Representación artística del Demostrador integrado de Powerhead. Crédito de la imagen: NASA. Click para agrandar.
Cuando piensa en la futura tecnología de cohetes, probablemente piense en propulsión iónica, motores antimateria y otros conceptos exóticos.
¡No tan rapido! El capítulo final de los cohetes tradicionales de combustible líquido aún no se ha escrito. Se están realizando investigaciones sobre una nueva generación de diseños de cohetes de combustible líquido que podrían duplicar el rendimiento con respecto a los diseños actuales y al mismo tiempo mejorar la confiabilidad.
Los cohetes alimentados por líquido han existido durante mucho tiempo: el primer lanzamiento impulsado por líquido fue realizado en 1926 por Robert H. Goddard. Ese simple cohete produjo aproximadamente 20 libras de empuje, suficiente para transportarlo a unos 40 pies en el aire. Desde entonces, los diseños se han vuelto sofisticados y poderosos. Los tres motores a bordo del transbordador espacial de combustible líquido, por ejemplo, pueden ejercer más de 1.5 millones de libras de empuje combinado en el camino a la órbita de la Tierra.
Puede suponer que, a estas alturas, todo refinamiento concebible en los diseños de cohetes de combustible líquido debe haberse realizado. Te equivocarías. Resulta que hay margen de mejora.
Dirigido por la Fuerza Aérea de EE. UU., Un grupo formado por la NASA, el Departamento de Defensa y varios socios de la industria están trabajando en mejores diseños de motores. Su programa se llama Tecnologías integradas de propulsión de cohetes de alta rentabilidad y están buscando muchas mejoras posibles. Uno de los más prometedores hasta ahora es un nuevo esquema para el flujo de combustible:
La idea básica detrás de un cohete de combustible líquido es bastante simple. Un combustible y un oxidante, ambos en forma líquida, se introducen en una cámara de combustión y se encienden. Por ejemplo, el transbordador utiliza hidrógeno líquido como combustible y oxígeno líquido como oxidante. Los gases calientes producidos por la combustión escapan rápidamente a través de la boquilla en forma de cono, produciendo así un empuje.
Los detalles, por supuesto, son mucho más complicados. Por un lado, tanto el combustible líquido como el oxidante se deben alimentar a la cámara muy rápidamente y bajo una gran presión. ¡Los motores principales del transbordador drenarían una piscina llena de combustible en solo 25 segundos!
Este torrente de combustible es impulsado por una turbobomba. Para alimentar la turbobomba, se “prequema” una pequeña cantidad de combustible, lo que genera gases calientes que impulsan la turbobomba, que a su vez bombea el resto del combustible a la cámara de combustión principal. Se usa un proceso similar para bombear el oxidante.
Los cohetes de combustible líquido de hoy envían solo una pequeña cantidad de combustible y oxidante a través de los quemadores previos. El volumen fluye directamente a la cámara de combustión principal, omitiendo por completo los prequemadores.
Una de las muchas innovaciones probadas por la Fuerza Aérea y la NASA es enviar todo el combustible y el oxidante a través de sus respectivos quemadores previos. Solo se consume una pequeña cantidad allí, lo suficiente para hacer funcionar los turbos; el resto fluye a la cámara de combustión.
Este diseño de "ciclo por etapas de flujo completo" tiene una ventaja importante: con más masa que pasa a través de la turbina que impulsa la turbobomba, la turbobomba se impulsa con más fuerza, alcanzando así presiones más altas. Mayores presiones equivalen a un mayor rendimiento del cohete.
Tal diseño nunca antes se había utilizado en un cohete de combustible líquido en los EE. UU., Según Gary Genge en el Centro Marshall de Vuelo Espacial Marshall de la NASA. Genge es el Subgerente de Proyecto del Demostrador de Powerhead Integrado (IPD), un motor de prueba para estos conceptos.
"Estos diseños que estamos explorando podrían aumentar el rendimiento de muchas maneras", dice Genge. "Esperamos una mejor eficiencia de combustible, una mayor relación de empuje a peso, una mayor confiabilidad, todo a un menor costo".
"En esta fase del proyecto, sin embargo, solo estamos tratando de hacer que este patrón de flujo alternativo funcione correctamente", señala.
Ya han logrado un objetivo clave: un motor que funciona mejor. "Las turbinas con patrones de flujo tradicionales pueden calentar hasta 1800 C", dice Genge. Eso es mucho estrés térmico en el motor. La turbobomba de "flujo completo" es más fría, porque con más masa corriendo a través de ella, se pueden usar temperaturas más bajas y aún así lograr un buen rendimiento. "Hemos bajado la temperatura en varios cientos de grados", dice.
IPD se entiende solo como un banco de pruebas para nuevas ideas, señala Genge. El demostrador en sí nunca volará al espacio. Pero si el proyecto tiene éxito, algunas de las mejoras de IPD podrían llegar a los vehículos de lanzamiento del futuro.
Casi cien años y miles de lanzamientos después de Goddard, los mejores cohetes de combustible líquido pueden estar por venir.
Fuente original: artículo científico de la NASA
