compresora para presionar los líquidos y así obligarlos a fluir por los ductos. Con un mechero de alcohol entre los dos tanques, calentaba los líquidos para presurizarlos todavía más.

Aún estaban muy lejanos los sistemas de dirección giroscópica, así que ni pensar en colocar el motor debajo del cohete. Empujar semejante estructura, sería como tratar de mantener en equilibrio una escoba cargandola con un dedo! No, mejor se fueron por el probado sistema de los chifladores de feria: Poner la salida de los gases arriba, con el resto del peso abajo. Eso lo guiaría en la dirección deseada.



MIENTRAS TANTO

El destino quiso que el primero fuera Goddard, pero en Alemania llevaban ya un gran avance, y en 1931 Johannes Winkler rompió el récord de altura, con un lanzamiento de su cohete con motor trasero y estabilizado con alerones aerodinámicos. Llegaría hasta los 90 metros de altitud. Haciendo el primer lanzamiento europeo, gracias a los estudios que hizo de las anotaciones del ingeniero Max Valier, cuyas experiencias resumiremos a continuación.

El motor es el principal reto de construcción de la tecnología de cohetes. Tan complicado es lograr una combustión continua que cada logro representaba grandes avances. En 1930, el ingeniero alemán Max Valier le había puesto cohetes de combustible sólido a todo lo que pudo, desde trineos, hasta aviones y autos.

Para dar el siguiente paso, le pidió apoyo al Dr Paul Heylant, dueño de una fábrica de gases. El Dr Heylant no le pagaba, pero le apoyó con 6 000 marcos en equipo y materiales para que experimentara. Ahí conoció a un empleado de la fábrica llamado Walter Riedel y entre los dos comenzaron a fabricar los componentes. Finalmente lograron una combustión continua y relativamente estable.

Eran tiempos de experimentar con todo, y Max Valier pensó que para que las naves espaciales tuvieran cohetes para viajar al espacio, antes tendrían que instalarse en autos y luego en aviones, así que eso hizo. Le quitó a su Opel Rak 6 el experimento de propulsión de CO2 presurizado que utilizaba para moverse y le puso el motor de Alcohol Etílico y Oxígeno Líquido. Tenía una salida de gases de 28mm y alcanzaba 30Kgf de empuje... todo un récord en la incipiente historia de los motores cohete. Comenzaron a hacer demostraciones del auto buscando inversionistas.


Max Valier en una prueba de banco.
Siguieron mejorando sus motores en víspera de la "Semana de la Aviación" de Berlín 1930, donde harían una demostración más de su humeante automóvil cohete. Ya  llevaban días trabajando sin descanso en su nuevo motor de Diesel-Agua y Oxígeno Líquido y con una salida de gases de 40mm. Con él desarrollarían 100 Kgf. 

Esa noche se concentraban en obtener una combustión eficiente y constante. Con frecuencia se formaran burbujas de combustible dentro de las cámaras, que al presurizarse causaban estallidos, irregularidades y detenciones del motor. 

Aún no habían desarrollado sistemas de enfriamiento para los componentes pues tenían el tiempo encima para la demostración. Valier daba vueltas alrededor del motor funcionando, inspeccionaba de cerca si había manchas que evidenciaran algún requemado de la estructura de acero en la tobera o en la cámara de combustión. Si se presentaban señales de cambios en el material, Valier daba señales a Walter Riedel para que regulara las válvulas y bajara la presión de alimentación. Apenas podian verse, debido al destello de los gases, pero en medio del ensordecedor rugido del motor, las señas eran la única forma de comunicación. 

El manómetro marcaba ya 7 atmósferas... y las burbujas de gas causadas por la pobre mezcla conseguida en su interior, tronaban sacudiendo toda la estructura. Ya eran las 2 de la mañana cuando el motor se convulsionó e instantaneamente surgió un destello repentino! Una explosión atronadora desintegró el motor arrojando esquirlas por doquier. Una placa de acero segó la aorta de Velier y Riedel lo sujetó rápidamente tapándole la fuente de sangre. Le ordeno a otro compañero, Arthur Rudolph que le sujetara la herida mientras el salía corriendo a la caseta de vigilancia de la compañía para llamar a los bomberos. Para cuando llegaron las ambulancias, no se pudo hacer nada y Max Valier murió en brazos de Arthur mientras se disipaba el humo que salía de los escombros...

Y LO QUE ESTARÍA POR VENIR!

El camino para lograr una combustión confiable llegaría con muchas pruebas y algunos años, pero el desarrollo de la tecnología necesaria para lograrlo implicaría grandes esfuerzos de industrialización y estandarización. Era difícil lograr semejante grado de calibración y calidad de componentes en los sucios talleres de una fábrica. Para ganar experiencia era necesario llevar registros de parámetros, de detalles, de condiciones y de las lecciones aprendidas. Estandarizar en procedimientos cada logro y tener indicadores que comprobaran los lentos avances.

Aún faltaba mucho para estabilizar a los cohetes con giroscopios, enfriar los motores de la forma que se pudiera y de tener sistemas de ignición seguros. Cada avance técnico trae consigo grandes lecciones, muchas trágicas como lo sucedido a Max Velier, pero muchas más exitosas y curiosas. 

Lo importante es resaltar que la motivación, el esmero y la calidad pueden hacer de cualquier taller, la cuna de una gran tecnología.

AGRADECIMIENTOS

Ésta es la contribución de "Entendido y Anotado" expresamente redactada para "El XXXVIII Carnaval de la Física". Evento organizado en ésta ocasión por el Blog Eureka

Es también un agradecimiento al Astrofísico Daniel Marín, de las Islas Canarias, por su contribución a la divulgación de la astronáutica en el mundo de habla hispana.

REFERENCIAS

Exploración del Espacio, Vol. II,  
Kenneth Gatland. 
Biblioteca de Divulgación Científica "Muy Interesante"
Ediciones Quarto, 1985.





6 comentarios:

  1. Gracias a ti, Chato, me ha gustado mucho la entrada.

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    1. Es un enorme honor recibir tu comentario! gracias y estamos en contacto!

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    1. Gracias, Luis! A ver si te gusta la continuación: Los logros de Hermann Oberth!

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    1. Sólo es un pequeño homenaje a lo que nos ha enseñado Daniel... Pero es un honor que te guste. Saludos!

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