Construcción de un cohete casero

Introducción

Cohete aeroespacial

Un cohete espacial es una máquina que, utilizando un motor de combustión, produce la energía cinética necesaria para la expansión de los gases, que son lanzados a través de un tubo propulsor (llamada propulsión a reacción). Por extensión, el vehículo, generalmente espacial, que presenta motor de propulsión de este tipo es denominado cohete o misil. Normalmente, su objetivo es enviar artefactos (especialmente satélites artificiales y sondas espaciales) o naves espaciales y hombres al espacio (véase atmósfera).
Un cohete está formado por una estructura, un motor de propulsión a reacción y una carga útil. La estructura sirve para proteger los tanques de propelente y oxidante y la carga útil. Se llama también cohete al motor de propulsión en sí mismo.

Historia

Robert Hutchings Goddard y el primer vuelo de cohete propulsado con combustible líquido (gasolina y oxígeno), lanzado el 16 de marzo de 1926, en Auburn, Massachusetts, EE.UU.
El origen del cohete es probablemente oriental. La primera noticia que se tiene de su uso es del año 1232, en China, donde fue inventada la pólvora.
Existen relatos del uso de cohetes llamados flechas de fuego voladoras en el siglo XIII, en defensa de la capital de la provincia china de Henan.
Los cohetes fueron introducidos en Europa por los árabes.
Durante los siglos XV y XVI fue utilizado como arma incendiaria. Posteriormente, con el perfeccionamiento de la artillería, el cohete bélico desapareció hasta el siglo XIX, y fue utilizado nuevamente durante las Guerras Napoleónicas.
Los cohetes del coronel inglés William Congreve fueron usados en España durante el sitio de Cádiz (1810), en la primera Guerra Carlista (1833 - 1840) y durante la guerra de Marruecos (1860).
A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, aparecieron los primeros científicos que convirtieron al cohete en un sistema para impulsar vehículos aeroespaciales tripulados. Entre ellos destacan el ruso Konstantín Tsiolkovski, el alemán Hermann Oberth y el estadounidense Robert Hutchings Goddard, y, más tarde los rusos Serguéi Koroliov y Valentin Gruchensko y el alemán Wernher von Braun.
Los cohetes construidos por Goddard, aunque pequeños, ya tenían todos los principios de los modernos cohetes, como orientación por giroscopios, por ejemplo.


Lanzamiento de un cohete Bumper 2 por los EE.UU. en julio de 1950 en Cabo Cañaveral. Este cohete era un V-2 adaptado.
Los alemanes, liderados por Wernher von Braun, desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial los cohetes V-1 y V-2 (A-4 en la terminología alemana), que fueron la base para las investigaciones sobre cohetes de los EE.UU. y de la URSS en la posguerra. Ambas bombas nazis, usadas para bombardear París y Londres a finales de la guerra, pueden ser definidas como misiles. Realmente, el V-1 no llega a ser un cohete, sino un misil que vuela como un avión de propulsión a chorro.

Cohete Saturno V siendo lanzado
Inicialmente se desarrollaron cohetes específicamente destinados para uso militar, normalmente conocidos como misiles balísticos intercontinentales. Los programas espaciales que los estadounidenses y los rusos pusieron en marcha se basaron en cohetes proyectados con finalidades propias para la astronáutica, derivados de estos cohetes de uso militar. Particularmente los cohetes usados en el programa espacial soviético eran derivados del R.7, misil balístico, que acabó siendo usado para lanzar las misiones Sputnik.

Destacan, por el lado estadounidense, el Astrobee, el Vanguard, el Redstone, el Atlas, el Agena, el Thor-Agena, el Atlas-Centauro, la serie Delta, los Titanes y Saturno (entre los cuales el Saturno V - el mayor cohete de todos los tiempos, que hizo posible el programa Apollo), y, por el lado soviético, los cohetes designados por las letras A, B, C, D y G (estos dos últimos tuvieron un papel semejante a los Saturno estadounidenses), denominados Proton.
Otros países que han construido cohetes, en el marco de un programa espacial propio, son Francia, Gran Bretaña (que lo abandonó), Japón, China, y la India, así como el consorcio europeo que constituyó la Agencia Espacial Europea (ESA), que ha construido y explotado el cohete lanzador Ariane.

