Cohetes espaciales
Una máquina necesaria para nuestra supervivencia.
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Ilustración 1 ©Klaus Bürgle
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Actualmente, los cohetes son utilizados para poner satélites en órbita, enviar astronautas a la Estación Espacial Internacional y realizar experimentos en la superficie atmosférica. Pero no hace más de 60 años que estos artefactos comenzaron a usarse con fines relacionados a la exploración espacial. Los principios en los que están basados los cohetes fueron probados hace 2000 años, y atravesaron múltiples usos militares antes de que personas fueran lanzadas en ellos.
El primer relato del funcionamiento de estas máquinas es por parte de las escrituras de hace unos 2400 años de Aulus Gellius, un romano, que cuenta la historia de un filósofo y matemático griego llamado Arquitas de Tarento, quien es creador de una paloma hecha de madera la cual volaba liberando vapor. El vapor que a presión escapaba por un orificio, propulsó al pájaro suspendido con alambres. La paloma utilizó el principio de acción-reacción, que no fue declarado como una ley científica hasta el siglo XVII.
Luego de aproximadamente 300 años, el ingeniero y matemático Herón de Alejandría, inventó un dispositivo similar a un cohete llamado, Eolípila. Para lograrlo, montó una esfera sobre una tetera de agua, puso una llamarada en la parte inferior que convertía el agua en vapor a presión, el cual era expulsado a través de unas tuberías en la esfera. En lados opuestos el gas escapaba de tal forma que la esfera, acoplada a unos sostenedores, comenzaba a girar a causa de su empuje.
El origen de los cohetes convencionales no está del todo claro, las historias de los primeros dispositivos similares a cohetes aparecen esporádicamente a través de los registros históricos de varias culturas. Quizás los primeros verdaderos cohetes fueron descubiertos por accidente. En el siglo 1 d. e. c (después de la era común) los chinos utilizaban una mezcla simple de salitre, azufre y polvo de carbón para crear explosivos durante los festivales. Llenaban el bambú con esta mezcla y lo arrojaban al fuego, probablemente algunos tal vez no explotaron y, en su lugar, salieron disparados del fuego a causa de gases y chispas liberado por la pólvora ardiendo. En algún momento, conectaron el bambú a unas flechas y lo lanzaron con arcos. Pronto notaron que la propulsión producida por la pólvora era suficiente para que se pueda lanzar solo. El cohete convencional nació.
En el año 1232 los chinos y los mongoles estaban en guerra. Durante la batalla de Kai-Keng, los chinos repelieron a los invasores con un bombardeo de flechas con bambú y pólvora. Estas flechas de fuego eran una forma básica de un cohete de combustible sólido. Un tubo sellado en un extremo contenía pólvora, en el otro extremo tenía un orificio y se le unía a un palo de madera. La rápida combustión de la mezcla produce fuego, gas y humo que escapa por el orificio y propulsa al cohete. El bastón actúa como un sistema de guía para mantenerlo en dirección constante mientras vuela por los aires.
Luego de la batalla de Kai-Keng, los mongoles produjeron sus propios cohetes y probablemente fueron responsables de su propagación en Europa. Entre los siglos 13 y 15, se registraron reportes de variados experimentos con cohetes, como el del inglés Roger Bacon quien trabajó con diferentes tipos de pólvoras lo que mejoró notablemente la distancia que podían recorrer estos artefactos, o en Francia Jean Froissart descubrió que se podían lograr vuelos más precisos lanzando cohetes a través de los tubos. En Italia, Joanes de Fontana, diseñó un torpedo de superficie para incendiar navíos enemigos.
Durante el siglo 16 un fabricante alemán de fuegos artificiales llamado Johann Schmidlap, inventó el cohete “escalonado”. Este está compuesto por múltiples etapas que permitió elevar a mayor altitud a los fuegos artificiales. Cuando la primera etapa (por lo general de mayor tamaño) se quemaba, quedaba otra más pequeña que se encendía en el momento justo y seguía propulsando al cohete con brillantes cenizas. La idea de Schmidlap es básica para todos los cohetes de hoy en día que entran en el espacio exterior. Si bien todos los cohetes hasta el momento son usados para guerras o entretenimiento, no pasó mucho tiempo hasta que alguien los use como transporte. Un oficial chino llamado Wan-Hu, con la ayuda de muchos asistentes, armó una silla voladora propulsada por cohetes. Acoplado a la silla había dos grandes cometas, y en la parte trasera ató cuarenta y siete cohetes de flecha.
