Cohete

Un cohete (del italiano rocchetto , literalmente "  carrete", y llamado así por su forma) ^{[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 al escape expulsado a alta velocidad. ^[2] Los motores de cohete funcionan completamente con propulsor transportado dentro del vehículo; por lo tanto, un cohete puede volar en el vacío del espacio. Los cohetes funcionan de manera más eficiente en el vacío e incurren en una pérdida de empuje debido a la presión opuesta de la atmósfera.

Los cohetes multietapa son capaces de alcanzar la velocidad de escape desde 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 cardán , 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 al siglo XIII en China . ^[3] El uso científico, interplanetario e industrial significativo no ocurrió hasta el siglo XX, cuando la cohetería fue la tecnología que permitió la era espacial , incluido el pisar la Luna . Los cohetes se utilizan ahora para fuegos artificiales , misiles y otras armas , asientos eyectables , vehículos de lanzamiento para satélites artificiales , vuelos espaciales tripulados y exploración espacial .

Los cohetes químicos son el tipo más común de cohete de alta potencia, que normalmente crea un escape de alta velocidad mediante la combustión de combustible con un oxidante . El propulsor almacenado puede ser un simple gas presurizado o un solo combustible líquido que se disocia en presencia de un catalizador ( monopropulsor ), dos líquidos que reaccionan espontáneamente al contacto ( propulsores hipergólicos ), dos líquidos que deben encenderse para reaccionar (como el queroseno (RP1) y el 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 de 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, prueba, construcción y uso cuidadosos minimizan los riesgos. ^{[ cita requerida ]}

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 múltiples durante esta época. Los mongoles adoptaron la tecnología de cohetes china y la invención se extendió a través de las invasiones mongolas a Oriente Medio y Europa a mediados del siglo XIII. ^[4] Según Joseph Needham, la marina 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, que registra que la "rata de tierra", un tipo de fuego artificial , había asustado a 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 el 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 armada china. ^[6]

Los cohetes medievales y modernos tempranos se usaban militarmente como armas incendiarias en 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 dispositivos de guerra ), que incluía 107 recetas de pólvora, 22 de ellas para cohetes. ^{[7] [8]} En Europa, Roger Bacon mencionó 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 propulsadas por cohetes. ^{[11] [12]}

El nombre "cohete" proviene del italiano rocchetta , que significa "bobina" o "pequeño huso", debido a la similitud en forma con la bobina o carrete utilizado para sostener el hilo de una rueca. Leonhard Fronsperger y Conrad Haas adoptaron el término italiano en 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 con cohetes , de Casimir Siemienowicz , se imprimió por primera vez en Ámsterdam en 1650.

Los cohetes Mysoreanos fueron los primeros cohetes con carcasa de hierro que tuvieron éxito, desarrollados a fines 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 basaba directamente en los cohetes Mysoreanos, utilizaba pólvora comprimida y se utilizó en las guerras napoleónicas . Fue a 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 estaba sitiando Fort McHenry en 1814. ^[14] En conjunto, las innovaciones Mysoreanas y británicas aumentaron 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 aparatos de lanzamiento de cohetes múltiples. ^{[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 de colocación de cañones. William Hale en 1844 aumentó en gran medida la precisión de la artillería de cohetes. Edward Mounier Boxer mejoró aún más el cohete Congreve en 1865.

William Leitch fue el primero en proponer el concepto de utilizar cohetes para hacer posible los vuelos espaciales tripulados en 1861. La descripción de los vuelos espaciales con cohetes que hizo Leitch se presentó por primera vez en su ensayo de 1861 "Un viaje a través del espacio", que luego se publicó 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 afirmó: "... en 1917, Experimental Works diseñó un cohete dirigido eléctricamente... Se llevaron a cabo experimentos con cohetes bajo mis propias patentes con la ayuda del comandante Brock ". ^[18] La patente "Mejoras en los cohetes" se presentó en julio de 1918, pero no se publicó hasta febrero de 1923 por razones de seguridad. Los controles de disparo y guía podían ser cableados o inalámbricos. El eflujo de propulsión y guía del cohete emergía de la cubierta deflectora en la nariz.

En 1920, el profesor Robert Goddard de la Universidad Clark publicó mejoras propuestas a 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 adjuntó 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 hipersónico , más frío y altamente dirigido, duplicando con creces el empuje y aumentando la eficiencia del motor del 2% al 64%. ^[19] Su uso de propulsores líquidos en lugar de pólvora redujo en gran medida el peso y aumentó la efectividad de los cohetes.

