Al escuchar el episodio 6 del podcast Cosmonáutica pensé en contar esta historia.

Dicho capítulo está dedicado al proyecto soviético del cohete que debería haber llevado a un cosmonauta a caminar por la Luna.

No voy a hablar de ese proyecto. Ni siquiera del espectacular y malogrado cohete N-1 que permaneció en las sombras hasta 30 años después de su ejecución. Para saber y profundizar sobre ese proyecto os recomiendo escuchar el episodio del podcast.

Yo vengo a hablaros de otra cosa relacionada con las soluciones de ingeniería de ese cohete.

Fijaos en este esquema donde se compara un cohete Saturno V (a la izquierda) y un N-1 (a la derecha).

Si os pregunto qué diferencia notable hay entre ellos ¿Cuál sería vuestra respuesta?

No creo que la respuesta fuera el tamaño. Aunque bien sabemos que el tamaño importa si hablamos de cohetes. Pero en este caso son muy similares.

Tampoco creo que la respuesta sea la diferencia de forma cilíndrica (Saturno V) a cónica (N-1).

¿Qué queda entonces?

Fijaos en dos zonas del N1 que parecen estructuras metálicas livianas que dejan ver el interior.

¿Por qué esa estructura?

Para responder esta pregunta vamos a viajar al siglo XIX, luego al XIV, pasaremos por la segunda guerra mundial, la guerra fría y acabaremos en una sala de cine.

Divide y vencerás

Ir al espacio es difícil. Cuesta vencer la gravedad. Es necesario aportar energía e impulso al objeto en el que queremos ir al espacio.

El cañón Columbiad

Una primera aproximación a este problema es emplear la técnica que describió Julio Verne en su novela «De la Tierra a la Luna».

En la novela de Julio Verne el presidente del Baltimore Gun Club, Impey Barbicane, da con una solución (bueno, no es él, sino un brainstorming entre los miembros del afamado club) para enviar un proyectil a la Luna:

La idea de Verne pudiera parecer apropiada para la época pero era, a todas luces, inapropiada para que seres humanos viajaran dentro de la bala de cañón (quizás algún día escriba una entrada con los errores científicos cometidos por el autor en el par de novelas sobre el tema).

En el tiempo transcurrido entre la publicación de «De la Tierra a la Luna» y «Alrededor de la Luna» Verne recibió varias cartas indicándole que la aceleración producida en el lanzamiento de la cápsula desde tan prodigioso cañón hubiera convertido en pulpa a los tres intrépidos viajeros.

Además un lanzamiento directo a la Luna (con impulso solo en el comienzo del viaje) es una tarea (casi) imposible de conseguir.

La primera parte de la novela de Verne se publicó en 1865. No pasarían muchos años hasta que otro pionero propusiera un método mucho más realista y que casi un siglo después fue el utilizado por los americanos.

El padre de la cosmonáutica

Konstantin Tsiolkovsky (Константи́н Эдуа́рдович Циолко́вский) nació en 1857. Fue un físico ruso autodidacta (se formó por su cuenta leyendo libros de ciencias en las bibliotecas) que tenía un sueño que no era otro que el de viajar a las estrellas.

Se le considera el padre de la cosmonáutica ya que durante toda su vida escribió innumerables textos sobre cómo sería el modo en que los humanos podrían lograr vencer la gravedad terrestre y cómo serían los vehículos espaciales e, incluso, la vida en ellos.

La Tierra es la cuna de la Humanidad, pero no podemos vivir para siempre en una cuna.

Konstantin Tsiolkovsky. 1911.

Las aportaciones del genio ruso son muchas pero vamos a centrarnos en lo referido al tema que nos atañe.

Muy influenciado por la novela de Verne y consciente de los errores cometidos por el francés, no descartó la idea de viajar al espacio sino que se puso a pensar en ello de una manera científica.

El 5 de Mayo de 1903, en el número 5 de la revista «Научное обозрение» publicó un artículo titulado «Изслѣдованiе мировыхъ пространствъ реактивными приборами» («Explorando espacios del mundo con instrumentos a reacción») y el comienzo del artículo nos enlaza directamente con el soñador francés Jules Verne:

Imagino que no sabes ruso (una pena si te gusta la astronáutica) así que me voy a permitir una traducción del mismo (sed indulgentes conmigo que estoy aprendiendo y os aseguro que es bastante complicado):

Mi interés por los viajes espaciales fue despertado por primera vez por el famoso escritor de fantasías Julio Verne. La curiosidad fue seguida por un pensamiento serio. Por supuesto, esto no habría conducido a nada, si no hubiera sido organizado sobre una base científica.