Principio de funcionamiento




Principio de funcionamiento del motor de cohete: los gases expelidos por la abertura provocan un movimiento hacia arriba por reacción
El principio de funcionamiento del motor de cohete se basa en la tercera ley de Newton, la ley de la acción y reacción, que dice que "a toda acción le corresponde una reacción, con la misma intensidad, misma dirección y sentido contrario".
Imaginemos una cámara cerrada donde exista un gas en combustión. La quema del gas producirá presión en todas las direcciones. La cámara no se moverá en ninguna dirección pues las fuerzas en las paredes opuestas de la cámara se anularán.
Si practicáramos una abertura en la cámara, donde los gases puedan escapar, habrá un desequilibrio. La presión ejercida en las paredes laterales opuestas continuará sin producir fuerza, pues la presión de un lado anulará a la del otro. Ya la presión ejercida en la parte superior de la cámara producirá empuje, pues no hay presión en el lado de abajo (donde está la abertura).


Diagrama en corte del cohete Saturno IB

Así, el cohete se desplazará hacia arriba por reacción a la presión ejercida por los gases en combustión en la cámara de combustión del motor. Por esto, este tipo de motor es llamado de propulsión a reacción.
Como en el espacio exterior no hay oxígeno para quemar el combustible, el cohete debe llevar almacenado en tanques no sólo el propelente (combustible), sino también el oxidante (comburente).
La magnitud del empuje producido (expresión que designa la fuerza producida por el motor de cohete) depende de la masa y de la velocidad de los gases expelidos por la abertura. Luego, cuanto mayor sea la temperatura de los gases expelidos, mayor será el empuje. Así, surge el problema de proteger la cámara de combustión y la abertura de las altas temperaturas producidas por la combustión. Una manera ingeniosa de hacer esto es cubrir las paredes del motor con un fino chorro del propio propelente usado por el cohete para formar un aislante térmico y refrigerar el motor.

Tipos de cohete
Astrobee: cohete estadounidense

En cuanto al tipo de combustible usado, existen dos tipos de cohete:
• Cohete de combustible líquido - en que el propelente y el oxidante están almacenados en tanques fuera de la cámara de combustión y son bombeados y mezclados en la cámara donde entran en combustión;
• Cohete de combustible sólido - en que ambos, propelente y oxidante, están ya mezclados en la cámara de combustión en estado sólido.
En cuanto al número de fases, un cohete puede ser:
• Cohete de una fase - en este caso el cohete es "monolítico";
• Cohete de múltiples fases - posee múltiples fases que van entrando en combustión secuencialmente y van siendo descartados cuando el combustible se agota, permitiendo aumentar la capacidad de carga del cohete.


Aplicaciones
La importancia de los cohetes como vehículos radica en dos características:
1. Su capacidad de alcanzar grandes velocidades y aceleraciones.
2. Su capacidad de funcionar en el vacío.
La primera de estas características es la que ha promovido su uso histórico en el campo militar y en los espectáculos pirotécnicos, la segunda no ha sido significativa hasta la aparición de la astronáutica en la década de 1950.

Uso militar


Misil antiaéreo de fabricación rusa
El cohete constituye un medio capaz de transportar una carga útil a grandes velocidades de un punto a otro. Como arma, un cohete puede transportar un explosivo (convencional o nuclear) a grandes distancias en un tiempo lo bastante corto como para coger al enemigo por sorpresa. El cohete presenta otras ventajas con respecto a los proyectiles: tiene un radio de acción más grande y su trayectoria puede ser controlada.
Existen cohetes militares (también nombrados misiles) de muy variado tamaño, potencia y radio de acción. Los pequeños pueden ser lanzados directamente por los soldados o desde vehículos en movimiento, y suelen ser utilizados para atacar las aeronaves del enemigo. La capacidad de controlar su vuelo también les permite ser usados para atacar objetivos fijos con bastante precisión.
Los misiles de gran tamaño pueden llegar a tener un radio de acción de miles de kilómetros y se utilizan para bombardear las instalaciones introducidas en territorio enemigo sin necesidad de enviar tropas o aviones. Su gran velocidad también dificulta la intercepción. De especial atención son los misiles balísticos intercontinentales (ICBM en terminología inglesa). Estos cohetes tienen un radio de acción de decenas de miles de kilómetros y siguen una trayectoria balística que los lleva, efectivamente, fuera de la atmósfera terrestre. Armados con explosivos nucleares constituyen un medio de disuasión importante, ya que permiten atacar el corazón de la nación enemiga por muy lejos que esté, sin que ésta disponga de ninguno medio para impedir su llegada.