En 1921, el laboratorio soviético de investigación y desarrollo Gas Dynamics Laboratory comenzó a desarrollar cohetes de combustible sólido , lo que resultó en el primer lanzamiento en 1928, que voló aproximadamente 1.300 metros. ^[20] Estos cohetes se utilizaron en 1931 para el primer uso exitoso del mundo de cohetes para el despegue asistido por chorro de aeronaves ^[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 de ciencia ficción alemana de Fritz Lang, La mujer en la luna . Mostró el uso de un cohete de varias etapas y también fue pionero en el concepto de una plataforma de lanzamiento de cohetes (un cohete en posición vertical contra un edificio alto antes del lanzamiento después de haber sido rodado lentamente hasta su lugar) y el reloj de cuenta regresiva para el lanzamiento del cohete . ^{[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 El cohete al espacio interplanetario 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 pensó 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 , 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 del MW 18014 el 20 de junio de 1944. ^[28] Doug Millard, historiador espacial y conservador de tecnología espacial en el Museo de la Ciencia de 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 del V-2, pero se trataba de una tecnología que se desarrolló con recursos masivos, incluidos algunos particularmente sombríos. El programa V-2 fue enormemente costoso en términos de vidas, ya que los nazis utilizaron mano de obra esclava para fabricar estos cohetes". ^[29] En paralelo con el programa alemán de misiles guiados , también se utilizaron cohetes en aviones , ya sea para asistir el despegue horizontal ( RATO ), el despegue vertical ( Bachem Ba 349 "Natter") o para impulsarlos ( Me 163 , ver lista de misiles guiados de Alemania en 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 el papel de artillería y el proyectil antitanque estadounidense bazooka . Estos usaban propulsores químicos sólidos.

En 1945, los estadounidenses capturaron a un gran número de científicos alemanes especializados en cohetes , entre ellos Wernher von Braun, y los trajeron a 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 la presión de la atmósfera, la detección de rayos cósmicos y otras técnicas; cabe destacar también el Bell X-1 , el primer vehículo tripulado que rompió la barrera del sonido (1947). Independientemente, 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 una gran importancia militar con el desarrollo de los modernos misiles balísticos intercontinentales (ICBM). En la década de 1960 se produjo un rápido desarrollo de la tecnología de cohetes, en particular 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 Saturno V.

Configuraciones del vehículo

Los vehículos cohete suelen construirse con la típica forma de "cohete" alto y delgado que despega verticalmente, pero en realidad hay muchos tipos diferentes de cohetes, entre ellos: ^[30]

• Modelos diminutos como cohetes de globos , cohetes de agua , cohetes o pequeños cohetes sólidos que se pueden comprar en una tienda de pasatiempos.
• misiles
• Cohetes espaciales como el enorme Saturno V utilizado para el programa Apolo
• coches cohete
• Bicicleta cohete ^[31]
• Aeronaves propulsadas por cohetes (incluido el despegue asistido por cohetes de aeronaves convencionales – RATO )
• trineos cohete
• trenes cohete
• torpedos cohetes ^{[32] [33]}
• mochilas propulsoras propulsadas por cohetes ^[34]
• Sistemas de escape rápido, como asientos eyectables y sistemas de escape de lanzamiento.
• sondas espaciales

El diseño de un cohete puede ser tan simple como un tubo de cartón lleno de pólvora negra , pero para fabricar un cohete o misil eficiente y preciso es necesario 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 tobera . También pueden tener uno o más motores de cohete , dispositivos de estabilización direccional (como aletas , motores vernier o cardanes de motor para vectorización de empuje , giroscopios ) y una estructura (normalmente monocasco ) para mantener juntos estos componentes. Los cohetes destinados al uso atmosférico a alta velocidad también tienen un carenado aerodinámico, como un cono de morro , que normalmente sostiene la carga útil. ^[36]

Además de estos componentes, los cohetes pueden tener cualquier otro número de componentes, como alas ( aviones cohete ), paracaídas , ruedas ( coches cohete ) e incluso, en cierto sentido, una persona ( cinturón cohete ). Los vehículos poseen frecuentemente sistemas de navegación y sistemas de guía que normalmente utilizan navegación por satélite y sistemas de navegación inercial .

Los motores de cohetes emplean el principio de propulsión a chorro . ^[2] Los motores de cohetes que impulsan cohetes vienen en una gran variedad de tipos diferentes; se puede encontrar una lista completa en el artículo principal, Motor de cohete . La mayoría de los cohetes actuales son cohetes propulsados ​​químicamente (generalmente motores de combustión interna , ^[37] pero algunos emplean un monopropelente de descomposición ) que emiten un gas de escape caliente . Un motor de cohete puede usar propulsores de gas, propulsores sólidos , propulsores líquidos o una mezcla híbrida de sólidos y líquidos . Algunos cohetes usan calor o presión que se suministra desde una fuente distinta a la reacción química del propulsor(es), como los cohetes de vapor , los cohetes térmicos solares , 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 comburentes, se inicia una reacción química entre el combustible y el oxidante en la cámara de combustión , y los gases calientes resultantes se aceleran fuera de una boquilla (o boquillas ) del motor de cohete en el extremo orientado hacia atrás del cohete. 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 ). Esto sucede en realidad porque la fuerza (presión por área) sobre la pared de la cámara de combustión no está equilibrada por la abertura de la tobera; esto no sucede en ninguna otra dirección. La forma de la tobera también genera fuerza al dirigir los gases de escape a lo largo del eje del cohete. ^[2]

El propulsor de un cohete es una masa que se almacena, normalmente en algún tipo de tanque o carcasa de propulsor , antes de ser utilizada como masa propulsora que se expulsa desde un motor de cohete en forma de chorro de fluido para producir empuje . ^[2] En el caso de los cohetes químicos, los propulsores suelen ser 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 oxidante se mantiene separado y se mezcla en la cámara de combustión, o viene premezclado, como en el caso de los cohetes sólidos.

