Blog CEIM

null

Autor: José Daniel Carrillo Patiño

Desde que inició la época de la exploración espacial, se han desarrollado centenares de artefactos que nos permiten desafiar los límites de nuestro mundo, salir de nuestra zona de confort y adentrarnos a investigar sobre los misterios del universo en el que vivimos. Años antes del desarrollo de la astronáutica, teóricos como Konstantin Tsiolkovsky nos mostraron la inmensa ciencia que nos podía liberar de las cadenas de la tierra, y los más experimentalistas, como Robert H. Goodard, nos dieron los primeros “disparos al aire”, que nos llenaron de grandes aspiraciones. Empezando la época de los viajes espaciales, con un ritmo más lento que inmediato, se inició la Carrera Espacial, la cual llevó al tope inimaginado las capacidades de inventiva del hombre, haciéndolo llegar literalmente hasta la Luna en una intensa disputa por la situación que se vivía en el mundo en ese momento.

Sin embargo, al finalizar las épocas de tensión, los esfuerzos por seguir con el sueño espacial se fueron diluyendo debido a la poca atención prestada, recortes de presupuesto, intereses públicos que no querían invertir en pelotas de golf en la Luna, entre muchas otras razones. Muchas personas que vivieron las grandes emociones de la Carrera Espacial, como el primer satélite, el primer hombre, la primera mujer, hasta el gran momento de pisar la Luna, se sintieron muy decepcionados al perder poco a poco el apoyo para ambiciosos planes de investigación, alcanzar nuevos horizontes, trascender, como le quisieran decir.

Y en especial, las agencias espaciales tuvieron una tremenda caída de calidad, pasando del monstruoso logro de ingeniería del Saturno V, a poner objetos en órbitas apenas altas de la Tierra. Claro, no se demerita el trabajo de los transbordadores espaciales, pero fueron un paso atrás en expectativas.

Con este negro panorama, una empresa privada, pequeña pero con enormes aspiraciones tomó el liderato de reinventar y lograr los objetivos espaciales de la humanidad, desarrollando casi de la nada tecnología a la par del Saturno V, que acumula polvo en el museo de la NASA, mientras ve, que finalmente llegaron sus dignos sucesores. Queridos Werner von Braun y Jhon F. Kennedy, les presento a SpaceX y sus grandes logros los cohetes Falcon.

Space Exploration Technologies Corp., abreviada como SpaceX. Sus creadores y principales impulsores fueron el visionario empresario Elon Musk, y el genio ingeniero mecánico Tom Mueller. Ambos, jóvenes aparentemente extraños, con una inmensa imaginación, genialidad y gusto por la ciencia y en especial por la aplicación de esta, la ingeniería; interesados particularmente en retomar la exploración espacial, e introducir a las empresas privadas en esta industria, permitiendo abaratar los costos y dar un mayor progreso y competitividad en el mercado.

Historia de SpaceX

Inicios

El 6 de mayo de 2002, se fundó SpaceX, en un antiguo almacén de El Segundo, a las afueras de Los Ángeles. De inmediato se fijó un primer objetivo para un cohete pequeño, que pudiera poner algunas cargas útiles en órbita, este fue el Falcon 1, el primer Falcon, nombrado así por la icónica nave espacial de Star Wars, el “Millenium Falcon” (“Halcón Milenario”). Con la meta de reducir los costos, la empresa analizó que en ese momento, poner en el espacio un satélite de unos 250 kg, costaría unos 30 millones de dólares. Sin embargo, pretendían enviar el doble de carga por casi 7 millones, una cuarta parte del precio. Inconcebible sería poco para describir esta intención, era una jugada supremamente arriesgada.

Situando un emplazamiento para los cohetes en la isla Kwajalein, en las Islas Marshall, se empezó a trabajar con rapidez, un lanzamiento fue pensado para 2004, y tuvo 3 lanzamientos previos que fallaron o cuyo éxito fue muy limitado. Aunque se perdió bastante dinero entre estos años, desde 2004 a 2008, los errores presentados en el cohete permitieron a la empresa mejorarlo, hasta que el 28 de septiembre de 2008 se logró poner en órbita el Falcon 1, que llevaba carga satelital a bordo. A este éxito, se le sumó la puesta en órbita del satélite RazakSAT en julio de 2009. Así, SpaceX se convertía en la primera empresa privada que llegaba al espacio.