Konstantin Tsiolkovsky (Константи́н Эдуа́рдович Циолко́вский)

Inspirado por la fantasía de Verne decidió utilizar la Ciencia para afrontar el problema del viaje espacial.

Y la inspiración le vino del más grande científico de todos los tiempos:

La solución al problema de impulsar un objeto a gran velocidad estaba en la tercera ley enunciada por el insigne científico

Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.

Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. 1687. Isaac Newton.

En el artículo usa un ejemplo muy sencillo para explicar el principio del motor a reacción. Se conoce como el experimento de la barca.

Cada vez que el barquero tira una piedra hacia la derecha, la barca recibirá un pequeño impulso hacia la izquierda (pequeño porque la masa de la barca es mucho mayor que la de la piedra). Si tiras muchas piedras y muy deprisa la velocidad de la barca aumentará…

Lo que ves aquí es una manifestación de la conservación del momento lineal (recuerda que el momento lineal es el producto de la masa por la velocidad y dado que la velocidad es un vector, también lo es el momento). Si a eso le sumas la tercera ley de Newton ya tienes el principio del motor cohete.

Además de la explicación divulgativa de la barca, Konstantin desarrolla la ecuación del cohete tomando como origen la 3ª ley de Newton y llega a la siguiente fórmula

6 de Mayo de 1897:Recordad esa fecha. Es la fecha en la que en una cabaña perdida un ruso autodidacta plasmó por primera vez la ecuación que nos permite viajar al espacio.

Los ingenieros aeroespaciales hablan de la tiranía de la ecuación de Tsiolkovsky. El diablillo de Konstantin (a semejanza del de Maxwell) está ahí para recordarnos que lo más importante para lograr un cambio en la velocidad del cohete (la famosa ΔV) es la velocidad de los gases expulsados por las toberas.

La masa del cohete juega en nuestra contra ya que tenemos que gastar combustible en aumentar no solo la velocidad de la carga útil sino la del cohete y la del propio combustible.

Esta fórmula (hago referencia a la expresión simplificada que aparece en el sello) nos dice que para lograr un buen ΔV (incremento de velocidad) necesitamos que:

• La velocidad de los gases expulsados por el cohete (w) sea muy elevada, o
• La masa en el instante del despegue (m₀) sea muy grande, o
• La masa de la carga útil (m) del satélite o cápsula sea muy pequeña.
• Y para más inri el cociente de masas está dentro de un logaritmo que es capaz de disminuir el mayor de los optimismos dado que es una función que crece muy muy despacio.

Tsiolkovsky especuló con la manera de vencer a su ecuación. Dado que la velocidad de expulsión de los gases dependía de la mezcla de combustibles y comburentes, analizó las posibles mezclas y llegó a la conclusión que Hidrógeno y Oxígeno era una de las mejores mezclas. Una vez fijado ese término quedaba poco para jugar con la ecuación.

¿Qué podía hacerse para aumentar la variación de velocidad del cohete (el famoso ΔV)?

La respuesta la tienes que saber si has visto la película Interstellar.

¿Y qué se puede dejar atrás en un cohete?

La respuesta es bastante sencilla: el propio cohete (o partes de él).

Tsiolkovsky propuso (entre otros pioneros y todos ellos independientemente) el desprendimiento de partes del cohete según iban consumiendo el combustible y comburente. Era una manera de disminuir la masa y un modo de ahorrar energía en incrementar la velocidad de partes del cohete que ya son inútiles.

Una idea que tampoco era nueva pero ahora cobraba una luz científica a la luz de su propia ecuación.

Haas, desconocido pionero.

No quiero dejar de mencionar a otro pionero de los cohetes bastante anterior a Tsiolkovsky ya que fue uno de los primeros en utilizar un cohete multietapa, muy probablemente sin ser consciente de las ventajas del mismo sobre los cohetes de una única etapa. A mediados del siglo XVI Conrad Haas construyó un cohete de tres etapas. El objetivo era, por supuesto, militar. La tecnología de los cohetes y la industria armamentista siempre han ido de la mano.