A veces, el propulsor no se quema, sino que sufre una reacción química y puede ser un "monopropulsor", como la hidracina , el óxido nitroso o el peróxido de hidrógeno , que pueden descomponerse catalíticamente en gas caliente.

Como alternativa, se puede utilizar un propulsor inerte que pueda calentarse externamente, como en los cohetes de vapor , los cohetes térmicos solares o los cohetes térmicos nucleares . ^[2]

En el caso de cohetes más pequeños y de bajo rendimiento, como los propulsores de control de actitud , donde el alto rendimiento es menos necesario, 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 , difería 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 lograría estabilidad al "colgarse" del motor como un péndulo en vuelo. ^[39] Sin embargo, el cohete se desvió de su curso 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]

Los cohetes u otros dispositivos de reacción similares que lleven su propio combustible deben utilizarse cuando no hay otra sustancia (tierra, agua o aire) o fuerza ( gravedad , magnetismo , luz ) que un vehículo pueda utilizar de forma útil para su propulsión, como en el espacio. En estas circunstancias, es necesario llevar todo el combustible que se vaya a utilizar.

Sin embargo, también son útiles en otras situaciones:

Algunas armas militares utilizan cohetes para impulsar ojivas hasta 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 utilizan motores de cohete, algunos usan otros motores como jets ) o como cohete si no está guiado. Los misiles antitanque y antiaéreos utilizan motores de cohete para atacar objetivos a alta velocidad a una distancia de varios kilómetros, mientras que los misiles balísticos intercontinentales se pueden utilizar para lanzar múltiples ojivas nucleares desde miles de kilómetros, y los misiles antibalísticos intentan detenerlos. Los cohetes también se han probado para reconocimiento , como el cohete Ping-Pong , que se lanzó para vigilar objetivos enemigos, sin embargo, los cohetes de reconocimiento nunca han llegado a usarse ampliamente en el ejército.

Los cohetes sonda se utilizan comúnmente para transportar instrumentos que toman lecturas desde 50 kilómetros (31 millas) hasta 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 raíl a una velocidad extremadamente alta. 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 (2500 a 4500 m/s [9000 a 16 200 km/h], los cohetes son particularmente útiles cuando se requieren velocidades muy altas, como la velocidad orbital de aproximadamente 7800 m/s [28 000 km/h], 17 000 mph]. Las naves espaciales lanzadas 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 lanzar naves espaciales a la órbita y más allá. ^[45] También se utilizan para acelerar rápidamente las naves espaciales cuando cambian de órbita o salen de la órbita para aterrizar . Además, un cohete puede usarse para suavizar un aterrizaje duro con paracaídas inmediatamente antes del aterrizaje (ver retrocohete ).

Los cohetes se utilizaban para impulsar una cuerda hasta un barco accidentado, de modo que se pudiera 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 Saturno V ^[46] y el Soyuz ^[47] , tienen sistemas de escape de lanzamiento . Se trata de un cohete pequeño, normalmente sólido, capaz de alejar la cápsula tripulada del vehículo principal y llevarla a un lugar seguro en cualquier momento. Este tipo de sistemas se han utilizado varias veces, tanto en pruebas como en vuelo, y han funcionado correctamente en todas las ocasiones.

Este fue el caso cuando el Sistema de Garantía de Seguridad (nomenclatura soviética) logró retirar 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 estaba tripulada, se salvó de la destrucción. Solo los tres cohetes N1 antes mencionados tenían sistemas de garantía de seguridad funcionales. El vehículo excepcional, 6L , tenía etapas superiores ficticias y, por lo tanto, no tenía sistema de escape, lo que le dio al cohete N1 una tasa de éxito del 100% para la salida de un lanzamiento fallido. ^{[48] [49] [50] [51]}

Un escape exitoso de una cápsula tripulada ocurrió 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 impulsar a la tripulación hacia un lugar seguro desde el vehículo cuando se pierde el control del vuelo. ^[53]

Un cohete modelo es un cohete pequeño diseñado para alcanzar altitudes bajas (por ejemplo, 100–500 m (330–1640 pies) para un modelo de 30 g (1,1 oz)) y ser recuperado por diversos medios.

Según el Código de Seguridad de la Asociación Nacional de Cohetería de los Estados Unidos (nar), ^[54] los cohetes modelo se construyen con papel, madera, plástico y otros materiales livianos. El código también proporciona pautas para el uso del motor, la selección del sitio de lanzamiento, los métodos de lanzamiento, la ubicación del lanzador, el diseño y despliegue del sistema de recuperación y más. Desde principios de la década de 1960, se ha proporcionado una copia del Código de Seguridad de Cohetes Modelo con la mayoría de los kits y motores de cohetes modelo. A pesar de su asociación inherente con sustancias extremadamente inflamables y objetos con una punta puntiaguda que viajan a altas velocidades, la cohetería modelo históricamente ha demostrado ^{[55] [56]} ser un pasatiempo muy seguro y se le ha atribuido el mérito de ser una fuente importante de inspiración para los niños que eventualmente se convierten en científicos e ingenieros . ^[57]

Los aficionados construyen y hacen volar 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 han fabricado cohetes con casi cualquier cosa. Los cohetes también se utilizan en algunos tipos de fuegos artificiales para consumidores y profesionales . 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 plástico usada de refresco. El agua sale a presión mediante un gas presurizado, normalmente aire comprimido. Es un ejemplo de la tercera ley del movimiento de Newton.