En el día del despegue, Wan-Hu, sentado en la silla, dio una orden para que sus asistentes encendieran las mechas con antorchas que cada uno tenía. Durante un momento, se escuchó un rugido seguido de nubes de humo ondulantes, que cegaron la visión de sus asistentes y para cuando se había dispersado, Wan-Hu y su silla voladora se habían ido. No se sabe con certeza que le sucedió realmente, pero es probable que haya explotado y acabado con el sueño de Wan-Hu.
A finales del siglo 17, las propiedades científicas de la cohetería fueron propuestos por el reconocido científico inglés, Sir Isaac Newton (1642-1727), quien formuló sus 3 conocidas leyes físicas sobre el movimiento. Las leyes explican el funcionamiento de los cohetes y por qué pueden trabajar en el vacío del espacio exterior
A comienzos de siglo 19 se retornó el uso de los cohetes como arma militar. Teniendo como influencia a los cohetes bombarderos indios, el coronel británico William Congreve, diseñó sus propios cohetes para uso militar y tuvieron mucho éxito, pero las mejoras en distancia no eran muy significativas. Más tarde, el inglés William Hale, desarrolló una técnica llamada Estabilización de giro, en donde los gases de escape se dirigían hacia pequeñas paletas en la parte inferior del cohete, haciéndolo girar como si fuese una bala. Hoy en día se siguen usando los principios de este método.
El cohete siguió siendo un artefacto de guerra hasta que, en 1898, un maestro de escuela ruso, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), pensó en usar a esta máquina como forma de transporte espacial. En 1903 Tsiolkovsky sugirió a través de un informe, el uso de propulsores líquidos para cohetes con el fin de lograr un mayor alcance, estableciendo las relaciones entre la velocidad del cohete, la velocidad del gas en la salida y la masa del cohete y su propulsor. Tsiolkovsky fue un visionario perspicaz que pensó mucho sobre los usos de sus queridos cohetes para explorar y dominar el espacio, es considerado el padre de la aeronáutica moderna debido a su investigación cuidadosa y gran visión. Un cráter de la lejana luna es llamado así en su honor.
Pero no fue el único visionario espacial. A principios del siglo 20, el estadounidense Robert H. Goddard (1882-1945), realizó múltiples experimentos con cohetes diseñados por él, pero con una pequeña diferencia, estos contenían combustible líquido. En 1919 publicó un folleto llamado “Un método para alcanzar altitudes extremas” que fue un análisis matemático de lo que hoy llamamos cohete sonda meteorológica.
En 1915 experimentó con diferentes tipos de combustibles sólidos y midió la velocidad de escape de sus gases al quemarse. Mientras esto sucedía, Goddard se convenció de que el combustible líquido era más efectivo, pero nadie lo había logrado antes debido a que era mucho más difícil a causa de que se necesitaría tanques de combustible y oxígeno, turbinas y cámaras de combustión.
A pesar de las dificultades, en 1926 Goddard había construido y probado con éxito el primer cohete con combustible líquido, siendo este tan significativo en la historia como el primer vuelo de los hermanos Wright en Kitty Hawk. Cargado con oxígeno líquido y gasolina, voló por dos segundos y medio, subió 12.5 metros, a una velocidad aproximada de 96.5 km/h. Luego de esto, desarrolló un sistema de giroscopio para control de vuelo y un compartimento de carga para instrumentos científicos, además agregó paracaídas para devolver al cohete y su cargamento de vuelta a tierra en forma segura. Goddard no tuvo mucha atención por parte de su gobierno, por lo que debió pagar el material para los experimentos con propio sueldo. La Institución Smithsonian le ofreció fondos que le permitió continuar su investigación de cohetes y desarrollar las teorías matemáticas de la propulsión de cohetes. Por sus logros ha sido llamado el padre de la cohetería moderna.
En 1923 el alemán Hermann Oberth publicó un libro sobre viajes espaciales llamado “El cohete en el espacio planetario” y más tarde “Formas de vuelo espacial”, los cuales fueron de gran inspiración para diferentes pequeñas sociedades de cohetes que surgieron en todo el mundo. Entre ellas se encontraba la “Verein fur Raumschiffahrt” (Sociedad para viajes espaciales) condujo al desarrollo del cohete V-2. El V-2 fue un cohete alemán construido por esclavos bajo supervisión de ingenieros nazi con el fin de crear el primer misil de largo alcance capaz de arrasar con gran parte de una ciudad. El programa V2 fue muy costoso en términos de vidas, pero fue un gran paso para la exploración espacial. El impulso proporcionado por el cohete estaba compuesto por una mezcla de oxígeno líquido y alcohol, liberado a una velocidad de aproximadamente 143 kg/s.
