"Era uno de esas bellas tardes tranquilas y coloridas que tenemos
en Octubre en Nueva Inglaterra, y cuando miré hacia los campos del
este, imaginé lo bello que sería hacer un aparato que tuviera
la posibilidad de elevarse hacia Marte, y como se vería
a pequeña escala, si se enviara desde el prado a mis pies."
Aquí fue cuando el joven Goddard decidió perseguir la idea
de los vuelos espaciales. Más tarde escribió
"Era un chico diferente cuando descendí del árbol, por
que la existencia al fin parecía tener una finalidad".
El 19 de Octubre 19 se convirtió en el "Día del Aniversario"
apuntado en su diario como un festivo personal. Por ejemplo, en 1913, hizo
la siguiente lista de prioridades ("orden") de cosas a realizar: Worcester,
19 de Octubre de 1913 (Día del Aniversario)
Orden: Completar la aplicación de patente, si es necesario,
de la tobera y la pluralidad; sacar la aplicación sobre la característica
de recarga; también completar la aplicación para la bomba
eléctrica; repetir el cálculo cuidadosamente, para pequeños
intervalos; buscar la teoría del movimiento lunar de Darwin; y buscar
meteoros. También probar un jet.
La aplicación de patente fue la patente US #1,103,503, concedida
en Julio de 1914 junto con una antigua, la #1,102,653. "Pluralidad" fue
el término usado por Goddard para el cohete multietapas, y las patentes
también cubrían la tobera de expansión y el combustible
líquido, aunque Goddard no lo experimenta hasta 1915 y 1922, respectivamente.
Los primeros experimentos de Goddard con cohetes
En 1915, siendo profesor asistente en la Clark University, Worcester, comenzó
los experimentos sobre la eficiencia de los cohetes. Compró algunos
cohetes comerciales y midió su empuje usando un péndulo
balístico, una masa pesada suspendida por cuerdas, a la
que sujetaba el cohete. Se encendía el cohete, y la altura a la
que se elevaba el péndulo suministraba la medida del momento
total (velocidad masa tiempo) comunicado.
Se puede mostrar, por las leyes de Newton, que el
momento total de un sistema libre de fuerzas exteriores se conserva; esta
es realmente otra formulación de la conservación del centro
de gravedad, mencionada en la discusión sobre la propulsión
del cohete. Por consiguiente, el momento dado al péndulo en una
dirección tiene que ser igual al momento mv comunicado al
chorro de gas del cohete y ese momento determina la longitud y la altura
de su oscilación. Pesando el cohete antes y después de su
encendido, Goddard pudo deducir la masa m de los gases expulsados
y de ellos deducir v. Para un cohete naval Coston, encontró
que v era de unos 1000 ft/sec (300 m/s).
La Tobera De Laval
Un cohete es esencialmente una máquina calorífica, un aparato
para convertir la energía calorífica (obtenida de la energía
química del combustible) en energía mecánica, siendo
aquí la energía cinética mv2/2 de
su chorro. Conociendo m y v, Goddard pudo deducir la energía
cinética suministrada al gas, quemando una cantidad medida de combustible,
absorbiendo el calor (p.e. en agua) y midiendo el aumento de temperatura,
también se obtiene la cantidad total de energía química
convertida. La conclusión fue muy decepcionante: solamente el 2%
de la energía disponible contribuía a la velocidad del chorro.
¿Se podría mejorar?. Felizmente para Goddard, este problema
habia sido resuelto por Gustav De Laval, un ingeniero sueco de ascendencia
francesa. Probando el desarrollo de una máquina de vapor más
eficiente, De Laval diseñó una turbina cuya rueda giraba
mediante chorros de vapor.
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Turbina De Laval:
4 toberas, una en
corte transversal.
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El componente crítico, en el que la energía calorífica
del vapor de alta presión procedente de una caldera se convertía
en energía cinética, era la tobera desde la que el chorro
soplaba sobre la rueda. De Laval encontró que la conversión
más eficiente ocurría cuando la tobera primero se estrechaba,
aumentando la velocidad del chorro hasta la velocidad del sonido y luego
se ensanchaba de nuevo. Por encima de la velocidad del sonido (pero no
por debajo) este ensanchamiento causaba un mayor aumento de velocidad del
chorro y producía una conversión muy eficiente de la energía
calorífica en movimiento. Hoy en día las turbinas de vapor
son los equipos de potencia preferidos en las centrales eléctricas
y el los grandes barcos, aunque normalmente tienen un diseño diferente,
para hacer un mejor uso del rápido chorro de vapor; la turbina De
Laval tenía que girar a una alta velocidad impracticable. Pero para
los cohetes la tobera De Laval fue justo lo que se necesitaba.
Goddard experimentó sobre el péndulo balístico
con varios diseños de toberas, usando una pequeña cámara
de combustión llena de un tipo de pólvora, encendida por
electricidad. El final de la cámara estaba roscada para que pudieran
atornillarse toberas de diferentes tipos y probarse. Usando una tobera
De Laval, obtuvo velocidades de chorro entre 7000 y 8000 ft/sec y eficiencias
de hasta un 63%. Luego reemplazó el péndulo por un aparato
más compacto en el cual el empuje de los cohetes no elevaban un
péndulo contra la gravedad, sino comprimían un muelle calibrado.