La escala de la cohetería amateur puede variar desde un pequeño cohete lanzado en el patio trasero de uno hasta un cohete que llega al espacio. ^[58] La cohetería amateur se divide en tres categorías según el impulso total del motor : baja potencia, potencia media y alta potencia .

Los cohetes de peróxido de hidrógeno se utilizan para impulsar mochilas propulsoras , ^[59] y se han utilizado para impulsar automóviles , y un automóvil cohete posee el récord de todos los tiempos (aunque no oficial) en carreras de aceleración . ^[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 para vuelos espaciales orbitales , o al espacio interplanetario , generalmente se realizan desde una ubicación fija en la Tierra, pero también serían posibles desde un avión o un barco.

Las tecnologías de lanzamiento de cohetes incluyen todo el conjunto 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 misión , la plataforma de lanzamiento , las estaciones terrestres y las estaciones de seguimiento necesarias para un lanzamiento o recuperación exitosos o ambos. A menudo se los denomina colectivamente " segmento terrestre ".

Los vehículos de lanzamiento orbital generalmente despegan verticalmente y luego comienzan a inclinarse progresivamente, generalmente siguiendo una trayectoria de giro gravitacional .

Una vez que se encuentra por encima de la mayor parte de la atmósfera, el vehículo inclina el chorro del cohete, apuntándolo en gran parte horizontal pero un poco hacia abajo, lo que le permite ganar altitud y luego mantenerla mientras aumenta la velocidad horizontal. A medida que aumenta la velocidad, el vehículo se irá haciendo cada vez más horizontal hasta que, a velocidad orbital, el motor se apagará.

Todos los vehículos actuales se deshacen de sus componentes durante su viaje a la órbita. Aunque se han propuesto vehículos que podrían alcanzar la órbita sin necesidad de realizar etapas, nunca se ha construido ninguno y, si se propulsaran únicamente con cohetes, los requisitos de combustible, que aumentan exponencialmente, harían que su carga útil fuera mínima o inexistente. La mayoría de los vehículos de lanzamiento actuales e históricos "gastan" sus componentes desechados, normalmente dejándolos caer al océano, pero algunos han recuperado y reutilizado los componentes desechados, ya sea mediante paracaídas o mediante aterrizaje propulsivo.

Al lanzar una nave espacial a la órbita, se utiliza un "El " dogleg " es un giro guiado y propulsado 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 acimut de lanzamiento deseado, para alcanzar una inclinación orbital deseada, tomaría la trayectoria terrestre sobre 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 sitio de lanzamiento. Los doglegs son indeseables debido al combustible adicional a bordo requerido, lo que causa una carga más pesada y una reducción del rendimiento del vehículo. ^{[64] [65]}

Los gases de escape de los cohetes generan una cantidad significativa de energía acústica. Cuando los gases de escape supersónicos chocan 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 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) sobre la plataforma de lanzamiento. El agua reduce el nivel de ruido de 180 dB a 142 dB (el requisito de diseño es de 145 dB). ^[68] Sin el sistema de supresión de sonido, las ondas acústicas se reflejarían en la plataforma de lanzamiento hacia el cohete, haciendo vibrar la sensible carga útil y la tripulación. Estas ondas acústicas pueden ser tan severas que pueden dañar o destruir el cohete.

El ruido es generalmente más intenso cuando un cohete está cerca del suelo, ya que el ruido de los motores se irradia hacia arriba, lejos del avión, y se refleja en el suelo. Este ruido se puede reducir un poco mediante zanjas de llamas con techos, mediante la inyección de agua alrededor del avión y desviándolo en un ángulo. ^[66]

En los cohetes tripulados se utilizan diversos métodos para reducir la intensidad del sonido para los pasajeros y, por lo general, la colocación 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 requerida ]} 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 empuje contra el entorno ambiental al que se liberan estos gases. ^{[ cita requerida ]} La dirección ideal de movimiento del escape es en la dirección para causar empuje. En el extremo superior de la cámara de combustión, el fluido de gas caliente y energético no puede moverse hacia adelante y, por lo tanto, empuja hacia arriba contra la parte superior de la cámara de combustión del motor del 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 boquilla del motor del cohete sobre el fluido de alta presión de los gases de combustión es hacer que los gases se aceleren a alta velocidad. Cuanto mayor sea la velocidad de los gases, menor será 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 diseñado adecuadamente, el flujo alcanzará Mach 1 en la garganta de la tobera. En ese punto, la velocidad del flujo aumenta. Más allá de la garganta de la tobera, una parte de expansión en forma de campana del motor permite que los gases que se están expandiendo empujen contra esa parte del motor del cohete. Por lo tanto, la parte de campana de la tobera proporciona un empuje adicional. Expresado de manera simple, para cada acción hay una reacción igual y opuesta, de acuerdo con la tercera ley de Newton , con el resultado de que los gases que salen producen la reacción de una fuerza sobre el cohete, lo que hace que este se acelere. ^{[69] [nb 2]}

En una cámara cerrada, las presiones son iguales en ambas direcciones y no se produce aceleración. Si se proporciona una abertura en el fondo de la cámara, la presión ya no actúa sobre la sección faltante. 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 al cohete.

