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Bill Ingalls / NASA

Tecnología y Sociedad

Se busca motor de cohete capaz de superar al 'Stradivarius' de Rusia

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Durante años, el sector de los cohetes espaciales ha estado estancado y dominado por el ruso RD-180, creado en la década de 1990. Pero eso podría estar a punto de cambiar. Gracias a metodologías modernas, cuatro empresas de EE. UU. compiten por crear uno mejor

  • por Matthew Bodner | traducido por Ana Milutinovic
  • 29 Julio, 2019

Una hora antes del atardecer del 24 de mayo de 2000, un inusual cohete despegó del Complejo de lanzamiento 36 en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral (EE. UU.). Como la mayoría de cohetes, el Atlas 3 había heredado su diseño de un misil balístico intercontinental, en este caso, del primer misil estadounidense de este tipo, diseñado para amenazar a la Unión Soviética con la aniquilación nuclear. Esto no era inusual. Pero el cohete tenía una primera etapa considerablemente más potente que las anteriores. El RD-180, su motor, fue construido por NPO Energomash en una fábrica en las afueras de Moscú (Rusia). Un motor ruso impulsaba un cohete estadounidense, una unión que hubiera sido inimaginable en el apogeo de la carrera espacial.

En las dos décadas siguientes, 83 cohetes más de este tipo han despegado desde Florida (EE. UU.). El Atlas 3 y su sucesor, el Atlas 5, equipados con motores RD-180, enviaron a órbita al menos 16 satélites espía estadounidenses, 13 satélites militares de comunicación, media docena de satélites GPS, dos satélites meteorológicos militares y tres satélites de alerta de misiles, diseñados para detectar lanzamientos de cohetes realizados desde donde se construyó el motor RD-180. También impulsó cuatro misiones estadounidenses a Marte, el lanzamiento de la NASA de la misión New Horizons con destino a Plutón en 2006 y el de Juno a Júpiter en 2011.

El RD-180 es extraordinario no solo por las peculiaridades geopolíticas bajo las que operó, sino porque fue en muchos aspectos simplemente mejor que cualquier otro motor de cohete de su tiempo. Cuando en febrero de 2019, Elon Musk anunció el éxito de su prueba con el motor Raptor de SpaceX, presumió de las altas presiones alcanzadas en la cámara de empuje del Raptor: más de 265 veces la presión atmosférica al nivel del mar. Raptor había superado el récord que durante varias décadas ostentó el "impresionante RD-180 ruso", publicó Musk en Twitter.

Después de que Crimea se anexionara a Rusia en 2014, los días del RD-180 como elemento básico de la cohetería estadounidense empezaron a estar contados. Los halcones de defensa de EE. UU. llevaban tiempo incómodos con esa unión, pero el motor era muy bueno y, dada su capacidad, también resultaba barato, y por eso se mantuvo. Pero cuando las relaciones con Rusia se rompieron, los opositores del motor en el Congreso de EE. UU., encabezados por el senador John McCain, prohibieron usar el motor ruso en cohetes estadounidenses a partir de 2023. Esto ha obligado a la Fuerza Aérea de EE. UU. a buscar un nuevo cohete.

Todo eso plantea una pregunta: ¿cómo un motor ruso diseñado hace décadas se convirtió en la medida estándar contra la que se comparaban los mejores científicos de cohetes de Estados Unidos? Para comprender por qué el RD-180 es un motor tan bueno, hay que saber que la clave fue una cuestión de destreza. Aunque centenares de personas participan en la elaboración de motores de cohetes, es vital tener al mando a alguien con un buen instinto para el diseño: los equilibrios son demasiado complejos para resolverse por fuerza bruta. En el caso del RD-180, la persona al mando se llamaba Valentin Glushko.

Después de que la URSS perdiera la carrera espacial hacia la Luna contra Estados Unidos, diseñar el mejor motor de cohete se convirtió en una "prioridad nacional", recuerda el ingeniero aeroespacial e historiador ruso del espacio Vadim Lukashevich. Los líderes soviéticos querían construir el cohete más potente del mundo para sostener sus estaciones espaciales en la órbita y lanzar al Buran, el que iba a ser el transbordador espacial ruso. Glushko recibió recursos para construir el mejor motor posible, algo que a él se le daba muy bien. El resultado fue el RD-170, el hermano mayor del RD-180.

El motor ruso RD-180 ha impulsado decenas de lanzamientos Atlas V, algunos satélites que llevan espías diseñados, entre otros países, en el que se construyó.

