(27) La Evolución del Cohete

Alemania La historia completa de la tecnología del cohete es muy larga para cubrirla aquí. Entre la I y la II Guerras Mundiales, especialmente en los años 30, hubo activos clubs de entusiastas de los cohetes en Alemania, Estados Unidos, Rusia y otros países. Se diseñaron cohetes experimentales, se probaron, y algunas veces los hicieron volar. Algunos de los experimentos usaban combustible líquido, aunque también se desarrollaron cohetes de combustible sólido. En estos últimos, el combustible se quemaba gradualmente (como en los antiguos cohetes de pólvora), y el contenedor de combustible estaba presurizado, proporcionando el gas caliente directamente hacia la tobera De-Laval.    Hermann Oberth El semillero del estudio y uso de los cohetes fue Alemania, donde Hermann Oberth, un rumano, promovió con pasión la idea de los vuelos espaciales, aún cuando su tesis doctoral "El cohete en el espacio interplanetario" fue rechazado por la Universidad de Heidelberg. Oberth era un miembro antiguo de la "Sociedad par los Viajes Espaciales" (Verein fuer Raumschiffahrt ó VfR) formado en 1927. En 1930 el VfR probó con éxito un motor de combustible líquido con una tobera cónica que desarrollaba un empuje de 70 newtones (unos 10 newtones elevan 1 kg). En 1932 volaban cohetes con motores de 600 newtones.  El Cohete V2  En esos momentos, sin embargo, el ejercito alemán había comenzado a desarrollar cohetes para su propio uso y en 1932 alistaron a un joven ingeniero llamado Wernher Von Braun. Los cohetes militares eran mayores y más ambiciosos y el A2 que voló en 1934 desarrollaba un empuje de 16000 newton. Esto condujo hasta el A4, diseñado y probado bajo la supervisión de Von Braun, un cohete de 12 toneladas con un empuje de 250 000 newtones, con 1 tonelada de carga útil y un alcance de 300 km (unas 200 millas).    (Foto por Richard V. Wielgosz) Denominado V-2 (arma de venganza 2) por el ejercito alemán, se enviaron cientos de ellos sobre Londres a finales de 1944, por ser un blanco lo suficientemente grande como para asegurar serios daños aún sin tener gran precisión. Debido a que estos misiles volaban mucho más rápido y más alto que cualquier aeroplano, los británicos no tenían forma de interceptarlos y bombardear sus bases de lanzamiento era también muy difícil, ya que los V-2 (como los misiles iraquíes en 1991) usaban lanzaderas móviles. El ataque solo paró cuando el ejercito alemán fue empujado más allá del alcance de los cohetes. Hoy en día se muestra un V-2 en el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian Institution en Washington (foto de la derecha).  En los Estados Unidos  Theodore Von    Karmán Entretanto se estaban desarrollando los cohetes en los EE.UU., bastante diferentes de los esfuerzos de Robert Goddard. Un pionero fue Theodore Von Karmán, un húngaro graduado en el Minta, una de las famosas universidades de Budapest, de la cual salió un gran número de distinguidos científicos. Karmán se convirtió en una autoridad en aerodinámica y en 1930 desempeñó el trabajo de profesor de aeronáutica en el Caltech, el California Institute of Technology en Pasadena, California.  Juntamente con Frank Malina, uno de sus estudiantes diplomados, Karmán comenzó el diseño y construcción de cohetes en el Caltech's Guggenheim Aeronautical Lab (sostenido por la familia Guggenheim, que también financió los trabajos de Goddard). Debido a que los cohetes tenían un dudosa connotación de "lejanía", prefirió referirse a sus trabajos como "propulsión a chorro". Por último, Karmán y Malina establecieron en Caltech un laboratorio dedicado a los trabajos de cohetes, el Jet Propulsion Laboratory (JPL); hoy en día el JPL es virtualmente una parte de la NASA, un gran laboratorio especializado en la exploración del sistema solar más allá de la Tierra. Otro estudiante distinguido de Karmán fue Hsue Shen Tsien, quien posteriormente volvió a China y ayudó a asentar el esfuerzo de su país en los vuelos espaciales.  El grupo de Karmán construyó cohetes de combustible sólido y líquido. Durante la II Guerra Mundial uno de los problemas fue conseguir poner en vuelo hidroaviones de gran peso, Karmán y sus ingenieros resolvieron esto diseñando el cohete JATO, ó "Jet Assisted Take Off." Al principio quemaron una mezcla de brea y perclorato, un compuesto rico en oxígeno similar a los que usan los profesores de química en las demostraciones de clase para producir oxígeno: la brea era el combustible y el perclorato proveía el oxígeno. (Robert Goddard diseñó un cohete de combustible líquido JATO, pero no tuvo éxito. )  Posteriormente diseñó el "Private", de combustible sólido, para uso militar, y uno mayor de combustible líquido, el “Corporal”. Este último fue adaptado para la investigación a gran altura como "WAC Corporal" (WAC por Women's Auxiliary Corps) el cual, con un empuje de 6700 newtones, alcanzó en 1945 una altura de 70 km; posteriormente, a partir de este, se desarrolló un cohete científico mayor, el Aerobee.  Usos Militares Con la excepción del V-2, los diversos ejercitas de la II Guerra Mundial usaron cohetes de combustible sólido para bombardeos masivos, para cubrir ataques ó desembarques en la playa; el ejercito ruso, por ejemplo, tenía su famoso "Katyusha".   