Motor de cohete: definición, tipos y funcionamiento

Descubre qué es un motor de cohete: definición, tipos (líquido, sólido, híbrido) y su funcionamiento, desde combustibles y boquillas hasta el enorme empuje y retos técnicos.

Un motor cohete es un dispositivo que genera una fuerza (empuje) al expulsar gases a gran velocidad por una boquilla. Su principio operativo se basa en la conservación del momento y en la tercera ley de Newton: a cada acción (gases expulsados hacia atrás) corresponde una reacción (empuje hacia adelante). Los motores de cohete convierten energía química almacenada en el combustible y el oxidante —por ejemplo, el petróleo refinado (RP‑1) o combustibles criogénicos como oxígeno líquido— en energía térmica y luego en movimiento. Para conseguirlo se trabajan presiones y temperaturas muy elevadas (la temperatura de la llama puede alcanzar varios miles de grados Celsius), y por eso los motores están construidos con materiales y técnicas especializadas. En vehículos espaciales de gran potencia (como algunos de cohetes de la NASA) el empuje combinado puede superar el millón de libras de fuerza (más de 4.000.000 N).

Una manguera de jardín ilustra de forma sencilla el efecto: cuando el agua sale con velocidad la reacción sobre la manguera genera fuerzas que hacen que ésta se mueva. En un cohete, los gases expulsados cumplen la misma función, pero a velocidades y masas mucho mayores, por lo que el empuje resultante permite vencer la gravedad y acelerar la nave.

Líquidos, sólidos e híbridos

Existen tres familias principales de motores de cohete según el estado y la disposición de sus propulsores: de combustible líquido, de combustible sólido e híbridos.

Los motores de combustible líquido almacenan por separado el combustible y el oxidante en tanques y los alimentan al motor mediante bombas y válvulas, o por sistemas de presurización (sistemas "pressure‑fed"). Para alimentar las bombas a gran velocidad se usan turbobombas que trabajan a elevadas revoluciones y presiones. El diseño debe resolver retos térmicos y mecánicos extremos: por ejemplo, el oxígeno líquido es criogénico (≈ −183 °C) mientras que la cámara de combustión alcanza miles de grados, y las presiones en la cámara pueden ser decenas o incluso cientos de veces la presión ambiente. Por eso se emplean técnicas como la refrigeración regenerativa (hacer pasar el combustible por conductos alrededor de la cámara y la tobera) y materiales resistentes (metales, cerámica, aleaciones avanzadas) para evitar la fusión o la erosión.

Los motores de combustible sólido contienen el propulsor como una mezcla compacta: un oxidante en polvo (habitualmente perclorato de amonio), un combustible en polvo (a menudo aluminio metálico) y un aglutinante que mantiene la forma del grano y que también puede actuar como combustible. Al conjunto se le llama propulsor. Este diseño es más simple y robusto (no requiere bombas complejas), lo que los hace más económicos y muy adecuados para aplicaciones militares y etapas de impulso inicial. Sus limitaciones son que, normalmente, no pueden apagarse ni regularse con facilidad una vez encendidos, la geometría del grano fija el perfil de empuje y, en caso de fallo, pueden producir rupturas o deflagraciones que dañan la estructura; además, suelen ofrecer un menor impulso específico (menos eficiencia) que algunos sistemas líquidos, por lo que, para una misma carga, requieren mayor masa de propulsor.

Los motores híbridos combinan combustibles en diferentes estados de la materia —por ejemplo, un combustible sólido en el interior del tubo y un oxidante almacenado como fluido—. Presentan ventajas potenciales como una mayor seguridad en almacenamiento y la posibilidad de control variable (moderación del flujo de oxidante), pero su desarrollo es complejo por problemas como la inhomogeneidad de la tasa de regresión del combustible sólido y la erosión del puerto de combustión. Por ello han tenido empleo limitado en comparación con los otros dos tipos.

Componentes y ciclos de funcionamiento

Un motor de cohete de combustible líquido contiene, de forma general:

• tanques de combustible y oxidante;
• sistemas de alimentación: bombas (o presurización) y válvulas;
• turbobombas y turbinas (si las hay);
• inyectores que mezclan los propulsores dentro de la cámara de combustión;
• la cámara de combustión, donde se libera la energía química en forma de gases calientes;
• la tobera o boquilla, que acelera los gases para producir empuje.

Existen distintos ciclos termodinámicos para accionar las bombas y optimizar la eficiencia del motor:

• Ciclo generador de gas (gas‑generator): una parte del propulsor se quema en un generador para accionar la turbina y se expulsa por la tobera sin entrar a la cámara principal. Es simple y robusto, pero desperdicia algo de energía.
• Ciclo de combustión por etapas (staged combustion): los gases generados por la turbina se reinyectan a la cámara principal, aprovechando toda la energía. Ofrece alto rendimiento y presiones de cámara elevadas, pero es más complejo y exigente en materiales.
• Ciclo expander: el combustible (habitualmente hidrógeno líquido) se calienta en los conductos de refrigeración, se expande y acciona la turbina. Es limpio y eficiente para motores de menor potencia.
• Presurización directa (pressure‑fed), ciclos de purga o variantes (como expander‑bleed), cada uno con ventajas según la aplicación y tamaño del motor.

El diseño de la boquilla (su relación de expansión) y la presión de la cámara determinan la velocidad de los gases de escape y, por tanto, el impulso específico (Isp), una medida de eficiencia del motor (equivalente en la práctica a cuánta aceleración produce por unidad de propulsor consumido).

Rendimiento, seguridad y aplicaciones

Parámetros claves en cualquier motor de cohete son el empuje (en N o kN), el impulso específico (Isp), la presión en la cámara y la relación de expansión de la boquilla. Un mayor Isp indica mejor rendimiento propulsivo por unidad de masa de propulsor; los pares combustible/oxidante como hidrógeno/oxígeno suelen ofrecer los Isp más altos, mientras que combinaciones como keroseno/oxígeno tienen Isp menores pero mayor densidad energética (más masa de energía por volumen), lo que puede simplificar el diseño del vehículo.

En cuanto a aplicaciones: los misiles militares suelen emplear cohetes sólidos por su simplicidad y larga vida de almacenamiento. Muchos lanzadores de satélites utilizan motores sólidos para los impulsores de despegue y motores líquidos para las etapas superiores y maniobras de precisión. La industria espacial y las agencias como la NASA emplean combinaciones de motores según la misión.

La seguridad y la fiabilidad son aspectos críticos: los motores deben diseñarse para evitar fallos catastróficos, controlar la ignición, gestionar la refrigeración y sobrevivir a vibraciones y cargas mecánicas. El uso de materiales avanzados (metales, recubrimientos cerámicos, cerámica) y sistemas redundantes reduce riesgos, así como pruebas extensivas en banco antes del vuelo.

Finalmente, la elección entre sólido, líquido o híbrido depende de criterios como coste, complejidad, control (capacidad de apagar/regular), densidad del propulsor, seguridad de almacenamiento y el rendimiento requerido (Isp, empuje por masa y por volumen).

En la siguiente tabla se muestran especificaciones representativas de varios motores de combustible líquido (características reales de algunos modelos) para comparar empuje, ciclos, Isp, presiones y dimensiones.

Búsqueda por letra