Uso civil
Fuera del campo militar, el uso más importante de los cohetes es el de lanzar objetos al espacio exterior, normalmente poniéndolos en órbita en torno a la Tierra. Para este objetivo, el cohete es el único medio disponible. Por una parte, son los únicos vehículos capaces de alcanzar la velocidad necesaria para esta aplicación, y de la otra sólo el cohete es capaz de propulsarse en el vacío del espacio. Los otros vehículos necesitan un medio material sobre el que desplazarse, o bien obtienen algún elemento esencial para su funcionamiento del medio.
Sin embargo, el cohete no deja de ser un medio ineficaz de lanzar objetos al espacio. Debido a su propia naturaleza el cohete habrá siempre de ser mucho mayor que el objeto que tiene que transportar, y eso quiere decir que en un lanzamiento la mayor parte de la energía será utilizada para acelerar el propio cohete y no su carga útil. Por ejemplo, un cohete Ariane 5 cargado de combustible pesa en torno a 750 toneladas, de las cuales sólo 20 pueden ser efectivamente puestas en órbita. Sin embargo, no existen alternativas en el cohete ni a corto ni a largo plazo para esta aplicación.
Otro uso ligeramente diferente de los cohetes se encuentra en los estudios de microgravedad. Un cohete puede poner un objeto en una trayectoria balística fuera de la atmósfera, donde no será sometido a la fuerza de rozamiento del aire y estará, pues, en una situación de caída libre, equivalente a la ausencia de gravedad para muchos fenómenos físicos.
En razón del creciente desarrollo y la alta tecnología que involucra, no puede dejarse de lado la cohetería vocacional, conocida también como coheteria amateur.

El futuro

Cohete Protón de Rusia
El cohete convencional deberá pasar por algunos avances en los próximos años, aunque aún será el mayor responsable, por mucho tiempo, del envío de astronautas y satélites artificiales al espacio.
La adopción de vehículos reutilizables, como el transbordador espacial, de la NASA, debe ampliarse. Los transbordadores espaciales despegan como un cohete convencional, pero aterrizan como aviones, gracias su aerodinámica especial.
Un motor revolucionario, que puede hacer avanzar la tecnología astronáutica, es el motor Scramjet, capaz de alcanzar velocidades hipersónicas de hasta 15 veces la velocidad del sonido. El motor Scramjet no posee partes móviles, y obtiene la compresión necesaria para la combustión por el aire que entra de frente, impulsado por la propia velocidad del vehículo en el aire. La NASA probó con éxito un motor de este tipo en 2004. El cohete, llamado X-43A, fue llevado a una altitud de 12.000 m por un avión B-52, y lanzado de un cohete Pegasus a una altitud de 33.000 m. Alcanzó la velocidad récord de 11.000 km/h.
Otra posibilidad de adelanto en la tecnología de motores de cohetes es el uso de propulsión nuclear, en que un reactor nuclear calienta un gas produciendo un chorro que se usa para producir empuje. O la idea de construir un cohete en forma de vela, impulsado por la presión de radiación solar, lo que permitiría viajes interplanetarios a distancias mayores.

Partes de un cohete

Las partes del cohete son las siguientes:
• Fuselaje: Es el cuerpo del cohete. Contiene el motor, el dispositivo de recuperación la ojiva y las aletas.
• Aletas: Su función es estabilizar el cohete durante el vuelo
• Motor: Impulsa al cohete en su ascenso. Generalmente son de combustible sólido construidos con pólvora negra.
• Traba del motor: Es una chapita de metal que retiene al motor en su lugar impidiendo que se salga deslizándose hacia atrás, lo que puede suceder en el momento de la activación de la carga de eyección del paracaídas si no está debidamente sujetado.
• Paracaídas: Permite al cohete descender de manera suave y segura para ser reutilizado.
• Cono: También llamado ojiva por ser esta la forma más común, es el extremo superior del cohete y debe tener un buen perfil aerodinámico.
• Varilla de despegue: Es un tubito por el que pasa la varilla de metal de la rampa de lanzamiento.