El avión cohete X-1, el primer avión en   superar la velocidad del sonido. Los  efectos de las ondas de choque se  pueden ver en los gases de escape. Asimismo, Alemania desarrolló un avión ligero movido por un cohete, con motores que solo funcionaban el tiempo necesario para permitirle su elevación e interceptar a los bombarderos americanos, después de lo cual planeaba hacia la tierra y aterrizaba sin motores. Fueron, no obstante, unas armas fruto de la desesperación y la guerra terminó antes de que pudieran utilizarse. Después de la guerra, en 1947, los EE.UU. construyeron e hicieron volar un avión cohete, el X-1, que se convirtió en el primer avión en superar la barrera del sonido en vuelo de nivel, el 14 de Octubre de 1947. El X-1 se puede ver también en el museo Smithsonian.  Cohetes Multietapa y Tecnología Todos los cohetes anteriores tenían un solo motor, con el que ascendían hasta que se quedaban sin combustible. Sin embargo, una forma mejor de alcanzar gran velocidad es colocar un cohete pequeño en la parte superior de un mayor y encenderlo después de que se ha apagado el primero.  Imagine que queremos usar un cohete V-2 para enviar una carga útil pequeña, p.e. 10 kg., lo más alto posible. La carga util normal de un V-2 era de una tonelada (1000 kg), y con ese peso era posible alcanzar una altura de unos 100 km. Reduciendo la carga a 10 kg se podría incrementar la altura algo más, pero no mucho, ya que el cohete vacío, que pesa unas 3 toneladas, también es necesario elevarlo a la misma altura.  El ejercito de los EE.UU., que después de la guerra usó V-2 capturados para vuelos experimentales a la alta atmósfera, usó un camino más efectivo. Reemplazó la carga por otro cohete, en este caso un "WAC Corporal," que era lanzado desde el alto de la órbita. Ahora el apagado V-2, que pesaba 3 toneladas, se podía dejar caer y, usando el cohete pequeño, alcanzar una mayor altitud. Este era el cohete "Bumper" (a la derecha) que en febrero de 1949 alcanzó una altura de 393 km.  Hoy en día la mayoría de los cohetes espaciales usan varias etapas, que dejan caer las etapas apagadas y continúan con y continúan con impulsores más pequeños y ligeros. El Explorer 1, el primer satélite artificial de los EE.UU., que fue lanzado en enero de 1958, usaba un cohete de 4 etapas. La lanzadera espacial utiliza dos impulsores de combustible sólido, que se dejan caer cuando se han apagado (el desastre del "Challenger" de 1986 ocurrió cuando uno de ellos falló).  El combustible para los motores propios de la lanzadera, hodrógeno y oxígeno liquidos, proviene de un enorme tanque desprendible. Cuando se va usando el combustible, la masa impulsada disminuye y, por a la 2ª ley de Newton, la aceleración aumenta constantemente (es difícil disminuir el empuje de los moteres, pero la lanzadera lo puede hacer de forma limitada). Para reducir la aceleración y salvar a los astronautas y al vehículo de una fatiga excesiva, en un punto elegido del vuelo se apagan 2 ó 3 motores. Aún así, cuando se quema el último combustible del tanque, la aceleración alcanza unas 6g, empujando a cada astronauta hacia abajo con una fuerza añadida de 6 veces el peso de su cuerpo.  Las personas que no están familiarizadas con los vuelos espaciales raramente se dan cuenta que la mayor parte de la masa de los cohetes es el combustible. La masa de lanzamiento del V-2 era del 75% de combustible y el otro 25% el resto del cohete, pero como podemos ver, no era lo suficientemente bueno para los vuelos espaciales. En un artículo de 1948 en el American Journal of Physics, titulado "¿Podemos volar a la Luna? " los autores contestan su pregunta con un no rotundo. Extrapolaban la tecnología V-2 a los grandes cohetes y calculaban que el 80% del peso debería ser combustible, y con la conclusión de que la carga útil que se podría enviar a la Luna podrían ser 10 kg, y nunca un ser humano.  El Cohete Atlas  Launch of an    Atlas-Centaur. Los vuelos hacia la Luna solo fueron posibles con una tecnología en la que el combustible constituyese una mayor fracción de la masa. De la masa del misil Atlas, construido en los años 1950 y que fue usado por los primeros astonautas, el 97% de la misma, aproximadamente, era combustible. Esos cohetes fueron denominados como “balones de acero inoxidable”, conservando su forma con la ayuda del gas presurizado de su interior, usándolo también para empujar el combustible. Ese fue el vehículo con el que, el 20 de febrero de 1962, John Gleen se convirtió en el primer norteamericano en orbitar la Tierra. Debido a que el tanque de combustible era tan ligero, el Atlas solo dejaba caer dos de sus motores al final de la primera etapa de su vuelo y, como la lanzadera, continuaba con el tercero.

Exploración Adicional:

Sobre la vida de Wernher Von Braun--enlaces a varios sitios

Von Karmán fue solo uno de los muchos alumnos distinguidos de la Universidad de Budapest, capital de Hungría, alrededor del cambio de siglo. Se pueden encontrar más nombres y detalles en “El Fenómeno Húngaro” de Arthur O. Stinner, en el The Physics Teacher, p. 518-22, vol 35, Diciembre de 1997. Dicho sea de paso, mucho del ímpetu de esas escuelas fue debido a Lorand Eötvös, anotado anteriormente en conexión con el concepto de masa, y por su padre Joszef.

Sitio sobre la historia del estudio y uso de los cohetes

"¿Podemos volar a la Luna?" por Joseph Himpan y Rudolf Reichel, American Journal of Physics 17,251-262, 1948.

Artículo "Los años de Karmán en el GALCIT", Ann. Rev. Fluid Mechanics, 11, p. 1-10, 1979.