La forma de la boquilla es importante. Consideremos un globo propulsado por aire que sale de una boquilla cónica. En tal caso, la combinación de presión de aire y fricción viscosa es tal que la boquilla no empuja el globo, sino que es jalada por él. ^[71] El uso de una boquilla convergente/divergente proporciona más fuerza, ya que el escape también presiona sobre ella a medida que se expande hacia afuera, duplicando aproximadamente la fuerza total. Si se agrega gas propulsor continuamente a la cámara, estas presiones se pueden mantener mientras el propulsor permanezca. 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, generalmente del orden de 100 atmósferas. ^[2]

Como efecto secundario, estas presiones sobre el cohete también actúan sobre el escape en la dirección opuesta y aceleran este escape a velocidades muy altas (de acuerdo con la Tercera Ley de Newton ). ^[2] A partir del principio de conservación del momento , la velocidad del escape de un cohete determina cuánto aumento de momento se crea para una cantidad dada de propulsor. Esto se llama impulso específico del cohete . ^[2] Debido a que un cohete, propulsor y escape en vuelo, sin ninguna perturbación externa, pueden considerarse como un sistema cerrado, el momento total siempre es constante. Por lo tanto, cuanto más rápida sea la velocidad neta del escape en una dirección, mayor será la velocidad que puede alcanzar el cohete en la dirección opuesta. Esto es especialmente cierto ya que la masa del cuerpo del cohete es típicamente mucho menor que la masa total final del escape.

El estudio general de las fuerzas que actúan 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]

• Empuje del motor(es)
• Gravedad de los cuerpos celestes
• Arrastre si se mueve en la atmósfera
• Sustentación ; por lo general, tiene un efecto relativamente pequeño, excepto en el caso de aeronaves propulsadas por cohetes.

Además, la inercia y la pseudofuerza centrífuga pueden ser significativas debido a la trayectoria del cohete alrededor del centro de un cuerpo celeste; cuando se alcanzan velocidades suficientemente altas en la dirección y altitud adecuadas, se obtiene una órbita estable o velocidad de escape .

Estas fuerzas, con una cola estabilizadora (el empenaje ) presente, a menos que se realicen esfuerzos deliberados de control, harán que el vehículo siga naturalmente una trayectoria aproximadamente parabólica denominada giro de gravedad , y esta trayectoria se utiliza 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). Los vehículos pueden mantener así un ángulo de ataque bajo o incluso cero, lo que minimiza la tensión transversal en el vehículo de lanzamiento , lo que permite un vehículo de lanzamiento más débil y, por lo tanto, más ligero. ^{[73] [74]}

La resistencia es una fuerza opuesta a la dirección del movimiento del cohete en relación con el aire por el que se mueve. Esto reduce la velocidad del vehículo y produce cargas estructurales. Las fuerzas de desaceleración de los cohetes que se mueven rápidamente se calculan utilizando la ecuación de resistencia .

La resistencia se puede minimizar con un cono frontal aerodinámico y utilizando una forma con un coeficiente balístico alto (la forma "clásica" del 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 vuelve más delgada, hay un punto de resistencia aerodinámica máxima llamado Q máx . Esto determina la resistencia aerodinámica mínima del vehículo, ya que el cohete debe evitar deformarse bajo estas fuerzas. ^[75]

Un motor de cohete típico puede manejar una fracción significativa de su propia masa en combustible cada segundo, y el combustible sale de la tobera 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 chorro que pueden superar el 5 en algunos de los mejores motores ^[76] . ^[77]

El empuje neto de un cohete es

${\displaystyle F_{n}={\dot {m}}\;v_{e},}$^{[2] : 2–14}

dónde

${\displaystyle {\punto {m}}=\,}$caudal de propulsor (kg/s o lb/s)

${\displaystyle v_{e}=\,}$la velocidad de escape efectiva (m/s o ft/s).

La velocidad de escape efectiva es más o menos la velocidad a la que el escape sale del vehículo y, en el vacío del espacio, la velocidad de escape efectiva suele ser igual a la velocidad media real del 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.${\displaystyle v_{e}}$

La velocidad del flujo de propulsor a través de un motor de cohete suele variar deliberadamente durante el vuelo para proporcionar una forma de controlar el empuje y, por lo tanto, la velocidad aerodinámica 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 de propulsor.

El impulso se define como una fuerza que actúa sobre un objeto a lo largo del tiempo y que, en ausencia de fuerzas opuestas (gravedad y resistencia aerodinámica), cambia el momento (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 de despegue, la masa o la "potencia". El impulso total de un cohete (etapa) que quema su propulsor es: ^{[2] : 27}

${\displaystyle I=\int Fdt}$

Cuando hay empuje fijo, esto es simplemente:

${\displaystyle I=Ft\;}$

El impulso total de un cohete multietapa es la suma de los impulsos de las etapas individuales.

Como se puede ver en la ecuación de empuje, la velocidad efectiva del escape controla la cantidad de empuje producido a partir de una cantidad particular de combustible quemado por segundo.

