miniaturadeimagen|derecha|200px|Prueba del RS-68 en el Centro Espacial Stennis de la NASA. Se trata de un motor cohete que funciona con hidrógeno y oxígeno líquidos. Un motor de cohete es un motor de reacción autónomo. El empuje se genera mediante la expulsión a gran velocidad de masa en dirección contraria a la de la generación de la fuerza, como dictan las leyes de la mecánica. Usualmente, los motores cohete emplean una reacción de combustión para suministrar la energía necesaria para acelerar la masa de propulsante pero existen otras posibilidades que emplean energía nuclear o eléctrica en este cometido.
En la mayoría de los casos, los motores cohete presentan una relación empuje/peso muy alta que los convierte en sistemas adecuados para las exigentes condiciones de una misión de puesta en órbita, aunque el consumo específico (inverso del impulso específico) sea muy modesto en comparación con los motores a reacción no autónomos (en general, aerorreactores). Sin embargo, en todas sus variantes son los únicos sistemas de propulsión que pueden utilizarse en el espacio.
Tipos Existen varias clasificaciones de cohetes. La inmensa mayoría son cohetes químicos que obtienen la propulsión mediante reacciones químicas exotérmicas del propelente. Estos a su vez se dividen en:
Motores de propergol sólido. Se refiere a los motores que emplean sustancias sólidas, por lo general una mezcla que se enciende. Motores de propergol líquido. Emplea uno o más propergoles líquidos que se mantienen en tanques antes del encendido. Según la técnica empleada para llevarlos a la cámara de combustión existen varios ciclos: presurizado los tanque, mediante un generador de gas, ciclo expansor y combustión escalonada. Existe una clase de propergoles que arden cuando entran en contacto, los propergoles hipergólicos, que eliminan la necesidad de un sistema de encendido. Otra variante son los cohetes monopropelentes que utilizan un solo propulsor, descompuesto mediante un catalizador. Los compuestos más empleados para monopropelentes son la hidrazina y el peróxido de hidrógeno. Motores de propergol híbrido. Tienen un propulsor sólido en la cámara de combustión y un segundo propelente líquido o gas se añade para realizar la combustión.
Los cohetes térmicos son cohetes donde el propelente es inerte, pero se calienta mediante una fuente de energía, generalmente no química, tal como solar, nuclear o radiante. Existe un motor que emplea un método muy similar, el motor iónico, que emplea una fuente de energía externa para acelerar iones. Aunque es un motor a reacción, no es propiamente un cohete ya que no emplea una tobera.
Principio de funcionamiento miniaturadeimagen|200px|izquierda|La presión dentro de la cámara de combustión impulsa a los gases hacia la tobera.
Los motores cohete producen el empuje por la expulsión a alta velocidad de un fluido. Este fluido es, casi siempre,cohete de agua un gas generado por la combustión dentro de una cámara de combustión a alta presión (10-200bar) de propergoles sólidos o líquidos, que consta de dos componentes: combustible y oxidante.
El escape de fluido se hace pasar a través de una tobera de propulsión supersónica que utiliza la energía calorífica del gas para acelerar el escape a una velocidad muy alta, y la fuerza de reacción a esta empuja el motor en la dirección opuesta.
En los motores cohete las altas temperaturas y presiones favorecen el buen rendimiento, pues permite montar toberas más largas en el motor, lo que proporciona mayores velocidades de escape, así como un mejor rendimiento termodinámico.
Introducción de los propergoles en la cámara de combustión El propulsor del cohete es una masa que se almacena, por lo general en alguna forma de depósito de carburante, antes de ser expulsado por el motor cohete en forma de un chorro de fluido para producir empuje.
Los cohetes con propulsores químicos son los más comúnmente utilizados, tienen reacciones químicas exotérmicas que producen gas caliente que se utiliza para impulsarlos. Alternativamente, una masa químicamente inerte se puede calentar mediante una fuente de alta energía a través de un intercambiador de calor, y entonces no se emplea cámara de combustión.
miniaturadeimagen|derecha|300px|Un motor cohete sólido.
Los cohetes de propelentes sólidos se preparan como una mezcla de combustible y comburente llamado 'grano' y la carcasa de almacenamiento de propelente se convierte efectivamente en la cámara de combustión. En los cohetes de combustible líquido normalmente una bomba impulsa, por separado, el combustible y el comburente a la cámara de combustión, donde se mezclan y queman. Los motores cohete híbridos utilizan una combinación de propulsores sólidos y líquidos o gaseosos. Los cohetes tanto líquidos como híbridos utilizan inyectores para introducir el propulsor en la cámara. Estos son a menudo una serie de simples chorros - agujeros por los que el propelente se escapa bajo presión, pero a veces pueden ser boquillas de pulverización más complejas. Cuando dos o más propulsores inyectan los chorros de los propulsores suelen chocar deliberadamente ya que esto rompe el flujo en gotas más pequeñas que se queman más fácilmente.
Cámara de combustión En los cohetes químicos, la cámara de combustión es generalmente solo un cilindro y muy pocas veces se utilizan estabilizadores de llama. Las dimensiones del cilindro son tales que los propergoles son capaces de reaccionar completamente; diferentes propergoles requieren diferentes tamaños de cámara de combustión para que esto ocurra. Esto conduce a un número llamado L*:
donde: - Vc es el volumen de la cámara - At es el área de la garganta de la tobera.
L*:normalmente se sitúa en el intervalo de 0,64 a 1,5m.
