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¿Qué pinta tiene un motor cohete de 9 gramos?

La razón que motiva el título de esta entrada es la reducción de la carga de pago para que el acceso al espacio sea barato, fácil y repetible de manera que ir al espacio sea una cosa que se haga cada semana y por empresas, no solo por agencias espaciales. En esta línea venimos presentando el aspecto que deben tener satélites que pesen menos de 100 gramos o cohetes que pongan estos pequeños satélites en órbita y que pesen menos de 10 kilogramos.

¿Cómo logramos que un motor pueda ser tan ligero y tan pequeño sin recurrir a la nanotecnología? Nuestra propuesta es usar uno de los motores más sencillos que existen y que se llevan usando desde hace más de 50 años: la tobera convergente-divergente.

Antecedentes

Los combustibles para motores de cohete fueron desarrollados en los años 50. A partir de aquí los avances tecnológicos fueron logrados, ya no en el campo de la química, sino de la termodinámica. Gracias al desarrollo de turbinas y compresores muy eficientes que junto a las modernas cámaras de combustión anulares, permitieron hacer motores con gran capacidad de empuje para una masa pequeña comparado con la carga que levantaban. En un futuro necesitaremos motores que usen otro tipo de reacción que no sea química, pero de momento, no parece que en los siguientes 15 años vaya a cambiar nada de esto.

La tobera convergente-divergente

Segun el teorema de Bernoulli, en termodinámica sabemos que si por un conducto fluye un fluido, cuanto más se estreche el conducto, más se tiene que acelerar el fluido para mantener así el caudal. En nuestro caso, al ser un gas, si se acelera mucho, éste llega a la velocidad del sonido y se produce un curioso fenómeno que, tras la onda de choque se invierte el comportamiento del fluido; es decir, si aumentamos la sección, el gas se acelera aún más. Lo curioso de todo esto, no es tanto que alcanzamos varias veces la velocidad del sonido sin necesidad de ninguna hélice o compresor, sino que es una estructura muy estable.

Tobera4L

Motor L4

Luego, por el principio de acción-reacción según la tercera ley de Newton, junto con un buen diseño de tobera fabricada en nuestro caso por Mecanitzats PARES, se produce el empuje necesario. En la figura anterior podemos ver el motor L4 que lleva la primera etapa del WikiLauncher, el cohete que pondrá en órbita el pequeño satélite WikiSat.

En la siguiente figura se puede observar el detalle de la cámara de combustión que a la vez hace de depósito de combustible.

Tobera4L_Spray

Cámara de combustión L4

El motor L4 aún es un prototipo desarrollado en España por la UPC y necesita pulir muchos aspectos pero de momento ha sido probado tal y como muestra la imagen de la foto anterior en una cantera, no en vuelo.

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