Una medida equivalente, el impulso neto por unidad de peso de propulsor expulsado, se denomina impulso específico , y es una de las cifras más importantes que describen el rendimiento de un cohete. Se define de manera que se relaciona con la velocidad de escape efectiva mediante:${\displaystyle I_{sp}}$

${\displaystyle v_{e}=I_{sp}\cdot g_{0}}$^{[2] : 29}

dónde:

${\displaystyle I_{sp}}$tiene unidades de segundos

$estilo de visualización g_{0}$es la aceleración en la superficie de la Tierra

Por lo tanto, cuanto mayor sea el impulso específico, mayor será el empuje neto y el rendimiento del motor. Esto se determina mediante mediciones durante la prueba del motor. En la práctica, las velocidades de escape efectivas de los cohetes varían, pero pueden ser extremadamente altas, aproximadamente 4500 m/s, aproximadamente 15 veces la velocidad del sonido en el aire a nivel del mar.${\displaystyle I_{sp}}$

La capacidad delta-v de un cohete es el cambio total teórico en la velocidad que un cohete puede alcanzar 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 de Tsiolkovsky : ^[81]${\displaystyle v_{e}}$

${\displaystyle \Delta v\ =v_{e}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$

dónde:

$estilo de visualización m_{0}}$es la masa total inicial, incluido el propulsor, en kg (o lb)

$Estilo de visualización m_{1}$es la masa total final en kg (o lb)

${\displaystyle v_{e}}$es la velocidad de escape efectiva en m/s (o ft/s)

${\displaystyle \Delta v\}$es el delta-v en m/s (o ft/s)

Cuando se lanza desde la Tierra, la delta-vs práctica para un solo cohete que transporta cargas útiles puede ser de unos pocos km/s. 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 el lanzamiento desde la superficie de la Tierra a la órbita terrestre baja es de aproximadamente 9,7 km/s, lo que deja al vehículo con una velocidad lateral de aproximadamente 7,8 km/s a una altitud de alrededor de 200 km. En esta maniobra se pierden aproximadamente 1,9 km/s en resistencia del aire , resistencia de la gravedad y ganancia de altitud .

A esta relación a veces se la denomina relación de masa .${\displaystyle {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$

Casi toda la masa de un vehículo de lanzamiento consiste en propulsor. ^[82] La relación de masas es, para cualquier "quema", la relación entre la masa inicial del cohete y su masa final. ^[83] En igualdad de condiciones, una relación de masas 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 un peso bajo es deseable en los autos deportivos.

Los cohetes como grupo tienen la relación empuje-peso más alta de cualquier tipo de motor; y esto ayuda a los vehículos a lograr relaciones de masa altas , lo que mejora el rendimiento de los vuelos. Cuanto mayor sea la relación, menos masa del motor se necesita transportar. Esto permite transportar incluso más propulsor, mejorando enormemente el delta-v. Alternativamente, algunos cohetes, como los destinados a 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 de 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 se logran generalmente con cohetes líquidos, y estos tipos se utilizan generalmente para vehículos de lanzamiento orbital , una situación que requiere un delta-v alto. Los propulsores líquidos generalmente tienen densidades similares al agua (con las notables excepciones del hidrógeno líquido y el metano líquido ), y estos tipos pueden usar tanques livianos de baja presión y generalmente funcionan con 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 algunas aeronaves con fines comparativos):

Hasta ahora, ningún cohete ha logrado alcanzar la velocidad requerida (delta-v) para alcanzar la órbita, porque el combustible , el tanque, la estructura, la guía , las válvulas, los motores, etc., ocupan un porcentaje mínimo particular de la masa de despegue que es demasiado grande para que el combustible que transporta logre ese delta-v con cargas útiles razonables. Como hasta ahora no se ha podido lograr la órbita en una sola etapa , los cohetes orbitales siempre tienen más de una etapa.

Por ejemplo, la primera etapa del Saturno V, que soporta el peso de las etapas superiores, fue capaz de alcanzar una relación de masas de aproximadamente 10 y logró un impulso específico de 263 segundos. Esto da un delta-v de aproximadamente 5,9 km/s, mientras que se necesitan aproximadamente 9,4 km/s delta-v para alcanzar la órbita con todas las pérdidas permitidas.

Este problema se resuelve frecuentemente mediante la puesta en marcha , es decir, el cohete se desprende del peso sobrante (normalmente el tanque vacío y los motores asociados) durante el lanzamiento. La puesta en marcha puede ser en serie , cuando los cohetes se encienden después de que la etapa anterior haya caído, o en paralelo , cuando los cohetes se encienden juntos y luego se separan cuando se queman. ^[89]

Las velocidades máximas que se pueden alcanzar con las etapas están limitadas teóricamente solo 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.

De la segunda ley de Newton, la aceleración, , de un vehículo es simplemente:${\estilo de visualización a}$

${\displaystyle a={\frac {F_{n}}{m}}}$

donde m es la masa instantánea del vehículo y es la fuerza neta que actúa sobre el cohete (principalmente el empuje, pero la resistencia del aire y otras fuerzas pueden influir).$Estilo de visualización F_{n}$

A medida que disminuye el combustible restante, los vehículos cohete se vuelven más ligeros y su aceleración tiende a aumentar hasta que se agota el combustible. 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 regular para compensar o variar esto si es necesario. Las discontinuidades en la aceleración también ocurren cuando se queman las etapas, a menudo comenzando con una aceleración menor con cada nueva etapa que se enciende.