Al finalizar la guerra, todos los cohetes V-2, instrucciones y componentes para su construcción fueron capturados por los Aliados. Algunos científicos alemanes que no sabían que hacer, decidieron irse a la Unión Soviética, y otros se fueron a Estados Unidos, entre ellos se incluía a Wernher von Braun, quien estaba sorprendido de los avances tecnológicos de Robbert Goddard. Estado Unidos y la Unión soviética crearon programas experimentales para usar al máximo el potencial de esta gran invención. Comenzaron a hacerse pruebas atmosféricas de gran altitud, más tarde se crearon diversos tipos de misiles balísticos intercontinentales de medio y largo alcance, que fueron el inicio del programa espacial.
El 4 de octubre de 1957, el mundo quedó asombrado de escuchar que el primer satélite artificial ya se había puesto en órbita por parte de los soviéticos, llamado Sputnik 1 y fue la provocación para comenzar una carrera por el espacio exterior. Este satélite ayudó a determinar la densidad de las capas altas atmosféricas. Más tarde el 3 de noviembre de ese mismo año, se lanzó el Sputnik 2, pero a diferencia del 1, éste llevaba consigo al primer ser vivo, una perra callejera llamada Laika, quien sobrevivió en el espacio durante siete días. Lamentablemente el suministro de oxígeno se acabó y falleció, convirtiéndose en el primer animal que murió en órbita. Unos meses después, el 31 de enero de 1958, los estadounidenses dieron su primera señal de vida en esta carrera lanzando su satélite Explorer 1, luego de fallidos intentos en Cabo Cañaveral. A través de esta sonda se pudo descubrir los cinturones de radiación de Van Allen.
Luego de muchos lanzamientos, en octubre de ese año, se creó formalmente la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Durante las siguientes décadas, muchas personas y máquinas fueron lanzadas al espacio, astronautas se encontraban orbitando el planeta o aterrizando en la Luna, naves espaciales robóticas investigaban otros planetas como Venus o Marte. El espacio se convirtió en una fuente explotable de comercio, los satélites permitieron a los científicos pronosticar el clima, comunicarse de forma instantánea en todo el mundo y tomar fotografías de nuestro planeta, descubriendo nuevas territorios y yacimientos antiguos abandonados. Esto llevó a la construcción de nuevos y más potentes cohetes para aumentar la utilidad de cargas útiles y satisfacer la demanda de más envíos espaciales.
El primer relato del funcionamiento de estas máquinas es por parte de las escrituras de hace unos 2400 años de Aulus Gellius, un romano, que cuenta la historia de un filósofo y matemático griego llamado Arquitas de Tarento, quien es creador de una paloma hecha de madera la cual volaba liberando vapor. El vapor que a presión escapaba por un orificio, propulsó al pájaro suspendido con alambres. La paloma utilizó el principio de acción-reacción, que no fue declarado como una ley científica hasta el siglo XVII.
Luego de aproximadamente 300 años, el ingeniero y matemático Herón de Alejandría, inventó un dispositivo similar a un cohete llamado, Eolípila. Para lograrlo, montó una esfera sobre una tetera de agua, puso una llamarada en la parte inferior que convertía el agua en vapor a presión, el cual era expulsado a través de unas tuberías en la esfera. En lados opuestos el gas escapaba de tal forma que la esfera, acoplada a unos sostenedores, comenzaba a girar a causa de su empuje.
El origen de los cohetes convencionales no está del todo claro, las historias de los primeros dispositivos similares a cohetes aparecen esporádicamente a través de los registros históricos de varias culturas. Quizás los primeros verdaderos cohetes fueron descubiertos por accidente. En el siglo 1 d. e. c (después de la era común) los chinos utilizaban una mezcla simple de salitre, azufre y polvo de carbón para crear explosivos durante los festivales. Llenaban el bambú con esta mezcla y lo arrojaban al fuego, probablemente algunos tal vez no explotaron y, en su lugar, salieron disparados del fuego a causa de gases y chispas liberado por la pólvora ardiendo. En algún momento, conectaron el bambú a unas flechas y lo lanzaron con arcos. Pronto notaron que la propulsión producida por la pólvora era suficiente para que se pueda lanzar solo. El cohete convencional nació.