Haas como polímata tardo renacentista utilizó conocimientos de ciencias y artes para diseñar cohetes que incluso utilizaban combustibles líquidos (no criogenizados, por supuesto). Lo de sugerir el brandy como combustible no sé si merece un puesto en el cielo o en el infierno…

Sus trabajos se «descubrieron» hace nada, en 1961 cuando se localizó uno de sus manuscritos en un compendio de trabajos sobre tecnologías militares en un los archivos estatales rumanos en la ciudad de Sibiu.

Aunque los trabajos de Haas fueran de índole militar nos dejó una nota para la historia que ojalá estuviera siempre en la mente de científicos e ingenieros:

Pero mi consejo es más paz y no guerra, que se dejen las armas bajo techo, para que no se dispare ninguna bala, para que no se queme la pólvora mojada, para que el rey se quede con su dinero y el armero con su vida; ese es el consejo de Conrad Haas.

Conrad Haas. Siglo XVI

Cohetes multietapa de combustible líquido

Así que la solución del cohete multietapa con combustible líquido es la más óptima: construimos un cohete por segmentos y según vaya elevándose el cohete y consumiendo el combustible y comburente vamos dejando caer las secciones vacías y así disminuimos la masa del cohete y, de este modo, vamos mejorando la proporción de masas que se describe en la ecuación de Tsiolkovsky.

Hasta ahí todo bien ¿no?

Te voy a dejar pensar un rato a ver si ese físico/ingeniero que llevas dentro encuentra alguna pega.

Espero que treinta segundos sea tiempo suficiente para que te hayas dado cuenta de una de las pegas de los cohetes multietapa de combustible líquido.

Vamos a necesitar ayuda del tío Isaac (Newton) y del primo Albert (Einstein).

Vamos a hacer el experimento mental de lanzar un cohete.

5..4..3..2..1..¡Ignición!

En el instante del lanzamiento se encienden los cohetes de la primera fase. Todo comienza con el ruido ensordecedor de los gases que son expulsados por las toberas de los motores.

¿Recordamos la tercera ley de Newton y la conservación de la cantidad de movimiento?

El principio que empuja al cohete a subir no es otro que el de la conservación de la cantidad de movimiento. Seguro que recordamos que en ausencia de fuerzas externas un sistema conserva su cantidad de movimiento (el producto de su masa por su velocidad). De las toberas sale gas (masa pequeña) con una velocidad (muy grande) lo que provoca un empuje hacia-arriba (3ª ley de Newton) de una masa muy grande (cohete) a una pequeña velocidad.

Vamos a suponer que durante toda la ignición de la primera fase el empuje es constante y si el cohete sube es porque a aceleración que producen los cohetes es mayor que la otra aceleración que tenemos aquí en juego.

Sí, la aceleración de la gravedad (9,8 m/s²) está ahí como una losa.

El cohete se remonta hacia el cielo con una aceleración en aumento.

Ahora invoco vuestra memoria de los tiempos de Bachillerao, Recordaréis que un sistema que se mueve aceleradamente es un sistema no inercial.

En la entrada anterior hablamos bastante de los sistemas no inerciales (los movimientos circulares uniformes son también sistemas acelerados en los que la componente de la velocidad que varía no es el módulo de la misma sino su dirección). Y dijimos que en los sistemas no inerciales aparecen fuerzas ficticias (fuerzas que no tienen realidad física pero que deben usarse para que las ecuaciones de Newton sean capaces de describir el movimiento de los objetos en tales sistemas).

En el cohete la aceleración que le impulsa hacia arriba es, obviamente, un vector que apunta hacia arriba (sí, en el hemisferio sur también apunta hacia arriba, es decir, en dirección contraria al centro de la Tierra),

Dentro del cohete (sistema de referencia no inercial) sentiremos una aceleración en sentido contrario, es decir, hacia abajo que se suma a la aceleración de la gravedad.

Es la misma situación cuando aceleramos en un coche. Cuando lo hacemos «sentimos» una fuerza que nos pega al asiento.

Hasta aquí perfecto. Tenemos a los astronautas clavados en sus asientos y algo más importante aunque quizás menos obvio: el combustibe está en la parte inferior de los depósitos.

¿Ya ves por dónde voy?

El tiempo pasa… máxima presión dinámica… el combustible de la primera etapa se gasta y se apagan los motores.

¿Y qué pasa en ese momento?

Al apagar los motores de la primera fase desaparece la aceleración en el cohete (la que estaban aportando los gases expulsados por las toberas). Sin aceleración el cohete queda a merced únicamente de la aceleración que siempre está ahí, la de la gravedad.