Las aceleraciones máximas se pueden aumentar diseñando el vehículo con una masa reducida, lo que generalmente se logra mediante una reducción de la carga de combustible y del tanque y de las estructuras asociadas, pero obviamente esto reduce el alcance, el delta-v y el tiempo de combustión. Aun así, para algunas aplicaciones en las que se utilizan cohetes, una aceleración máxima alta aplicada durante un corto período de tiempo es altamente deseable.

La masa mínima del vehículo consiste en un motor de cohete con un mínimo de combustible y una estructura para transportarlo. En ese caso, la relación empuje-peso ^{[nb 3]} del motor de cohete limita la aceleración máxima que se puede diseñar. Resulta que los motores de cohete generalmente tienen relaciones empuje-peso realmente 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 han empleado cohetes.

Las altas aceleraciones que poseen naturalmente los cohetes hacen que los vehículos cohete sean a menudo capaces de despegar en vertical y, en algunos casos, con una guía y un control adecuados de los motores, también de aterrizar en vertical . Para que se puedan realizar estas operaciones es necesario que los motores de un vehículo proporcionen una aceleración superior a la gravitacional local .

La densidad energética de un propulsor típico para cohetes suele ser de alrededor de un tercio de la de los combustibles de hidrocarburos convencionales; la mayor parte de la masa es oxidante (a menudo relativamente barato). Sin embargo, en el 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 como energía cinética o potencial del cuerpo del cohete.

La energía del combustible se pierde en la resistencia del aire y de la gravedad y se utiliza para que el cohete gane altitud y velocidad. Sin embargo, gran parte de la energía perdida termina 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 en la reacción química: ^{[2] : 37–38}

${\displaystyle \eta _{c}={\frac {{\frac {1}{2}}{\dot {m}}v_{e}^{2}}{\eta _{combustión}P_{chem }}}}$

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 toberas de alta relación de expansión casi adiabática que se pueden usar con los cohetes se acercan sorprendentemente: cuando la tobera expande el gas, este 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 una consecuencia del hecho de que la combustión del cohete se puede realizar a temperaturas muy altas y el gas se libera finalmente a temperaturas mucho más bajas, lo que da una buena eficiencia de Carnot .${\displaystyle \eta _{c}=100\%}$

Sin embargo, la eficiencia del motor no lo es todo. Al igual que los demás motores a reacción , pero en particular en los cohetes debido a sus velocidades de escape altas y generalmente 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 se lleva una enorme cantidad de energía cinética hacia atrás. Este fenómeno se denomina eficiencia de propulsión ( ). ^{[2] : 37–38}$estilo de visualización {\eta _{p}}$

Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, la velocidad resultante del escape disminuye y la eficiencia energética general del vehículo aumenta, alcanzando un pico de alrededor del 100% de la eficiencia del motor cuando el vehículo se desplaza exactamente a la misma velocidad que se emite el escape. En este caso, el escape se detendría idealmente en el espacio detrás del vehículo en movimiento, sin consumir energía y, debido a la conservación de la 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, quedando detrás del vehículo.

A partir de estos principios se puede demostrar que la eficiencia propulsiva de un cohete que se mueve a una velocidad con una velocidad de escape es:$estilo de visualización {\eta _{p}}$${\estilo de visualización u}$${\estilo de visualización c}$

${\displaystyle \eta _{p}={\frac {2{\frac {u}{c}}}{1+({\frac {u}{c}})^{2}}}}$^{[2] : 37–38}

Y la eficiencia energética global (instantánea) es:${\estilo de visualización \eta}$

${\displaystyle \eta =\eta _ {p} \eta _ {c}}$

Por ejemplo, a partir de la ecuación, con un valor de 0,7, un cohete que vuela a Mach 0,85 (la velocidad de crucero de 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 motor a reacción convencional, moderno y que respira aire alcanza una eficiencia cercana al 35%. Por lo tanto, un cohete necesitaría aproximadamente 6 veces más energía; y teniendo en cuenta que la energía específica del propulsante del cohete es aproximadamente un tercio de la del combustible aéreo convencional, se necesitaría transportar aproximadamente 18 veces más masa de propulsante para el mismo viaje. Esta es la razón por la que los cohetes rara vez se utilizan para la aviación general.$estilo de visualización {\eta_{c}}$

Dado que la energía proviene en última instancia del combustible, estas consideraciones significan que los cohetes son principalmente útiles cuando se requiere una velocidad muy alta, como 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 combustible sólido (que contiene un 16% de aluminio) y 2.000.000 de litros adicionales de combustible líquido (106.261 kg de combustible de hidrógeno líquido ) para elevar el vehículo de 100.000 kg (incluyendo 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 unos 3 TJ y una energía potencial de aproximadamente 200 GJ. Dada la energía inicial de 20 TJ, ^{[nb 4]} el transbordador espacial tuvo una eficiencia energética de alrededor del 16% al lanzar el orbitador.

Así, los motores a reacción, con una mejor adecuación entre velocidad y velocidad de escape del reactor (como los turbofán , a pesar de su peor rendimiento ), predominan en el uso atmosférico subsónico y supersónico, mientras que los cohetes funcionan mejor a velocidades hipersónicas. Por otra parte, los cohetes se utilizan 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 lo tanto, sus altas aceleraciones.$estilo de visualización {\eta_{c}}$

Una característica sutil de los cohetes se relaciona con la energía. Una etapa de cohete, mientras transporta una carga dada, 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 la combustión, 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 lograr la trayectoria deseada.