La combinación de temperaturas y presiones que normalmente se alcanzan en una cámara de combustión suele ser extrema en todos los sentidos. A diferencia de los motores a reacción que consumen aire, no está presente el nitrógeno atmosférico que tiene como efecto diluir y enfriar la combustión, y la temperatura puede alcanzar valores casi estequiométricos. Esto, en combinación con las altas presiones, significa que la velocidad de conducción de calor a través de las paredes es muy alta.
Toberas miniaturadeimagen|150px|izquierda|Distribución típica de la temperatura (T) y presión (p) y velocidad (v) en una tobera Laval.
miniaturadeimagen|derecha|El empuje del cohete es causado por las presiones que actúan en la cámara de combustión y en la tobera. Por la tercera ley de Newton, presiones iguales y opuestas actúan sobre el tubo de escape, y este se acelera a altas velocidades.
La tobera con su cono de expansión en forma de gran campana o boquilla da al motor cohete su forma característica.
En los cohetes, el gas caliente producido en la cámara de combustión se permite escapar de la cámara de combustión a través de una abertura (la "boca"), dentro de una boquilla de alta expansión relación 'de Laval'.
Cuando se proporciona suficiente presión a la tobera (aproximadamente 2,5 a 3veces por encima de la presión ambiente) de la boquilla reactancias y se forma un chorro supersónico, acelerando dramáticamente el gas, convirtiendo la mayor parte de la energía térmica en energía cinética.
Las velocidades de escape varían dependiendo de la relación de expansión que la boquilla está diseñada para dar. No es raro que la velocidad de escape sea tan alta como diez veces la velocidad del sonido en el aire al nivel del mar.
Aproximadamente la mitad del empuje del motor del cohete proviene de las presiones desequilibradas dentro de la cámara de combustión y el resto proviene de las presiones que actúan contra el interior de la boquilla (véase el diagrama). A medida que el gas se expande (adiabáticamente), la presión contra las paredes de la boquilla hace que el motor del cohete se acelere en una dirección mientras el gas lo hace en la otra.
Eficacia del propelente
Para la eficacia como propulsor de un motor cohete es importante crear las presiones máximas posibles en las paredes de la cámara y la boquilla para una cantidad específica de agente propulsor, ya que este es el origen del empuje. Esto puede lograrse por los siguientes métodos: calentar el propelente a una temperatura tan alta como sea posible (utilizando un combustible de alta energía, que contiene hidrógeno o carbono y, eventualmente metales como el aluminio, o incluso, teóricamente, con energía nuclear) utilizar un gas de baja densidad específica (tan rico en hidrógeno como sea posible) utilizar propulsores que son, o se descomponen en, moléculas sencillas con pocos grados de libertad para maximizar la velocidad de traslación.
Puesto que todas estas cosas minimizan la msa del propelente utilizado, y puesto que la presión es proporcional a la masa de propelente presente a acelerarse a medida que empujan en el motor, y dado que a partir de la tercera ley de Newton, la presión que actúa sobre el motor también actúa recíprocamente en el propelente, resulta que para cualquier motor dado la velocidad del propulsor que sale de la cámara no se ve afectada por la presión de la cámara (aunque el empuje es proporcional). Sin embargo, la velocidad se ve afectada significativamente por los tres de los factores anteriores y la velocidad de escape es una excelente medida de la eficiencia del motor propulsor. Esto se denomina velocidad de escape, y después se toman en cuenta factores que pueden reducir, la velocidad eficaz del extractor es uno de los parámetros más importantes de un motor cohete (aunque el peso, coste, facilidad de fabricación y otros suelen ser también muy importantes).
Por razones aerodinámicas del flujo va sónica (" chokes ") en la parte más estrecha de la boquilla, la 'garganta'. Puesto que la velocidad del sonido en gases aumenta con la raíz cuadrada de la temperatura, el uso de gas de escape caliente mejora considerablemente el rendimiento. En comparación, a temperatura ambiente, la velocidad del sonido en el aire es aproximadamente 340 m/s mientras que la velocidad del sonido en el gas caliente de un motor cohete puede ser más de 1700 m/s; gran parte de este rendimiento se debe a una temperatura más alta, pero adicionalmente se eligen propulsores de cohetes para ser de baja masa molecular, y esto también da una velocidad mayor en comparación con el aire.
La expansión en la tobera del cohete luego multiplica aún más la velocidad, típicamente entre 1,5 y 2 veces, dando un chorro de escape hipersónico muy colimado. El aumento de velocidad de una tobera del cohete es determinada principalmente por su expansión relación área-la relación entre el área de la garganta para el área en la salida, pero las propiedades detalladas del gas también son importantes. Aumentar la relación de boquillas son más masivas pero son capaces de extraer más calor de los gases de combustión, aumentando la velocidad de escape.
La eficiencia de la tobera está afectada en la atmósfera por los cambios de la presión atmosférica con la altitud, pero debido a las velocidades supersónicas del gas que sale de un motor cohete, la presión del chorro puede ser o bien por debajo o por encima de la ambiente, y el equilibrio entre los dos no se ha alcanzado en todas las altitudes (ver diagrama).
Contrapresión y expansión óptima Para un rendimiento óptimo de la presión del gas en el extremo de la boquilla solo debe ser igual a la presión ambiental: si la presión de los gases de escape es menor que la presión ambiente, a continuación, el vehículo será frenado por la diferencia de presión entre la parte superior del motor y la salida, por el otro lado, si la presión de los gases de escape es más alta, entonces la presión de escape que podría haber sido convertida en empuje no se convierte, y la energía se desperdicia.