En el año 1232 los chinos y los mongoles estaban en guerra. Durante la batalla de Kai-Keng, los chinos repelieron a los invasores con un bombardeo de flechas con bambú y pólvora. Estas flechas de fuego eran una forma básica de un cohete de combustible sólido. Un tubo sellado en un extremo contenía pólvora, en el otro extremo tenía un orificio y se le unía a un palo de madera. La rápida combustión de la mezcla produce fuego, gas y humo que escapa por el orificio y propulsa al cohete. El bastón actúa como un sistema de guía para mantenerlo en dirección constante mientras vuela por los aires.
Luego de la batalla de Kai-Keng, los mongoles produjeron sus propios cohetes y probablemente fueron responsables de su propagación en Europa. Entre los siglos 13 y 15, se registraron reportes de variados experimentos con cohetes, como el del inglés Roger Bacon quien trabajó con diferentes tipos de pólvoras lo que mejoró notablemente la distancia que podían recorrer estos artefactos, o en Francia Jean Froissart descubrió que se podían lograr vuelos más precisos lanzando cohetes a través de los tubos. En Italia, Joanes de Fontana, diseñó un torpedo de superficie para incendiar navíos enemigos.
Durante el siglo 16 un fabricante alemán de fuegos artificiales llamado Johann Schmidlap, inventó el cohete “escalonado”. Este está compuesto por múltiples etapas que permitió elevar a mayor altitud a los fuegos artificiales. Cuando la primera etapa (por lo general de mayor tamaño) se quemaba, quedaba otra más pequeña que se encendía en el momento justo y seguía propulsando al cohete con brillantes cenizas. La idea de Schmidlap es básica para todos los cohetes de hoy en día que entran en el espacio exterior. Si bien todos los cohetes hasta el momento son usados para guerras o entretenimiento, no pasó mucho tiempo hasta que alguien los use como transporte. Un oficial chino llamado Wan-Hu, con la ayuda de muchos asistentes, armó una silla voladora propulsada por cohetes. Acoplado a la silla había dos grandes cometas, y en la parte trasera ató cuarenta y siete cohetes de flecha.
En el día del despegue, Wan-Hu, sentado en la silla, dio una orden para que sus asistentes encendieran las mechas con antorchas que cada uno tenía. Durante un momento, se escuchó un rugido seguido de nubes de humo ondulantes, que cegaron la visión de sus asistentes y para cuando se había dispersado, Wan-Hu y su silla voladora se habían ido. No se sabe con certeza que le sucedió realmente, pero es probable que haya explotado y acabado con el sueño de Wan-Hu.
A finales del siglo 17, las propiedades científicas de la cohetería fueron propuestos por el reconocido científico inglés, Sir Isaac Newton (1642-1727), quien formuló sus 3 conocidas leyes físicas sobre el movimiento. Las leyes explican el funcionamiento de los cohetes y por qué pueden trabajar en el vacío del espacio exterior
A comienzos de siglo 19 se retornó el uso de los cohetes como arma militar. Teniendo como influencia a los cohetes bombarderos indios, el coronel británico William Congreve, diseñó sus propios cohetes para uso militar y tuvieron mucho éxito, pero las mejoras en distancia no eran muy significativas. Más tarde, el inglés William Hale, desarrolló una técnica llamada Estabilización de giro, en donde los gases de escape se dirigían hacia pequeñas paletas en la parte inferior del cohete, haciéndolo girar como si fuese una bala. Hoy en día se siguen usando los principios de este método.
El cohete siguió siendo un artefacto de guerra hasta que, en 1898, un maestro de escuela ruso, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), pensó en usar a esta máquina como forma de transporte espacial. En 1903 Tsiolkovsky sugirió a través de un informe, el uso de propulsores líquidos para cohetes con el fin de lograr un mayor alcance, estableciendo las relaciones entre la velocidad del cohete, la velocidad del gas en la salida y la masa del cohete y su propulsor. Tsiolkovsky fue un visionario perspicaz que pensó mucho sobre los usos de sus queridos cohetes para explorar y dominar el espacio, es considerado el padre de la aeronáutica moderna debido a su investigación cuidadosa y gran visión. Un cráter de la lejana luna es llamado así en su honor.
Pero no fue el único visionario espacial. A principios del siglo 20, el estadounidense Robert H. Goddard (1882-1945), realizó múltiples experimentos con cohetes diseñados por él, pero con una pequeña diferencia, estos contenían combustible líquido. En 1919 publicó un folleto llamado “Un método para alcanzar altitudes extremas” que fue un análisis matemático de lo que hoy llamamos cohete sonda meteorológica.