Foto: El motor ruso RD-180 ha impulsado decenas de lanzamientos de Atlas V, y en algunos llevaba satélites diseñados para espiar, entre otros países, al mismo país donde fue construido. Créditos: Craig F. Walker

El RD-170 fue uno de los primeros motores de cohete que utilizó la técnica llamada combustión escalonada o por etapas. Otro que la usó fue el motor principal del transbordador espacial estadounidense, también desarrollado en la década de 1970. En cambio, los motores F-1 de la primera etapa de los cohetes Saturn V, que impulsaron el programa Apolo hasta la Luna, tenían un diseño más antiguo y más simple con un motor de ciclo con generador de gas. La diferencia clave: los motores de combustión por etapas suelen ser más eficientes, pero tienen mayor riesgo de explosión. El especialista en motores de cohetes de combustible líquido de la Universidad de Purdue (EE. UU.) William Anderson explica: "Los niveles de liberación de energía son extremos". Solo alguien con una imaginación realmente astuta, según Anderson, sería capaz de comprender todo lo que ocurre dentro de las cámaras de combustión de los motores de cohetes. En Rusia, esa persona era Glushko.

"Se invirtió tanto en el transbordador que nadie en la NASA quiso hablar sobre el desarrollo de un motor de combustión por etapas rico en oxígeno. El oxígeno quemaría casi todo si apareciera una chispa".

Para entender por qué los motores de Glushko fueron un éxito de ingeniería, debemos ponernos un poco técnicos.

Hay dos formas clave para medir el rendimiento de un cohete: a partir del empuje (o la cantidad de fuerza que ejerce un cohete), o del impulso específico (una medida de la eficiencia en el uso de su combustible). Un cohete con un empuje alto pero un impulso específico bajo no alcanzará la órbita; tendría que transportar tanto combustible que su peso necesitaría más combustible, y así sucesivamente. A la inversa, un cohete con alto impulso específico pero bajo empuje nunca se levantaría del suelo. (Sin embargo, ese tipo de cohetes funcionan bien en el espacio, donde un impulso constante es suficiente).

Un motor de cohete quema combustible junto con un oxidante, que suele ser el oxígeno, para generar gas caliente que se expande hacia abajo y hacia afuera por la boquilla del motor, acelerando el motor hacia la otra dirección. A diferencia de los motores a reacción, que obtienen oxígeno del aire que los rodea, los cohetes necesitan transportar su propio oxígeno (u otro oxidante), ya que en el espacio, por supuesto, no lo hay. Al igual que los reactores, los cohetes necesitan una forma de forzar el combustible y el oxígeno hasta la cámara de combustión con alta presión; todo lo demás es igual, una mayor presión implica un mejor rendimiento. Para hacer eso, los cohetes utilizan turbobombas con cientos de revoluciones por segundo. Las turbobombas se impulsan por turbinas que, a su vez, se activan mediante pre-quemadores, que también queman una parte de combustible y oxígeno.

La diferencia crucial entre los motores de combustión por etapas como el RD-180 y los motores con generadores de gas como el F-1 de Saturn radica en lo que sucede con los gases que salen de esos pre-quemadores. Mientras que los motores con generadores de gas lo tiran por la borda, los motores de combustión por etapas lo reinyectan en la cámara de combustión principal. Una de las razones es que esos gases contienen combustible y oxígeno no utilizados: los pre-quemadores no pueden quemarlo todo. Desecharlos es un desperdicio, algo crucial en un cohete que debe llevar el combustible y el oxígeno que va a consumir. Pero reinyectarlos requiere un delicado equilibrio entre las presiones y los niveles de flujo para que los motores no exploten. También necesita toda una serie de turbobombas. Los expertos suelen necesitar una década de simulaciones y pruebas o más para descubrir cómo hacerlo para que funcione bien.

El RD-170 y el RD-180 tienen otra ventaja. Son ricos en oxígeno, lo que significa exactamente como suena: inyectan oxígeno adicional en el sistema. (Por el contrario, el motor principal de un transbordador espacial es un motor rico en combustible). Los motores ricos en oxígeno tienden a quemar de forma más limpia y se encienden más fácilmente. También permiten que la presión en la cámara de combustión sea mayor y, por lo tanto, su rendimiento sea mayor. Pero esto les hace más propensos a explotar, por lo que durante décadas EE. UU. no lanzó ninguna iniciativa importante para hacerlos funcionar.

Anderson recuerda: "Se invirtió tanto en el transbordador que nadie en la NASA quiso hablar sobre el desarrollo de un motor de combustión por etapas rico en oxígeno. El oxígeno lo quemaría casi todo si aparecía una chispa". Esto obliga a tener mucho cuidado con los materiales utilizados para construir el motor, e incluso más para asegurarse de que no hay materiales extraños, como manchas de escombros metálicos, que nunca deberían estar ahí. El historiador añade: "Cuanto más aprendemos sobre la física de lo que sucede dentro de una cámara de combustión, más nos damos cuenta de lo inestable que es realmente".