En ese punto el cohete ya tiene una velocidad suministrada por el empuje de la primera fase pero en ese instante que hay que encender la segunda fase… el cohete se encuentra en caída libre (aunque siga subiendo por la velocidad inicial en el momento del apagado de la primera fase.

Así que en el momento de apagado de los motores de la primera fase (y realmente de cualquiera posterior) en el interior del cohete se experimenta la sensación de «caída libre» o ingravidez.

Y al igual que los astronautas se ven «impulsados» hacia adelante lo mismo le ocurre al combustible dentro de los tanques. Es decir en el momento de tener que encender el motor tenemos el líquido (oxígeno e hidrógeno o queroseno) flotando dentro de los tanques.

Me dirás, bueno como todavía no se han encendido los motores el líquido no puede flotar y ocupa completamente los depósitos. Ya… eso estaría bien si fuera cierto, pero los tanques de combustible líquido no se llenan del todo y se deja un espacio vacío para que los gases que desprenden no revienten los depósitos.

Y para que veas el interior de un depósito de combustible de un cohete en el momento del apagado de la fase anterior mira este vídeo

Puedes observar que en el momento del apagado de la primera fase, el oxígeno líquido del depósito de la segunda fase se pone a flotar dentro del recipiente. Lo hace más o menos como un todo. Aquí juegan un factor determinante aqullas fuerzas misteriosas que te contaron en Bachillerato: las fuerzas de Van der Waals.

Como diría el jefe de la torre de control de la película «Agárralo como puedas«: «Elegí mal momento para encender el cohete (cuando el combustible está flotando en el interior y no cerca de los colectores que deben recoger el combustible para llevarlo a las bombas).

En el momento más crítico (encendido de los motores) tenemos el combustible y el comburente flotando en los enormes depósitos y los alimentadores del motor se encuentran en la parte inferior de cada depósito.

En el gráfico anterior podemos ver a la derecha la válvula de entrada del combustible y a la izquierda la del comburente.

Hemos llegado al meollo del problema: ¿cómo podemos suministrar el combustible y comburente necesario a un motor de un cohete cuando el cohete está en ingravidez?

Esta pregunta vale para los momentos de encendido de una etapa en el ascenso así como para un encendido de un motor de combustible líquido en la órbita.

Los problemas de ingeniería no siempre tienen una solución única. Veremos que los ingenieros soviéticos y los norteamericanos tomaron dos caminos muy diferentes para resolver este problema.

Antecedentes

Como cualquier espaciotrastornado sabe, los cohetes modernos surgieron durante la segunda guerra mundial y nacieron de la mente de Werner von Braun. En las instalaciones de Peenemünde se desarrollaron las infames Vergeltungswaffe 2 («Armas de Venganza»).

Las V-2 fueron los primeros misiles balísticos de largo alcance y además el primer objeto humano en alcanzar el espacio (definiendo la frontera en los 100 km o línea de Kármán). El vuelo se realizó el 20 de Junio de 1944, poco después del desembarco de Normandía. Tras el fin de la guerra tanto la URSS como los Estados Unidos se repartirían planos, piezas e ingenieros que hubieran estado trabajando en esos proyectos. (el primero que llegaba se llevaba lo que encontraba).

El V-2 (o A-4) era un cohete monoetapa. No tenía la capacidad de poner cargas en órbita. Podía realizar vuelos suborbitales (trayectoria parabólica) y poco más. Bueno… era capaz de llevar cargas explosivas y hacer mucho daño.

Los primeros cohetes astronáuticos necesitaban varias etapas para poder llevar a la órbita una carga útil.

Se llama primera velocidad cósmica a aquella velocidad que debe alcanzar una carga útil (gracias a su cohete portador) para poder estar en una órbita circular próxima a la Tierra, Es la velocidad que tuvo que alcanzar el Sputnik 1 para iniciar la era espacial humana. Esa velocidad es de 7,9 m/s (anímate a calcularla, solo necesitas saber la gravedad en la superficie y el radio de la Tierra).

Solución soviética

Los primeros cohetes que lanzaron los soviéticos eran cohetes multietapa derivados del R-7 Semyorka. No voy a entrar en detalles de ese cohete pero puedes leer al maestro Daniel Marín en su imprescindible EurekaBlog: Parte 1 y Parte 2.

