¿Cómo funciona un cohete y cuál es su evolución histórica?

En este artículo exploraremos la naturaleza física y mecánica de los cohetes, su funcionamiento basado en la tercera ley de movimiento de Newton, los distintos tipos de propulsión empleados y los hitos históricos fundamentales que permitieron su desarrollo desde la antigüedad hasta la exploración espacial contemporánea.

¿Qué es exactamente un cohete y cómo obtiene su empuje?

Un cohete es un vehículo que obtiene su empuje mediante la reacción generada al expulsar rápidamente gases de combustión desde un motor cohete. A diferencia de otros medios de transporte, no requiere de una atmósfera, del agua o del suelo para impulsarse, lo que lo hace indispensable en el vacío del espacio, donde debe cargar con todo el propelente que va a consumir. El principio físico que rige este movimiento es la tercera ley de Newton: la aceleración de los gases de combustión hacia atrás produce una fuerza de reacción que impulsa el vehículo hacia adelante.

En la práctica, las relaciones de masa para estos vehículos varían según el propelente utilizado, alcanzando proporciones de 20 a 1 para propelentes densos como oxígeno líquido y keroseno, y de 10 a 1 para combinaciones como oxígeno líquido e hidrógeno líquido. Debido a que la velocidad requerida para misiones orbitales es sumamente elevada, frecuentemente se recurre a cohetes de múltiples etapas, desprendiendo las secciones vacías para incrementar la relación de masa y potencia a lo largo del trayecto.

¿Cuáles son las diferencias entre los motores químicos y los de combustión externa?

La gran mayoría de los cohetes actuales utilizan reacciones químicas que ocurren en una cámara de combustión entre un combustible y un oxidante. Estos sistemas pueden emplear propelentes sólidos, líquidos o una combinación de ambos, acelerando los gases calientes resultantes a través de una o varias toberas. No obstante, existen alternativas como los cohetes de vapor, clasificados dentro de la categoría de combustión externa, los cuales liberan agua supercalentada que se expande instantáneamente al salir por la tobera. Aunque su eficiencia es relativamente baja frente a los sistemas químicos, su simplicidad y seguridad han permitido pruebas experimentales para misiones espaciales.

Dentro de los motores de combustión externa también destacan los diseños de propulsión nuclear, que utilizan fuentes de calor externas para vaporizar propelentes como el hidrógeno, generando velocidades de escape muy elevadas. Estos desarrollos tecnológicos, combinados con alternativas eléctricas como los motores de iones, amplían las opciones de propulsión para futuras misiones interplanetarias.

¿Cómo surgieron los primeros cohetes en la historia antigua?

Los orígenes de los cohetes se remontan a la antigua China, donde el descubrimiento de la pólvora por alquimistas taoístas condujo inicialmente a su empleo en ceremonias religiosas y posteriormente en aplicaciones militares durante las guerras de los siglos X al XII. Estos primeros artefactos fueron precursores directos de los fuegos artificiales y de la artillería rudimentaria instalada en fortificaciones como la Gran Muralla China.

La tecnología se difundió hacia Europa gracias a las conquistas de los ejércitos mongoles y, posteriormente, a través de la influencia otomana en el siglo XV. Durante los siglos siguientes, obras teóricas como la de Kazimierz Siemienowicz sirvieron como manuales de referencia para la construcción y calibración de dispositivos pirotécnicos y cohetes de múltiples etapas en el continente europeo.

¿Qué papel desempeñó el siglo XIX en el perfeccionamiento de la precisión militar?

Durante el siglo XIX, el uso militar de los cohetes experimentó un impulso notable gracias a innovaciones como los diseños del británico William Congreve, quienes emplearon cohetes con estructura de hierro en la India y posteriormente en batallas europeas y norteamericanas, como el bombardeo del Fuerte McHenry en 1814. Sin embargo, estos primeros modelos presentaban serias deficiencias en su precisión debido a su marcada tendencia a desviarse de la trayectoria prevista.

Para solucionar este problema de puntería, William Hale introdujo en 1844 un sistema de empuje vectorizado que hacía girar el cohete sobre su propio eje, eliminando la necesidad de largos bastones de cola y dotándolo de mayor velocidad y estabilidad aerodinámica.

¿Cómo contribuyeron los pioneros teóricos y prácticos al nacimiento de la cohetería moderna?

A principios del siglo XX, los fundamentos científicos de la exploración espacial cobraron forma gracias al profesor ruso Konstantín Tsiolkovski, quien publicó en 1903 el primer trabajo analítico sobre la propulsión por reacción y formuló la ecuación matemática que lleva su nombre. Paralelamente, en Estados Unidos, Robert Goddard unió una tobera supersónica a un motor de cohete, duplicando su empuje y sentando las bases operativas de los cohetes modernos propulsados por combustibles líquidos.

En Europa, investigadores como Hermann Oberth y agrupaciones de entusiastas como la Sociedad Alemana de Cohetes impulsaron el desarrollo experimental durante la década de 1920, mientras que en la Unión Soviética equipos dirigidos por especialistas como Valentín Glushkó avanzaron significativamente en el diseño de motores de combustión y sistemas de refrigeración regenerativa.

¿De qué manera impactó la Segunda Guerra Mundial en el desarrollo de los misiles balísticos?

Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación sobre cohetes se militarizó profundamente bajo el régimen nazi, culminando con la creación del misil V-2 (inicialmente denominado A4) bajo la dirección técnica de Wernher von Braun. Con un alcance de 300 kilómetros y sistemas avanzados para su época como bombas de turbina y guía inercial, el V-2 demostró el potencial destructivo de los cohetes guiados a gran escala.

Tras el fin del conflicto, las potencias aliadas capturaron tanto la infraestructura como a los especialistas del centro de Peenemünde. Mientras que Estados Unidos incorporó a ingenieros alemanes mediante la Operación Paperclip para desarrollar tecnologías como el cohete Redstone, la Unión Soviética, bajo el liderazgo de Serguéi Koroliov, perfeccionó los diseños para crear misiles balísticos intercontinentales (ICBM) como el R-7, que inauguró la carrera espacial.

Sources & Further Reading

• Diccionario de la RAE, «Cohete», Real Academia Española. Disponible en: https://dle.rae.es/cohete?m=form
• Redacción de Krásnaya Zvezdá, «С мечтой о звёздах», periódico Krásnaya Zvezdá, 2 de abril de 1981, pág. 4.
• Daniel Marín, «El gran salto adelante de China: primer lanzamiento del Larga Marcha CZ-5», Naukas, 2016. Disponible en: https://danielmarin.naukas.com/2016/11/03/el-gran-salto-adelante-de-china-primer-lanzamiento-del-larga-marcha-cz-5/