Si el RD-170 era el mejor motor de cohete de su generación, se podría decir que el motor principal del transbordador espacial era el segundo mejor (y mucho más caro de fabricar). Pero ninguno estuvo a la altura de su potencial. El motor del transbordador espacial tenía problemas con la carga de los vehículos, mucho más engorrosos de lo que sus diseñadores esperaban. Por su parte, el RD-170 solo voló dos veces: una vez en 1987 y otra en 1988. Aunque su desarrollo había sido una prioridad nacional, la Unión Soviética estaba a punto de desintegrarse cuando Glushko demostró que funcionaba.

Luego llevó la década de 1990, que fue muy turbulenta en Rusia, especialmente para el programa espacial. Para sobrevivir sin fondos del Gobierno, las empresas aeroespaciales, que habían sido privatizadas hacía poco, recurrieron al mercado comercial.

Fue entonces cuando el ingeniero que había estado trabajando para Lockheed en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston (EE. UU.) Jim Sackett se mudó a Moscú (Rusia). Lockheed se interesó por la combustión por etapas rica en oxígeno para impulsar la próxima generación de cohetes Atlas, con los que planeaba competir por los contratos de la Fuerza Aérea de EE. UU. y la NASA.

Como responsable de la oficina de Lockheed en Moscú, Sackett fue elegido para acercarse a Energomash, una empresa de la industria espacial post-soviética que llegó a poseer el RD-170 y otras tecnologías de motores. Energomash recibió con entusiasmo el interés de Lockheed. Pero el RD-170 era demasiado potente: los cohetes Atlas que Lockheed quería enviar al espacio eran considerablemente más pequeños que aquellos para los que se diseñó el RD-170. Así que Energomash redujo el motor a la cerca de la mitad: la empresa elaboró una propuesta para una versión de dos cámaras del RD-170 (que tenía cuatro) que podía usarse en Atlas. Así fue como nació el RD-180.

Esa colaboración requería una extraordinaria integración entre los contratistas industriales y militares estadounidenses y rusos. Lockheed estableció una oficina en Energomash, en un suburbio de Moscú. Sackett recuerda que fue una gran operación: "Allí tenían una fábrica de metalurgia, así que forjaban sus propios metales. También tenían propios talleres de máquinas, sus propias instalaciones de prueba. Muchísimas cosas, todas bajo el mismo techo. Y, finalmente, todo se convertía en un motor de cohete".

Fue necesario aproximadamente un año de reuniones técnicas diarias entre el equipo de Sackett y los ejecutivos e ingenieros de Energomash para ver si las compras de motores RD-180 propuestas funcionarían o no. Lockheed quería un pequeño acuerdo sin compromiso. Energomash insistía en un acuerdo a largo plazo. El contrato se firmó en 1996 después de una larguísima reunión de seis horas, recuerda Sackett. El resultado: un acuerdo de casi 1.000 millones de euros por 101 motores RD-180.

Las Fuerzas Aéreas de EE. UU., el principal cliente de Lockheed, exigieron el acceso a 10 tecnologías clave necesarias para producir el RD-180, en caso de que las relaciones con Rusia fracasaran y Estados Unidos tuviera que fabricarlos por sí mismo. Era una gran petición. Estados Unidos buscaba la joya de la corona de la tecnología espacial soviética, algo que al Gobierno ruso no le hacía ninguna gracia. "Pero no tenían otra alternativa, porque el país no solo había cambiado, también había quebrado. Estaba en bancarrota. Así es como salvaron a la empresa", asegura Sackett.

Aunque se ha prestado más atención a la cooperación ruso-estadounidense en la Estación Espacial Internacional, en muchos aspectos, la colaboración sobre el RD-180 fue más profunda. Al fin y al cabo, la estación espacial no resulta crucial para la seguridad nacional de ninguno de los dos países, mientras que los satélites de reconocimiento y comunicación sí lo son.

Ahora que las relaciones entre los dos países han vuelto a cambiar, Estados Unidos podría fabricar el RD-180 a nivel nacional, argumenta Sackett. Los críticos destacan que sería demasiado caro. Pero Sackett no cree que el coste deba resultar "astronómico". El historiador detalla: "¡Aquí tenemos personas inteligentes y también la receta! Esta es exactamente la razón por la que identificamos y negociamos esas 10 tecnologías clave de fabricación, para poder tomar los diseños y las instrucciones y luego construirlos".