El R-7 era un cohete de 2 etapas. Con esas dos etapas fue capaz de alcanzar la primera velocidad cósmica (que he mencionado antes) y poner en órbita los primeros satélites artificiales (Sputnik 1 a 3).

Pensaréis que si es un cohete con dos etapas y de combustible líquido ¿Cómo no tiene el problema que hemos expuesto antes?

Pues muy sencillo. El R-7 encendía las dos etapas en el momento del despegue:

• La primera etapa son los cuatro cohetes exteriores (El paquete de cohetes que tan espectacularmente se separa de la segunda fase) que utilizaban queroseno y oxígeno líquido (LOX).
• La segunda etapa es el cohete central que también usa la misma mezcla de queroseno y LOX como combustible y comburente.

Ambas fases se encienden en el lanzamiento por lo que cuando la primera fase se agota (y se separa en forma de la llamada cruz de Korolev) no hay ingravidez (o caída libre) en la segunda fase ya que al estar encendida la segunda se sigue proporcionando aceleración y los combustibles y comburentes líquidos de los depósitos se siguen suministrando a los motores centrales con continuidad.

Pero tras el Sputnik 3 la URSS quería seguir asombrando al mundo y decidió lanzar una carga útil a la Luna (como quien tira una piedra y la estrella contra su objetivo).

Aquí tenemos que introducir un nuevo concepto. La segunda velocidad cósmica.

Se llama segunda velocidad cósmica o velocidad de escape a aquella velocidad que permite a una carga útil (gracias a su cohete portador) poder llegar a la Luna (escapar de la influencia de gravedad terrestre). Esa velocidad es de 11,181 m/s (anímate a calcularla, solo necesitas saber la gravedad en la superficie y el radio de la Tierra igual que en el caso de la primera velocidad pero tienes que utilizar conceptos físicos distintos).

Había que añadir una tercera etapa al R-7 con objeto de aumentar la velocidad de la carga útil hasta los 11,2 km/s.

El diseñador Jefe, Сергій Павлович Корольов, fue el responsable de diseño del llamado bloque E, la tercera etapa del nuevo R-7 8K72.

Para el motor de esta tercera etapa se barajaron dos alternativas que acabaron como versiones del Semyorka:

• R-7 8K72: con un motor diseñado por M.V. Melnikov de la ОКБ-1 y S.A. Kosberg de la ОКБ-154.
• R-7 8K73: con un motor diseñado por el «buen» amigo del diseñador jefe, V. Glushko de la ОКБ-456.

La elección del motor recayó en el motor RD-0105 de Kosberg que se convirtió en el primer motor soviético en comenzar la ignición en el vacío del espacio.

Para evitar el problema de que el combustible líquido de la tercera fase se pusiera a flotar dentro del contenedor al finalizar el encendido de la segunda fase del cohete se debía encender su motor (el RD-0105) antes de que cesara la aceleración suministrada por la fase 2.

Y encender la fase 3 con el resto del cohete sin separarse exigía una manera de que los gases expelidos no reventaran el cohete, Una anillo de unión sólido hubiera reventado el cohete. Así que no quedaba otra que hacer una estructura diáfana para que los gases pudieran disiparse en el exterior.

Si te fijas en la imagen anterior verás que el final de la fase 2 cuenta con un deflector para facilitar la expulsión de los gases.

Una vez encendida la tercera fase puede desprenderse la segunda fase ya que la aceleración suministrada por la tercera fase garantiza que los líquidos de los depósitos se encuentren en la parte inferior.

Esta feliz idea de los ingenieros soviéticos (conocida como Hot-Stage) permitió que se adelantaran a los norteamericanos en poner un hombre en órbita.

Un cohete R-7 8K72 fue el encargado de lanzar a la órbita una cápsula Vostok 3KA el 12 de Abril de 1961 con un pasajero que pasó a la historia: Yuri Gagarin.

Tan exitosa fue la solución que sigue siendo utilizada en los cohetes Soyuz. Ya sabéis esta máxima:

Si algo funciona, no lo toques.

Cualquier ingeniero o ingeniera al azar

En el gráfico anterior puedes ver que todos los cohetes de la familia Semyorka tienen la misma característica rejilla. El N-1, como miembro de la familia de los Semyorka, tienen no una sino dos «celosías» como unión entre las distintas etapas.

Ahora que ya sabéis la solución soviética al problema de la ignición de cohetes de combustible líquido en ingravidez vayamos a ver qué solución fue elegida por los norteamericanos.

Solución norteamericana.