En 1915 experimentó con diferentes tipos de combustibles sólidos y midió la velocidad de escape de sus gases al quemarse. Mientras esto sucedía, Goddard se convenció de que el combustible líquido era más efectivo, pero nadie lo había logrado antes debido a que era mucho más difícil a causa de que se necesitaría tanques de combustible y oxígeno, turbinas y cámaras de combustión.
A pesar de las dificultades, en 1926 Goddard había construido y probado con éxito el primer cohete con combustible líquido, siendo este tan significativo en la historia como el primer vuelo de los hermanos Wright en Kitty Hawk. Cargado con oxígeno líquido y gasolina, voló por dos segundos y medio, subió 12.5 metros, a una velocidad aproximada de 96.5 km/h. Luego de esto, desarrolló un sistema de giroscopio para control de vuelo y un compartimento de carga para instrumentos científicos, además agregó paracaídas para devolver al cohete y su cargamento de vuelta a tierra en forma segura. Goddard no tuvo mucha atención por parte de su gobierno, por lo que debió pagar el material para los experimentos con propio sueldo. La Institución Smithsonian le ofreció fondos que le permitió continuar su investigación de cohetes y desarrollar las teorías matemáticas de la propulsión de cohetes. Por sus logros ha sido llamado el padre de la cohetería moderna.
En 1923 el alemán Hermann Oberth publicó un libro sobre viajes espaciales llamado “El cohete en el espacio planetario” y más tarde “Formas de vuelo espacial”, los cuales fueron de gran inspiración para diferentes pequeñas sociedades de cohetes que surgieron en todo el mundo. Entre ellas se encontraba la “Verein fur Raumschiffahrt” (Sociedad para viajes espaciales) condujo al desarrollo del cohete V-2. El V-2 fue un cohete alemán construido por esclavos bajo supervisión de ingenieros nazi con el fin de crear el primer misil de largo alcance capaz de arrasar con gran parte de una ciudad. El programa V2 fue muy costoso en términos de vidas, pero fue un gran paso para la exploración espacial. El impulso proporcionado por el cohete estaba compuesto por una mezcla de oxígeno líquido y alcohol, liberado a una velocidad de aproximadamente 143 kg/s.
Al finalizar la guerra, todos los cohetes V-2, instrucciones y componentes para su construcción fueron capturados por los Aliados. Algunos científicos alemanes que no sabían que hacer, decidieron irse a la Unión Soviética, y otros se fueron a Estados Unidos, entre ellos se incluía a Wernher von Braun, quien estaba sorprendido de los avances tecnológicos de Robbert Goddard. Estado Unidos y la Unión soviética crearon programas experimentales para usar al máximo el potencial de esta gran invención. Comenzaron a hacerse pruebas atmosféricas de gran altitud, más tarde se crearon diversos tipos de misiles balísticos intercontinentales de medio y largo alcance, que fueron el inicio del programa espacial.
El 4 de octubre de 1957, el mundo quedó asombrado de escuchar que el primer satélite artificial ya se había puesto en órbita por parte de los soviéticos, llamado Sputnik 1 y fue la provocación para comenzar una carrera por el espacio exterior. Este satélite ayudó a determinar la densidad de las capas altas atmosféricas. Más tarde el 3 de noviembre de ese mismo año, se lanzó el Sputnik 2, pero a diferencia del 1, éste llevaba consigo al primer ser vivo, una perra callejera llamada Laika, quien sobrevivió en el espacio durante siete días. Lamentablemente el suministro de oxígeno se acabó y falleció, convirtiéndose en el primer animal que murió en órbita. Unos meses después, el 31 de enero de 1958, los estadounidenses dieron su primera señal de vida en esta carrera lanzando su satélite Explorer 1, luego de fallidos intentos en Cabo Cañaveral. A través de esta sonda se pudo descubrir los cinturones de radiación de Van Allen.
Luego de muchos lanzamientos, en octubre de ese año, se creó formalmente la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Durante las siguientes décadas, muchas personas y máquinas fueron lanzadas al espacio, astronautas se encontraban orbitando el planeta o aterrizando en la Luna, naves espaciales robóticas investigaban otros planetas como Venus o Marte. El espacio se convirtió en una fuente explotable de comercio, los satélites permitieron a los científicos pronosticar el clima, comunicarse de forma instantánea en todo el mundo y tomar fotografías de nuestro planeta, descubriendo nuevas territorios y yacimientos antiguos abandonados. Esto llevó a la construcción de nuevos y más potentes cohetes para aumentar la utilidad de cargas útiles y satisfacer la demanda de más envíos espaciales.
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