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La confiabilidad de los cohetes, como la de todos los sistemas físicos, depende de la calidad del diseño y la construcción de la 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 trabajado en la Comisión Rogers , estimó que la probabilidad de una condición insegura para un lanzamiento del transbordador era aproximadamente del 1%; ^[92] más recientemente se ha calculado que el riesgo histórico por persona en vuelo espacial orbital es de alrededor del 2% ^[93] o del 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 vida humana durante el ascenso, en comparación con el transbordador espacial , es alcanzable con la tecnología actual y consistente con el enfoque de la NASA en mejorar constantemente la confiabilidad de los cohetes". ^[95]

Los costos de los cohetes pueden dividirse aproximadamente en costos de combustible, costos de obtención y/o producción de la "masa seca" del cohete y costos de cualquier equipo e instalaciones de apoyo requeridos. ^[96]

La mayor parte de la masa de despegue de un cohete es normalmente combustible. Sin embargo, el combustible rara vez es más de unas pocas veces más caro que la gasolina por kilogramo (en 2009, la gasolina costaba aproximadamente 1 dólar por kilogramo [0,45 dólares por libra] o menos), y aunque se necesitan cantidades sustanciales, para todos los cohetes, salvo los más baratos, resulta que los costes del combustible suelen ser comparativamente pequeños, aunque no completamente insignificantes. ^[96] Con un coste de 0,15 dólares por kilogramo de oxígeno líquido (0,068 dólares por libra) y 2,20 dólares por kilogramo de hidrógeno líquido (1,00 dólares por libra), el transbordador espacial en 2009 tuvo un gasto en combustible líquido de aproximadamente 1,4 millones de dólares por cada lanzamiento, que costó 450 millones de dólares en otros gastos (el 40% de la masa de combustible utilizado por el transbordador es líquida en el tanque de combustible externo y el 60%, sólida en los SRB ). ^{[97] [98] [99]}

Aunque la masa seca no propulsora de un cohete suele ser de solo entre el 5 y el 20 % de la masa total, ^[100] sin embargo este costo predomina. Para el hardware con el rendimiento utilizado en los vehículos de lanzamiento orbital , los gastos de $2000 a $10 000+ por kilogramo de peso seco son comunes, principalmente por ingeniería, fabricación y pruebas; las materias primas representan típicamente alrededor del 2 % del gasto total. ^{[101] [102]} Para la mayoría de los cohetes, excepto los reutilizables (motores de transbordadores), los motores no necesitan funcionar más de unos pocos minutos, lo que simplifica el diseño.

Los requisitos de rendimiento extremo para los cohetes que alcanzan la órbita se correlacionan con un alto costo, 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 I+D y de las instalaciones en comparación con la producción en masa en el grado observado en una fabricación más pedestre. ^[102] Entre los cohetes alimentados con combustible líquido, la complejidad puede verse influenciada por la cantidad de hardware que debe ser liviano, como los motores alimentados a presión pueden tener dos órdenes de magnitud menos de recuento de piezas que los motores alimentados por bomba, pero conducen a un mayor peso al necesitar una mayor presión en el tanque, que se usa con mayor frecuencia en propulsores de maniobra pequeños como consecuencia. ^[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 en gran escala, ^[96] o el desarrollo de cohetes reutilizables destinados a volar muy frecuentemente para amortizar su gasto inicial en muchas cargas útiles, o la reducción de los requisitos de rendimiento de los cohetes mediante la construcción de un sistema de lanzamiento espacial sin cohetes para parte de la velocidad a la órbita (o toda, pero la mayoría de los métodos 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, y por lo tanto pueden considerarse aproximadamente un costo fijo. ^[96]

Los cohetes para aplicaciones distintas del lanzamiento a órbita (como los cohetes militares y los despegues asistidos por cohetes ), que por lo general no requieren 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 ejerció una presión sustancial sobre los precios en el mercado existente. ^{[103] [104] [105] [106]}

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Cohetes .

Busque cohete en Wikcionario, el diccionario libre.

Agencias gubernamentales

• Oficina de Transporte Espacial Comercial de la FAA
• Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA)
• Asociación Nacional de Cohetería (EE.UU.)
• Asociación de Cohetería de Trípoli
• Asoc. Coheteria Experimental y Modelista de Argentina Archivado el 27 de octubre de 2020 en Wayback Machine.
• Asociación de Cohetería del Reino Unido
• IMR – Asociación alemana, austriaca y suiza de cohetería
• Asociación Canadiense de Cohetería
• Organización de Investigación Espacial de la India

Sitios de información

• Enciclopedia Astronáutica – Índice alfabético de cohetes y misiles
• Tecnología espacial y de cohetes
• Página del espacio de Gunter: listas completas de cohetes y misiles
• Artículos técnicos de Rocketdyne
• Calculadora de relatividad: aprenda las ecuaciones del cohete de Tsiolkovsky
• Robert Goddard, el pionero espacial de Estados Unidos Archivado el 5 de febrero de 2009 en Wayback Machine