Los norteamericanos tuvieron que correr tras la sorpresa que fue el Sputnik 1. Su primer satélite, el Explorer 1 fue lanzado por un cohete JUNO (derivado del misil balístico Jupiter-C), un cohete de 4 etapas.

¿Qué solución emplearon en el JUNO?

Ninguna.

Si bien la primera fase del cohete JUNO estaba alimentada por combustible líquido (al fin y al cabo era una evolución de los motores de las V-2), las tres siguientes fases usaban combustible solido por lo que no era necesario mantener una aceleración para iniciar la ignición del motor.

Los primeros vuelos tripulados, los Mercury-Redstone, fueron vuelos suborbitales. El cohete Redstone era un cohete de una sola fase y con su potencia era incapaz de llevar una cápsula a la órbita.

En la película «Figuras ocultas» se hace mención a este hecho en una escena (con bastante licencia artística) en la que Catherine Johnson (Goble de casada) descubre ese hecho.

Para los primeros vuelos orbitales, como vemos en la película, recurrieron al misil balístico Atlas que pasó a denominarse Mercury-Atlas.

Este cohete no fue desarrollado por el «equipo de las salchichas» (que es como se denominaba al grupo de alemanes que habían sido «invitados» a los USA tras la Segunda Guerra Mundial e incorporados a la Armada), sino por las Fuerzas aéreas.

Sin entrar en las múltiples diferencias de los diseños de los dos equipos nos quedaremos con que el Atlas era un cohete de etapa y media (en cierta manera parecido al R-7 soviético).

Fijaos en el esquema de los motores del Atlas

Las tres toberas del cohete iniciaban la ignición en la rampa de lanzamiento. A los 2 minutos y 10 segundos del despegue se desprendía la parte inferior del cohete con dos de las toberas que hasta ese momento habían suministrado empuje gracias a un único depósito de combustible líquido.

Dado que la tobera central estaba encendida desde el despegue no se presentaba el problema de tener que iniciar ignición en caída libre.

Reconozcamos que la cruz de Korolev es un modo mucho más elegante de desprenderse de la pseudo-primera fase del Atlas. El Atlas parece una tronca aragonesa cagando los regalos en Navidad.

Con el siguiente proyecto tripulado, el Gemini, los norteamericanos se enfrentaban al problema de iniciar la ignición de una segunda etapa en condiciones de caída libre.

Y la solución fue usar el misil balístico intercontinental, Titan II.

El Titan II podía encender la segunda etapa mientras la primera etapa no se había desprendido y de ese modo se aseguraba que los combustibles y comburentes líquidos se encontraban en la parte inferior de los grandes depósitos y así se producía una alimentación continua del motor.

Llegados a este punto podrás pensar que los norteamericanos tampoco se diferenciaron mucho de los soviéticos en la solución para la ignición de las etapas superiores de un cohete en condiciones de caída libre.

Bueno… Pero es que había que ir a la Luna…

La primera imagen con la que se abría esta laaarga entrada era una comparación entre un Saturno V y el cohete N-1. ¿Recuerdas si el Saturno V tenía partes livianas tipo verja como los R-7 o agujeros como el Gemini?

Efectivamente, el Saturno V no muestra ese tipo de estructuras. Y sabiendo como sabéis que es un cohete de tres etapas de combustibles líquidos y que la segunda y la tercera etapa deben encenderse con la anterior separada porque si la encendieran antes el cohete explotaría cabe preguntarse cómo evitaron el problema del encendido en caída libre.

Un poco más arriba he puesto una imagen con leyenda de las partes importantes de la segunda etapa de un Saturno V pero, deliberadamente, borré una de las leyendas, justo encima de la que aparece en la parte inferior izquierda [J-2 engines (5)]. Había que mantener la tensión dramática de la entrada.

Os recuerdo el problema:

Si se apaga la primera fase de un cohete que utiliza combustible líquido antes de encender la segunda fase los líquidos flotan dentro del recipiente (siempre se llenan parcialmente para evitar la presión adicional producida por los gases evaporados del líquido dentro del recipiente o vaso) porque el cohete queda en caída libre y los alimentadores y bombas situadas en la parte inferior no absorben en condiciones optimas el combustible y comburente para dirigirlo a la cámara de combustión en los motores.

Solución: Pegar una patada al cohete después de soltar la etapa que ha agotado su combustible/comburente para que los de la siguiente etapa se «caigan» al fondo del vaso.