Pero es poco probable que eso suceda, en parte porque después de décadas de estancamiento, las compañías estadounidenses finalmente están trabajando en motores que podrían superar al RD-180.

El rendimiento del motor influye muchísimo en el diseño del cohete al que empuja.Por ello, cuando el Congreso de EE. UU. ordenó que el RD-180 dejara de usarse, se inició una carrera no solo para producir un nuevo motor, sino también un nuevo cohete. Esto era algo inevitable ya que, al fin y al cabo, los modelos no duran para siempre. Pero como el diseño de nuevos motores y cohetes resulta caro en términos de costes y tiempo, el momento de hacer el cambio siempre resulta polémico al nivel político. La prohibición del uso del RD-180 ordenada por el Congreso forzó la situación.

Hay cuatro candidatos serios para construir ese nuevo cohete: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (una empresa conjunta de Boeing-Lockheed Martin conocida por sus iniciales, ULA) y Northrop Grumman. De ellos, dos serán elegidos, por la teoría de que tener dos ganadores crea una competición continua, mientras que nombrar uno generaría un monopolio que podría salir mal y perjudicar a las Fuerzas Aéreas. Hay miles de puestos de trabajo en juego: si ULA pierde, podría cerrar su negocio.

La primera prueba de origen azul.

Foto: La primera prueba del motor BE-4 de Blue Origin, en octubre de 2017. A principios de 2019, Blue Origin empezó la construcción en una fábrica de Alabama (EE.UU.) donde planea fabricar cientos de motores.

El cohete New Glenn, el candidato de Blue Origin, utiliza un motor BE-4, que es el más nuevo y potente de la empresa. (Al igual que el cohete de ULA, las dos empresas son rivales y socias al mismo tiempo). Tanto los diseños del BE-4 como los del Raptor de SpaceX se basan en el RD-180. El BE-4 es un motor de combustión por etapas rico en oxígeno, como el RD-170 y el RD-180. Por su parte, el Raptor se parece al RD-180 porque reintroduce los gases de escape de los prequemadores en la cámara de combustión, lo que garantiza que casi todo el combustible y el oxidante almacenados en los depósitos del cohete se usan para generar empuje. Sin embargo, el Raptor se basa en un cambio sobre el enfoque de Glushko: tanto los flujos ricos en combustible como los ricos en oxidantes impulsan sus turbobombas, lo que en teoría maximiza la eficiencia.

La primera prueba de disparo de SpaceX.

Foto: La primera prueba de encendido del motor Raptor de SpaceX, en 2016. A principios de este año, Elon Musk presumió en Twitter cuando el Raptor superó por primera vez la presión en cámara del RD-180.

En cierto modo, el BE-4 y el Raptor son una especie de intento de construir un violín mejor que el de Stradivarius gracias a los métodos modernos. Blue Origin y SpaceX tienen acceso a mejores diagnósticos y a técnicas de simulación más sofisticadas que las que tenía Glushko. También cuentan con otra característica de diseño importante para las Fuerzas Aéreas de EE. UU.: se fabrican en Estados Unidos.

Posiblemente la mayor ventaja técnica de estos nuevos motores sobre el RD-180 es que utilizan metano en lugar de queroseno. El queroseno puede afectar el funcionamiento del motor después de varios repetidos. El metano tiene el impulso específico más alto y se quema de forma más limpia. También sería mucho más fácil sintetizarlo en Marte (en principio), que es lo que Musk pretende hacer.

Ninguno de estos nuevos motores ha alcanzado la órbita todavía. SpaceX planea empezar sus vuelos de prueba para el cohete Starhopper) que finalmente será impulsado por tres Raptors) este verano. Estos vuelos serán cortos, y se limitarán a unos pocos miles de kilómetros en el aire sobre el lugar de prueba de SpaceX en Texas (EE. UU.). Blue Origin también está probando el BE-4 en Texas y ha comenzado a construir una fábrica en el país para producir estos motores. También ha alquilado el Complejo de lanzamiento 36 a las Fuerzas Aéreas, desde donde el RD-180 despegó por primera vez, y planea lanzar el New Glenn desde allí en 2021.

Mientras tanto, Energomash espera desesperadamente que el programa espacial ruso vuelva a utilizar sus motores. Alrededor del 90 % de su producción se ha ido a Estados Unidos en los últimos años, según el analista de la industria espacial rusa Pavel Luzin. Al igual que sus rivales estadounidenses, Energomash ahora corre el riesgo de volverse obsoleto ya que Musk y Bezos, sin restricciones en el diseño heredado y  sin problemas para gastar dinero y asumir riesgos, finalmente han sacado el diseño de motores de cohetes de esas décadas de estancamiento.

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