07 mayo 2007

Propulsión cohete, ondas de choque... y verdades a medias

Precioso, ¿verdad? Así lo han debido pensar los responsables de la agencia espacial norteamericana, que se han apresurado a difundir las imágenes a través de sus medios de prensa, encontrando rápidamente eco en diarios generalistas (a las pocas horas de recibir las imágenes de la NASA por vía directa, ya las encontraba reseñadas en algunos periódicos nacionales).



Se trata de la prueba de un nuevo motor cohete de propulsante líquido por parte de la NASA. Nada del otro mundo, sinceramente, por mucho que quieran hacer parecer lo contrario, nada revolucionario. Simplemente, un motor que utiliza metano como combustible en lugar de hidrógeno líquido o keroseno, en combinación con oxígeno líquido. Los parámetros del motor (presiones, temperaturas, etc) cambian al cambiar el propulsante, pero tecnológicamente hablando esto no es noticia, realmente. Vamos, que este motor podía haberse hecho ya en los años 50, si hubiera hecho falta. Pero la NASA sabe hacerse publicidad, y les alabo por ello.

Pero esta entrada es para comentar la imagen. Una belleza, ¿no estáis de acuerdo? ¿Y qué me decís del vídeo? ¡Espectacular! La estructura del chorro, con sus ondas de choque, se aprecia con una claridad que confieso que no había visto nunca. ¡Es una maravilla! Vale, a lo mejor es deformación profesional y no os parece para tanto, pero a mi me encanta.

La imagen tiene unas características didácticas impresionantes. Se ven claramente, sin necesidad de gráficos, las sucesivas ondas de choque y de expansión que sufren los gases a velocidad supersónica del chorro cuando interacciona con la atmósfera. Es el resultado de utilizar una tobera no adaptada.

¿Qué es eso de tobera adaptada? Pues una perfectamente calculada para funcionar óptimamente a una presión exterior determinada. En el punto óptimo, los gases de escape de la tobera deberán salir a la misma presión existente en el exterior. Si la tobera tiene un área de salida adecuada para conseguir esto, tendremos una tobera adaptada, que es la que proporciona máximo empuje. Si por el contrario los gases no se expanden lo suficiente en la tobera y salen a una presión superior a la ambiente, se generará una onda de expansión a la salida. En el caso opuesto, si los gases se expanden demasiado en su recorrido por la tobera y salen al exterior a una presión inferior a la ambiental, aparecerá una onda de choque.

Esta es la explicación sencilla, pero la realidad es más compleja, porque dichas ondas de choque y de expansión "rebotarán" en los límites del chorro, repitiéndose a intervalos regulares como tan claramente se observa en esta magnífica fotografía y en el vídeo. Al mismo tiempo, las sucesivas expansiones y compresiones de los gases en el seno del chorro dan lugar a esas bonitas ondulaciones que también vemos aquí.


En mis tiempos (que ya parecen prehistóricos) estas cosas las estudiábamos con unos croquis hechos a mano con tiza sobre una pizarra, y la verdad, no es lo mismo... Hoy día, con las nuevas tecnologías, no me extrañaría que en más de una universidad se utilizase esta misma imagen para ilustrar el proceso con una claridad infinitamente mayor; y para el croquis de rigor, que aún es necesario para comentar los detalles, podemos olvidarnos de la tiza: también podemos encontrarlo ya listo y en colorines en internet. ¡Si es que ahora da gusto estudiar, no como antes, que todo era nada más que sufrir! ;-)

Bueno, para terminar, comentemos algo de lo que menos me importa de estas imágenes, que es el motivo de este ensayo. Pues bien, últimamente "se ha puesto de moda" pensar en motores cohete alimentados por metano. La cosa viene de los orígenes del CEV (ahora Orión), cuando, siguiendo los criterios de la visión de Bush, se ideó como un vehículo inicialmente orbital, posteriormente lunar, y en un futuro indeterminado, interplanetario. Pues bien, para ese futuro indeterminado, y pensando específicamente en Marte, se pensó que sería bueno equiparlo con motores alimentados por metano y oxígeno líquido, facilitando la producción del combustible necesario para el viaje de vuelta en el planeta de destino (pensando en destinos donde el metano es abundante; Marte es uno de ellos).

La idea teóricamente no está mal, aunque para mí tiene muchas lagunas en la práctica. Bueno, no es que tenga lagunas, simplemente es que dicho así es una sobresimplificación del problema. Porque por mucho que abunde el metano en el lugar de destino, no vamos a encontrar una estación de servicio donde nos lo sirvan. También en la Tierra abunda el oxígeno, y no vamos encontrando el oxígeno líquido por la calle... Vamos, que una cierta infraestructura sería necesaria, así que la solución no sería tal a corto plazo. Porque, aunque algunos hablan de enviar ya en la primera misión una especie de módulo-factoría, habría que tener en cuenta varias cosas: la primera, peso y coste de tal módulo, que claramente no compensa frente a enviar directamente el propulsante necesario para la vuelta salvo que pensemos en mantener las misiones a largo plazo, y si eso ocurre algún día, será sólo cuando se tenga claro que quiere hacerse, después de varias misiones de tipo puntual; y segundo, por el tema fiabilidad: es más seguro enviar el propulsante desde aquí que aventurarnos a producirlo in situ, con todos los problemas que puedan aparecer. Al menos, mientras no tengamos mucha experiencia en el tema...