Para dar ese «empujón» se utilizan unos cohetes auxiliares que obviamente no pueden ser de combustible líquido (pues tendrían el mismo problema que el principal) sino que se utilizan cohetes de combustible solido ¿Recuerdas que el cohete que puso el primer satélite artificial norteamericano era un cohete multietapa de combustibles sólidos?

Os presento a los motores de vacío (o Ullage Motors en inglés).

Inciso

La palabra «ullage» en inglés proviene del gremio cervecero. Con esa palabra se denominaba en Inglaterra el espacio vacío en la parte superior de los barriles de cerveza. Al igual que en los recipientes de combustible de los cohetes, había que dejar un espacio vacío en los barriles para que los gases producidos en la fermentación no reventaran el barril. De igual modo el espacio vacío de los tanques de los cohetes se llama «ullage» y «ullage motors» los cohetes que se usan para remediar el problema originado por ese vacío.

La segunda fase del Saturno V llevaba 8 motores de vacío en el anillo de separación de la primera y segunda etapa. Cuando la primera etapa había consumido todo su combustible/comburente (2 minutos 41 segundos) se desprendía; pero la inercia (en ese momento el cohete se mueve a una velocidad de casi 10000 km/h) hacía que tanto la primera como la segunda fase siguieran ascendiendo (¿recordáis el tiro parabólico de la física del Bachiller?).

Por eso unos pequeños cohetes en la primera fase le daban un impulso hacia abajo y los motores de vacío de la segunda fase le daban un empuje durante 4 segundos a ésta para que el combustible «cayera» dentro de su vaso para que las bombas lo absorbieran y pudieran iniciar la ignición los 5 motores J-2 y así el Saturno V siguiera hacia la órbita de aparcamiento terrestre antes de poder iniciar el camino a la Luna.

Estos 8 motores proporcionaban «gravedad artificial» durante un pequeño instante para lograr la ignición de los 5 motores J-2 de la segunda etapa del Saturno V. Cada uno de los motores generaba un empuje de 22500 libras («marditas» unidades imperiales… 10205 Kg) de empuje durante unos 4 segundos.

Si te fijas en la tobera del cohete verás que está inclinada hacia el exterior (10º). El motivo no es otro que evitar que los gases expulsados impactaran con la propia estructura del cohete.

Fíjate en el vídeo anterior y verás cómo se produce primero el encendido de los cohetes del exterior del anillo de unión entre S-IC y S-II y posteriormente se produce el encendido de los 5 motores J-2 centrales.

La tercera fase del Saturno disponía de 2 motores de vacío (ubicados a 180º uno del otro) ubicados en la propia S-IVB (y no en el anillo de unión entre la S-II y S-IVB).

Estos dos motores se encendían tras la separación de la segunda etapa durante unos 4 segundos y cada uno proporcionaba un empuje de unos 1500 kg para proporcionar al motor J-2 la gravedad necesaria para realizar la ignición con el combustible líquido en el fondo del vaso contenedor donde se ubican los colectores de las bombas de succión hacia la cámara de combustión.

Además de estos dos motores se contaba con otros dos motores que proporcionaban «control de actitud» en los tres ejes del espaciales y se incluía un motor de vacío que proporcionaba 32 kilogramos de empuje.

La S-IVB del Saturno V tenía que encender dos veces el motor J-2 ya que se empleaba durante el despegue hasta alcanzar la órbita de aparcamiento terrestre durante la que se comprobaban los sistemas antes de dar el gran salto a la Luna utilizando las palabras mágicas que llevamos más de cincuenta años sin escuchar:

Fue la tripulación del Apollo VIII la primera en oír esa mágica frase «You are go for TLI!» que les autorizaba a encender los motores de la tercera fase del Saturno V y así iniciar el camino a la Luna, Y fue gracias al trabajo de muchos ingenieros que durante los años previos a ese Diciembre de 1968 estuvieron resolviendo los problemas inherentes al encendido de motores en condiciones de ingravidez. Ingenieros como George Hopson que ideó una serie de pruebas en Tierra para quitarse el sombrero. ¿Te imaginas dejar caer un cilindro de 2.5 m de diámetro y 6 metros de altura por un agujero de 111 metros de altura para ver cómo se comporta el hidrógeno líquido en condiciones de caída libre? ¿Te puedes imaginar cómo evitaban que ese cilindro no se destrozara al llegar al final del tubo para poder reutilizarlo en nuevas pruebas?