Época de gloria

Al entrar en la nueva década, se sacó de circulación al Falcon 1, dando paso al Falcon 9, encargado de continuar con el sueño de conquistar el espacio y seguir siendo pioneros. Con este, SpaceX se convirtió en: 1° empresa privada en enviar material a la Estación Espacial Internacional, 1° empresa privada en desarrollar e implementar efectivamente cohetes recuperables y reutilizables, 1° empresa privada en poner un objeto en órbita al Sol. Un objeto poderoso sin duda es el Falcon 9, que fue evolucionando para darle mayor potencia y mejorar su capacidad de recuperación y reutilización, llevando a órbita docenas de satélites y experimentos. Y aunque poderoso y cumplidor de objetivos, durante los 2010 ’s se trazó una meta mayor, desarrollar la tecnología para el viaje y colonización de Marte. Así que a la par del uso del Falcon 9, se empezó a desarrollar otro cohete basándose en 3 fases del Falcon 9, el Falcon Heavy. Mucho más potente y con mayor carga, se ha empezado a probar con vuelos a la Estación Espacial Internacional para, como se ha hecho con estos cohetes, adecuarla para la difícil, pero hoy más que nunca posible, conquista del espacio.

Ingeniería en los Falcon

Pero bueno, hemos hablado de mucha historia. ¿Y la ingeniería dónde? Pues aquí está, los procesos, materiales y mediciones de los 3 cohetes de SpaceX.

Falcon 1: Cumplidor pasado

En el caso del Falcon 1, ya conocemos cuál era su principal función, era un cohete más o menos sencillo buscando llegar a órbita baja. Un cohete que constaba de 2 etapas, que son las partes que subdividen el cohete a medida que pasa el vuelo, y que se van desprendiendo al cumplir su altitud necesaria o combustible.

Se usan 2 combustibles líquidos, ya usados desde los 60 con los primeros cohetes, que son: LOX (oxígeno líquido), y el RP-1, un derivado del petróleo similar al queroseno. Al usar el LOX como oxidante, la mezcla arde a casi 3670 K, lo que produce la suficiente energía para la propulsión.

La primera etapa está hecha de una aleación de aluminio de grado espacial en una patente pendiente, un monocasco graduado y mamparo común, con diseño arquitectónico desarrollado por SpaceX. El diseño es una mezcla de un diseño estabilizado totalmente a la presión, como el cohete Atlas, o un diseño de iso-rejilla más pesada, como el Delta II. Como resultado, se pudo capturar la eficiencia masiva de la estabilización de presión y evitamos las dificultades de manejo en tierra de una estructura incapaz de soportar su propio peso. La etapa es impulsada por 1 motor Merlin 1C, también desarrollado por SpaceX, que le da a la primera etapa sus potentes 340 a 400 kN de empuje en el vacío.

La separación de la etapa se produce mediante pernos de separación iniciados duales y un sistema de empuje neumático. Todos los componentes son de calificación espacial y han volado antes en otros vehículos de lanzamiento. La primera etapa regresa en paracaídas a un aterrizaje acuático, donde es recogido por barco en un procedimiento similar al de los propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial. El sistema de recuperación de paracaídas fue construido por Airborne Systems Corporation, que también construyó el sistema de recuperación de refuerzo del transbordador.

La segunda etapa está hecha de aleación de aluminio-litio, que posee la relación resistencia / peso más alta de cualquier aluminio y que utilizaba además el tanque externo del transbordador espacial. Los tanques están mecanizados con precisión a partir de una placa gruesa con bridas y puertos integrales, lo que minimiza el número de soldaduras necesarias. Las principales soldaduras circunferenciales las realiza una máquina de soldadura automática, lo que reduce el potencial de error y garantiza una calidad constante. Esta etapa la impulsaba el ahora fuera de producción motor Kestrel, que logró imprimirle unos 31 kN de empuje en el vacío para poner las cargas útiles en órbita terrestre baja.

DIMENSIONES	ETAPA 1	ETAPA 2
Altura	21.3 m (ambas etapas con carenado y el entre etapas)
Diámetro	167.64 m	Etapa 167.64 m; Carenado 152.4 m
Peso neto	27669.135 kg	35178.356 kg
Carga útil	670 kg

Falcon 9: Brillante presente

El cohete insignia de la compañía, es el que ha puesto hitos y es pionero de varios procedimientos aeroespaciales, como la recuperación completa del cohete. Siguiendo la línea del cohete de 2 etapas, está en circulación desde el 2010 y desde entonces cumple las expectativas.

En el caso de su primera etapa, toda la potencia está a la orden, con 9 motores Merlin 1D, mejoras del Merlin 1C, que con unos 556 kN de empuje por cada motor, proporcionan casi 5 MN (5000 kN) de potencia a esta etapa, hecha de la ya mencionada aleación de aluminio-litio, principal componente de la estructura de todo el cohete.