Pero bueno, el caso es que por algo se empieza, y la prueba de este motor es un primer pasito.

De todas formas, en este caso la NASA, en su nota de prensa, es un poquito ladina, pues no lo dicen todo, haciendo parecer este ensayo, en el fondo anodino (imagen aparte) como un gran avance. Y es que no hacen más que presentar ventajas para el metano, y uno podría pensar "¡leches, y si es tan bueno... ¿por qué no se ha usado antes?!". Bueno, no hace falta que lo pensemos, hasta lo dicen ellos, casi haciéndose quedar como tontos: "tiene tantas ventajas que la pregunta es ¿por qué no se ha usado antes?". Curiosamente, no dan la respuesta, porque les tiraría las supuestas ventajas por los suelos...

Y es que tiene ventajas, pero depende de con qué lo compares y cómo. En su nota de prensa, la NASA lo compara con el hidrógeno líquido, y frente a él, es más manejable al ser menos volátil y tener una temperatura de almacenamiento bastante mayor (-162 ºC frente a -253 ºC), y es más denso, lo que implica un menor volumen de almacenamiento (dando lugar a depósitos más pequeños, que suponen menor peso). Y ya está, se quedan tan anchos. Con lo cual, uno se puede preguntar por qué leches llevamos años echando hidrógeno a los cohetes…

Pues porque hay otros factores, y el principal es el impulso específico (Isp). El impulso específico, definido como la cantidad de tiempo que una masa de propulsante de 1 kg proporciona un empuje de 1 kg (9,8 N) nos indica la eficiencia del propulsante. A mayor Isp, menos consumo específico, más eficiencia. Cuando la masa a transportar es vital, como es el caso de la astronáutica, el Isp del propulsante se convierte en un factor crítico, pues a mayor Isp, menor masa de propulsante es necesaria, y teniendo en cuenta el gran porcentaje de masa del vehículo que supone el propulsante, es fácil ver la importancia de este término.

Bien, pues al grano: el Isp del metano combinado con oxígeno líquido (es la combinación oxidante-comburente, es decir, el propulsante, lo que da el Isp) es de 368,3 s, mientras que el del hidrógeno-oxígeno líquidos es de 455,9 s (ambos medidos en el vacío; el Isp también depende de la presión exterior, siendo máximo en el vacío). Es decir, una diferencia de casi un 24%. Lo suficiente como para cubrir de sobra la ventaja otorgada por la mayor densidad del metano, y la razón por la cual el propulsante criogénico (hidrógeno y oxígeno líquidos) es el preferido para misiones espaciales a pesar de sus múltiples problemas de manipulación, almacenamiento y diseño del motor.

La NASA no tenía por qué callarse esto, y hacerlo no le otorga credibilidad, precisamente. Está claro que la ventaja del metano es la de poder obtenerse in situ en futuras misiones interplanetarias, y ésta ya es razón suficiente sobre el papel (aunque ya he indicado mis reservas a medio plazo), así que ¿por qué no decir toda la verdad? No me gusta ese estilo, afortunadamente nada habitual en la agencia norteamericana. Esperemos que no se repita.

Bueno, y para terminar, ¿cuál es el atractivo del metano frente a otros propulsantes típicos? Pues veamos: frente a la combinación keroseno-oxígeno líquidos (muy habitual en primeras etapas de lanzadores, como el Soyuz o el Atlas V) el metano-oxígeno líquido tiene un Isp tan sólo un 3,8% mayor, mientras que su densidad es un 22% menor. Ello hace que de nuevo salga perdiendo, pues en este caso el pequeño aumento de Isp no compensa el mayor peso de los mayores tanques, y por eso los lanzadores tampoco lo usan.

Por último, la combinación metano-oxígeno también pierde, más o menos en la misma proporción, frente a la combinación UDMH (dimetil hidracina asimétrica)-oxígeno: su Isp es tan sólo un 0,8% mayor, mientras que su volumen lo es en un 18%. Eso sí, la hidracina es más cara, y mucho más tóxica. De todas formas, la UDMH no suele utilizarse en combinación con oxígeno líquido, sino con óxidos de nitrógeno (N2O4), dando lugar a un Isp bastante mayor. A costa, ya digo, de coste, toxicidad, y alto poder corrosivo, pero haciéndolo muy atractivo, tanto para lanzadores (Proton, por ejemplo) como, sobre todo, para misiles, por su capacidad de largo almacenamiento a temperatura ambiente, lo que permite una gran disponibilidad (se guarda “listo para disparar”, sin mayores problemas… excepto que se agujeree el depósito por corrosión, que alguna vez ha pasado con el paso de los años, ocasionando un gran accidente; pero como ocurre en instalaciones militares, se le da poca publicidad).