No te lo voy a contar yo. Escúchalo del propio George en este vídeo y en este otro vídeo escucha las recomendaciones a futuros y futuras ingenieras.

En la actualidad

Como hemos visto, los actuales cohetes rusos siguen usando ese método; y ya llevan unos cuántos lanzamientos…

El resto de lanzadores actuales usan… (hasta aquí llega la entrada que bastante larga ha sido). Ya sabes: lee, investiga y encontrarás esa información.

La investigación del comportamiento de líquidos en ingravidez se desarrolla desde hace años en la Estación Espacial Internacional. que dispone de una instalación denominada Microgravity Science Glovebox donde se pueden desarrollar experimentos que abarcan una variedad de disciplinas relacionadas con el comportamiento de los líquidos en condiciones de microgravedad.

Se han desarrollado experimentos para buscar alternativas a las dos soluciones históricas aquí presentadas como la inclusión de determinadas estructuras geométricas dentro de los depósitos que por capilaridad dirigen el combustible a los colectores. La investigación básica es el primer paso para una ingeniería más eficiente.

Conclusión

En esta entrada hemos tratado un poco de antecedentes históricos, hemos descrito un problema que cualquier ingeniero de cohetes debe tener en cuenta y hemos visto las dos soluciones que fueron elegidas a los dos lados del telón de acero.

¿Cuál es la mejor de las dos?

La solución elegida por los ingenieros soviéticos (Hot Staging) tiene algunas ventajas:

• Se eliminan elementos (sensores, cohetes, etc,). Menos elementos son menos cosas que pueden fallar.
• En ingeniería reducir la complejidad es aumentar la confiabilidad del sistema.
• Eliminación riesgo de colisión entre las etapas.

Pero también tiene desventajas respecto de la otra solución (Ullage motors):

• Uso poco eficiente del combustible.
• Aumento de masa en la fase inferior del cohete pues es necesario un deflector que impida que los gases expulsados por la fase superior la sobrecalienten.
• Mayor precisión en los tiempos de ignición.

Para finalizar la entrada siempre se podría preguntar a los astronautas que van en la cápsula cuál de los dos métodos prefieren. Aunque para responder a esa pregunta he mezclado dos vídeos de lanzamientos tripulados grabados desde dentro de la cápsula (uno es real y otro es ficticio pero muy realista).

Aceleraciones dentro de la cápsula en un Apollo (ficticio pero realista) y una Soyuz. ¿Quién recibe un mayor empujón?

Examen Final

Si has llegado hasta aquí tienes que ser capaz de responder correctamente a la siguiente pregunta:

Viendo los siguientes perfiles de aceleración de los distintos lanzadores identifica cuáles usan «Ullage motors» y cuáles «Hot-Staging«

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Si has respondido correctamente, ¡Enhorabuena!

Y si te has fijado en el eje de ordenadas (el vertical) donde se muestra la aceleración a la que fueron sometidos los astronautas durante el despegue ya sabes cuáles son los que «tienen lo que hay que tener» (The right stuff).

Si has llegado a este punto tendrás clara la razón del título de la entrada

La frase «Light this candle» fue pronunciada por el primer astronauta americano, Alan B. Shepard, tras varias horas dentro de su cápsula en la torre de lanzamiento. El lanzamiento no se producía debido a problemas técnicos y el piloto de la marina, tras aliviar su vejiga en el pañal, espetó a los técnicos para que encendieran la mecha del cohete. Menos mal que solo tenía una fase porque de lo contrario no hubieran sido capaces de encenderla ¿no?

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Bibliografía

• De la Tierra a la Luna. Jules Verne. 1865
• Bibliografía de Konstantin Tsiolkovsky (ruso).
• Soyuz, Owner’s Workshop Manual. David Baker. Haynes Publishing. 2014. ISBN: 978-0-85733-405-3
• The Soyuz Launch Vehicle. Christian Lardier & Stefan Barensky. Springer-Praxis. 2010. ISBN: 978-1-4614-5458-8
• Project Mercury. Eugen Reichl. America in Space Series. 2016. ISBN: 978-0-7643-5069-6
• Project Gemini. Eugen Reichl. America in Space Series. 2016. ISBN: 978-0-7643-5070-2
• NASA Saturn V, Owner’s Workshop Manual. David Woods. Haynes Publishing. 2014. ISBN: 978-0-85733-828-0
• Y algo de mi memoria…