COHETES CASEROS
Cohete con una cerilla
Es un experimento, que a pesar de lo que pueda parecer es muy simple, pero que a la vez necesita que seamos cuidadosos y respetemos ciertas normas de seguridad para no darnos un susto.
Necesitaremos:
• Cerillas "ligeras" (las que son pequeñas y compuestas por un cuerpo de cera son las mejores, pero también las he visto hacer con cerillas de papel, como las de los hoteles).
• Papel de aluminio (el que todos tenemos en la cocina)
• Clip (de los de oficina para sujetar papeles)
• Alfiler (queda claro que es de los de coser, no debe ser muy grande)


Para construir nuestro pequeño cohete casero y poder hacer así competencia a la NASA tendremos que coger un pequeño triangulo de papel de aluminio (no se ninguna medida exacta, pero lo mejor es ir probando). Dejamos este triangulo aparte y cojemos una cerilla y el alfiler. Tenemos que ponerlos juntos (la cerilla y el alfiler) de forma que uno de los extremos de alfiler (suponiendo que tenga los extremos aproximadamente iguales) quede a la misma altura que la cabeza de la cerilla.
Cogemos el triangulo de papel de aluminio y lo envolvemos alrededor de la cabeza de la cerilla, asegurándonos de que también quede cubierto parte del "cuerpo" de la cerilla (tampoco mucho porque si no el cohete pesara mucho). Nos aseguramos también de que quede bien apretado el papel de aluminio. Sacamos el alfiler, podemos ver que ha quedado un pequeño "orificio" que recorre todo el envoltorio de aluminio que envuelve la cabeza de la cerilla: Este "orificio" (es más bien un conducto) servirá para que cuando la cabeza de la cerilla prenda, los gases puedan salir en esa dirección, dándole a la cerilla-cohete el impulso suficiente para el despegue.
Una vez q hemos terminado el cohete fabricamos una "base de lanzamiento" con el clip (esto lo dejo a la imaginación de cada uno, porque no se ni como explicarlo) (la base de lanzamiento la podemos hacer con el clip o con lo que queramos, incluso podemos poner la cerilla-cohete en un bordillo y hacer un lanzamiento horizontal).
Construye un cohete casero
Nivel de dificultad: Medio
Coste económico: Prácticamente nulo. La mayor parte del material puede encontrarse en cualquier hogar, y en caso contrario con menos de 6 euros, dependiendo, por supuesto, del tipo de bomba que compremos, podemos tener todo el material necesario.

Materiales:
• Una botella de plástico de refresco de 1,5 o de 2 litros
• Una válvula de aire como la de los balones de plástico
• Medio litro de agua
• Un tapón de corcho
• Una bomba de hinchar colchones o barcas de plástico (puede ser el modelo más sencillo)


Realización paso a paso:

1- Del mismo modo en que los técnicos aerospaciales antes de realizar el lanzamiento de sus cohetes construyen un anclaje para el lanzador, nosotros deberemos empezar nuestra experiencia montando algún soporte para el nuestro. El objetivo del mismo es simplemente poder colocar la botella con el cuello para abajo sin tocar el suelo, y para ello bastará, por ejemplo, una tabla inclinada con dos listoncillos sobre los que colocarla. La imaginación, sin embargo, nos puede ayudar fácilmente a diseñar rampas algo más artísticas.

2- Antes de situar nuestro cohete en su rampa pondremos el agua en la botella y perforaremos el corcho para situar la válvula antes de tapar con él la boca de nuestro cohete casero. El corcho, como podrá comprenderse fácilmente, puede ser sustituido por cualquier otro material en el que podamos encajar la válvula.

3- A continuación ya podremos colocar la botella con el cuello hacia abajo y conectar a la válvula la bomba de hinchar después de asegurarnos de que no sale líquido por el tapón.

4 - Hemos entrado ya, así, en la última fase de nuestro lanzamiento. Poco a poco deberemos ir accionando la bomba de manera que el aire vaya entrando en la botella y comprimiéndose en su interior.

5- En un momento dado, y sin previo aviso, el tapón saldrá disparado hacia abajo y la botella, tal era nuestro objetivo, hacia arriba.

6- La altura máxima alcanzada por nuestro minicohete variará de un lanzamiento a otro en función de la cantidad de agua que utilicemos (aunque no conviene ni dejar la botella vacía, ni llenarla completamente). Puede ser interesante, entonces, realizar unas cuantas pruebas para determinar la cantidad óptima de agua, que será diferente para cada modelo construido.