En fin, que lo dicho, que espero que la NASA sea más transparente en su “publicidad” la próxima vez, que no hacen falta verdades a medias para defender su trabajo. Y, volviendo al principio: preciosa foto, y muy didáctica. (Foto: XCOR Aerospace/NASA)

10 comentarios:

Ambros dijo...

Muy interesante y detallado. Me imaginaba algo parecido pero no conocia las cifras.
Una lástima que no se cuenten todos los detalles porque la NASA también deberia estar para hacer divulgación y no sugerir ideas incorrectas.

Pero la imagen preciosa, eso si.

Salva85 dijo...

Muy bueno Javier. Muy buen video y muy buenos datos. En verdad, la realización de un motor cohete de metano era necesario para los viajes tripulados a marte, pero vamos, que se lo tienen muy creído, como bien dices.

Me encanta ver motores encendidos, su ignición y demás, son casi hipnóticos para mi. Habré visto como mil veces los vídeos de las pruebas del L1, los soyuz y de los motores del transbordador, pero me encanta.

Un saludo.

Anónimo dijo...

Ojalá se hiciesen en España pruebas a sí en directo, seguro que atraería la atención de la gente por este campo.

Richi dijo...

Magnífica entrada. Buscando por ahí encontré una relación de motores que usan hidracina, pero lo que no entiendo es por qué el Isp varía de uno a otro usando todos el mismo propulsante.
La url es:http://www.astronautix.com/props/n2o4mmh.htm

Javier Casado Pérez dijo...

Muy buena observación. La razón es que el Isp, aunque directamente ligado al tipo de propulsante, es una característica del motor. Se define como el empuje proporcionado dividido por el gasto másico (consumo de masa de propulsante por unidad de tiempo). Los parámetros del motor influyen en su valor, en concreto la relación de áreas de la tobera (área de salida frente a área de garganta, o paso mínimo de la tobera). Que la tobera esté o no adaptada, también influye (si aparecen ondas de choque habrá pérdidas, por ejemplo). En suma, es un parámetro del motor, y cuando se comparen los Isp de diferentes propulsantes habrá que hacerlo para un mismo motor.

En el caso de los valores que yo he dado aquí, están medidos en el vacío para un motor con una relación de áreas de 100:1. En el caso de la tabla que nos indicas de Mark Wade, la relación de áreas es la de cada motor, y la presión de salida siempre la misma (para poder comparar), que en este caso no es el vacío, sino la presión estándar a nivel del mar.

Hay que señalar, además, que aunque es frecuente hablar de hidracina en general (yo el primero), hay diferentes variantes, y para ser precisos hay que especificar a cuál nos referimos: hidracina propiamente dicha (NH4), MMH (monometil hidracina) o UDMH (dimetil hidracina asimétrica). Además, según el tipo puede usarse sola (la hidracina es un monopropulsante, no necesita más) o combinada con diferentes oxidantes (oxígeno líquido, óxidos de nitrógeno N2O4...) o también mezclada con otras variedades (NH4 con MMH ó UDMH) en combinación con algún oxidante (N2O4 generalmente).

Es curioso, siempre pensaba que estos artículos más técnicos interesaban menos a la gente, pero veo que son los que más comentarios generan. ¡Me alegro!

¡Saludos!

Richi dijo...

Como siempre, excelente. Te agradezco la explicación. Es lo que tenemos los astronautas frustrados, y los que no pudimos estudiar la fantástica ingeniería aeronáutica (yo me tuve que conformar con otra de mis obsesiones, la física). Con respecto a la audiencia de los artículos técnicos, supongo que los que tenemos la enfermedad de la curiosidad patológica nos tenemos que refugiar en los pocos sitios de la Red donde no nos tratan como bichos raros ;)
Un abrazo!!

Kr311 dijo...

Un artículo estupendo. Sólo un apunte, la hidracina es N2H4 ;)

Javier Casado Pérez dijo...

Tienes toda la razón, la química no es mi fuerte :-)

Anónimo dijo...

Creo que ya es un poco tarde para cometar esto, pero me gustaría intentarlo jeje.

He leído la definición de tobera adaptada y no he entendido bien los casos en los que se producen expansiones y ondas de choque. Dices ahí que si la presión de salida es menor que la presión ambiente se produce una onda de choque. Pero me pregunto cómo es posible que la presión dentro de la tobera sea menor que la ambiente, por que si esto fuera así el fluido iría en dirección opuesta, ¿no?

Y yo pensaba que en una onda de choque se producía un aumento de la presión brusca, así que me he perdido un poco. Me parece muy bueno el blog, y me gustaría concretar esos detalles para sacarle todo el partido posible.

Si no es ya tarde... (casi 4 años después) agradecería una respuesta, pues estoy haciendo un trabajo de ello y me estoy liando lo inimaginable jeje. Gracias! ;)

Javier Casado Pérez dijo...

Para anónimo: en régimen supersónico, el comportamiento de los gases es muy diferente al que estamos acostumbrados en subsónico, digamos "en la vida normal". A ambos lados de una onda de choque hay distintas presiones. Es un tema que llevaría demasiado comentar aquí, pero te dejo este enlace por si te puede servir:
http://www.engapplets.vt.edu/fluids/CDnozzle/cdinfo.html