Con este aparato mostró que (contrariamente a afirmaciones frecuentes)
los cohetes trabajan también igual en el vacío.
Como Goddard observó, esto hace a los cohetes la más eficiente
de la máquinas caloríficas, mejor que las máquinas
de vapor alternativas (21%) y motores Diesel (40%). No es para maravillarse:
de la 2ª ley de la termodinámica, la eficiencia teóricamente
alcanzable de una máquina calorífica aumenta con su temperatura
de operación, y no hay otra máquina calorífica que
funcione tan caliente como un cohete.
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Un motor de cohete en
el Smithsonian, con un
corte abierto mostrando
la tobera convergente-
divergente DeLaval. |
La tobera De Laval cambió los vuelos espaciales desde un vago
sueño a una posibilidad real. Goddard comunicó sus resultados
a la Smithsonian Institution en Washington y requirió ayuda para
desarrollar un cohete capaz de investigar la alta atmósfera. Su
proyecto original ( la "característica de recarga" en su lista de
prioridades) era alimentar la cámara de combustión con trozos
sólidos de combustible, en forma similar en como se alimentan los
cañones con balas. En Enero de 1917 el Smithsonian respondió
con una subvención de $5000, y Goddard comenzó su estudio
y uso de los cohetes.
Después de que Estados Unidos entró en la I Guerra Mundial,
Goddard también trabajó un corto tiempo sobre cohetes militares,
pero no se usó ninguno de sus diseños, aunque cohetes algo
similares a sus diseños se convirtieron, durante la II Guerra Mundial,
en un arma efectiva contra los tanques; fueron conocidas como bazookas.
Combustible Líquido
La idea de alimentar el cohete con una corriente continua de cargas sólidas
también se probó que era irrealizable, y en 1922 Goddard
volvió a su idea alternativa, propuesta independientemente por Hermann
Oberth en Alemania y también apuntada por Tsiolkovsky: un cohete
de combustible líquido. Tendría dos líneas hacia su
cámara de combustión, una alimentando combustible y la otra
oxígeno, similar a los sopletes de soldadura, excepto que las dos
líneas llevarían líquido, no gases; en el diseño
de Goddard gasolina y oxígeno líquido.
Ese cohete prometía una gran eficiencia, pero también
poseía serios desafíos tecnológicos. Ambos fluidos
tenían que bombearse de forma estable, y uno de ellos, el oxígeno
líquido, era extremadamente frío. La combustión a
alta temperatura del oxígeno puro requiere materiales resistentes
al calor y para superar eso, Goddard desarrolló la técnica
de hacer que el oxígeno enfríe la cámara de combustión
en su paso desde el tanque de combustible. este método aún
se usa: en la foto superior, la parte exterior de la tobera está
cubierta con un gran número de tubos metálicos, a través
de los que el combustible frío fluye hacia la cámara de combustión.
Otro problema completamente nuevo que encontró Goddard fue la orientación
y el control del cohete en vuelo.
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Robert H. Goddard al lado del
cohete de combustible líquido
en 1926.
El cohete está en la parte
superior, recibiendo su
combustible por dos líneas
desde el tanque en la base. |
El 16 de Marzo de 1926, Goddard probó el vuelo de su primer cohete
de combustible líquido. Pensó que obtendría un vuelo
estable montando el cohete por delante del tanque de combustible,
con el tanque protegido de la llama por un cono metálico y con las
líneas para el combustible y el oxígeno traccionándolo
por detrás: el diseño funcionó, pero no tuvo la estabilidad
esperada. El cohete inició la combustión unos 20 segundos
antes de alcanzar suficiente empuje (o suficiente aligeramiento del tanque
de combustible). Durante ese tiempo se fundió parte de la tobera,
y la cámara con la que Mrs. Esther Goddard estaba intentando grabar
el vuelo se quedó sin filme, por lo que no existe una grabación
de ese vuelo. Despegó hasta una altura de 41 pies, se niveló
y cayó al suelo, todo en 2.5 segundos, dando un promedio de una
60 mph.
El concepto de Goddard parecía validado, pero estaba muy lejos
de ser un diseño práctico. Desafortunadamente trabajó
solo, sin los recursos técnicos de una gran institución.
En los años que siguieron continuó desarrollando sus cohetes,
controlando su movimiento mediante giroscopios, dirigiéndolos con
pequeñas cambios en el chorro escape, y construyendo cohetes mayores
y más veloces. Fueron probados en pié sobre el suelo y en
vuelo libre, la mayoría en el laboratorio de cohetes que construyó
en Roswell, New Mexico.
Pero la realización de su sueño recayó sobre otros
que disfrutaron de ayuda militar ó nacional. Goddard, infelizmente,
nunca vivió para ver la era espacial. Murió de cáncer
el 10 de agosto de 1945 en Baltimore.
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