La interetapa es una estructura compuesta de fibra de carbono y aluminio que conecta la primera y la segunda etapa, y alberga los empujadores neumáticos que permiten que la primera y la segunda etapa se separen durante el vuelo. Está equipada con cuatro aletas de rejilla hipersónicas colocadas en la base de la interetapa. Orientan el cohete durante la reentrada moviendo el centro de presión.

Para simplificar el diseño y reducir costos, la segunda etapa tiene casi el mismo diseño de la primera, aunque adaptado. Resaltando la aparición del nuevo Merlin Vacuum, reemplazo del Kestrel, que le da la potencia de 981 kN a la etapa para poner las cargas útiles en órbita baja y / o geoestacionaria.

Justamente pasamos al recién desarrollado carenado de carga útil, de 5.2 m de diámetro y altura de 13.1 m, construido para recuperación y multiuso también, que protege las cargas útiles hasta ser puestas en órbita. Como variante de esta, tenemos a la recién estrenada cápsula Dragon, de 3.7 m de diámetro y altura de 8.1 m, hecha para hasta 7 tripulantes humanos y capaz de superar la órbita terrestre.

DIMENSIONES
Altura	70 m (ambas etapas y la carga útil)
Diámetro	3.7 m
Peso neto	549054 kg
Carga útil	22800 kg (OBT), 8300 kg (OTRG), 4020 kg (Marte). aún en desarrollo

Falcon Heavy: Prometedor futuro

Y teniendo los objetivos terrestres listos, había que lanzarse a más allá, y vaya que va en serio, pues el Falcon Heavy es actualmente el cohete en servicio más poderoso.

El Falcon Heavy es una variante del Falcon 9 y consiste en un núcleo del Falcon 9 reforzado, con otros dos núcleos como cohetes aceleradores adicionales, teniendo un total de 27 motores Merlin 1D en sólo su primera etapa. Gracias a eso tiene casi 4 veces más potencia que su antecesor, con un empuje de unos 22.8 MN (22819 kN). Incluir que esta etapa está equipada con 12 patas de aterrizaje (4 en cada núcleo impulsor) hechas de fibra de carbono de última generación con panel de aluminio.

Cuenta además con la misma interetapa y segunda etapa del Falcon 9, por lo que podríamos considerarlo una réplica en cierto sentido. Lo cierto es que obvio es más potente y logra llevar más carga útil. Siendo que apenas está teniendo sus primeros vuelos serios, su gran capacidad da muchas esperanzas de poder llegar a ser uno de los cohetes que nos lleven al espacio planetario, así que estamos a la expectativa.

DIMENSIONES
Altura	70 m (ambas etapas y la carga útil)
Diámetro	12.2 m
Peso neto	1420788 kg
Carga útil	63800 kg (OBT)1, 26700 kg (OTG)3, 16800 kg (Marte)*.

*aún en desarrollo

En conclusión, esta familia de “Halcones” creada por los grandes ingenieros de SpaceX ha estado batiendo récords, rompiendo estigmas y mejorando nuestra capacidad creativa. Esto es un recordatorio para nosotros, los ingenieros, y para ti, estudies la carrera que estudies, de que las cosas se dan con trabajo, con esfuerzo, dedicación, disciplina, etc., valores que nos pueden ayudar de todas las maneras posibles en la vida, y aquí he ilustrado cómo, al menos en una manera: una pequeña compañía soñadora, en la que al principio nadie creía, y que con este arduo trabajo, ha dado enormes frutos, llegando literalmente, DESDE 0 HASTA MARTE.

Notas: 1 Órbita baja terrestre. 2 Órbita de transferencia geoestacionaria.

Referencias

[1] https://www.youtube.com/watch?v=tyLUBtJmDyc

[2] https://web.archive.org/web/20110103230037/http://www.spacex.com/falcon1.php

[3] https://web.archive.org/web/20110104010857/http://www.spacex.com/Falcon1UsersGuide.pdf

[4] https://web.archive.org/web/20110103233204/http://www.spacex.com/falcon9.php

[5]https://web.archive.org/web/20110104031900/http://www.spacex.com/Falcon9UsersGuide_2009.pdf

[6] https://www.spacex.com/vehicles/falcon-9/

[7] https://es.wikipedia.org/wiki/Falcon_9

[8] https://es.wikipedia.org/wiki/Falcon_1

[9] https://es.wikipedia.org/wiki/Falcon_Heavy

[10] https://www.spacex.com/media/Falcon_Users_Guide_082020.pdf