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Regulando el Impulso en el Regreso a la Luna

Alunizar no es una tarea sencilla, por eso la NASA ensaya nuevas tecnologías para las turbinas de sus futuros módulos de descenso.

Para un automóvil común, acelerar de 0 a 60 km/h y luego desacelerar al acercarse a un semáforo no es un problema. Pero si usted condujera un cohete espacial, esto no sería tan fácil. La mayoría de las turbinas para cohetes están diseñadas para encenderse completamente (¡despegue!) o para apagarse completamente (extinguiéndose en el espacio), sin un modo intermedio. Y eso puede ser un problema —específicamente, ¿cómo se hace para descender con este aparato?

El Módulo Lunar Águila (Eagle) de la misión Apolo 11

La regulación del impulso de la turbina es crucial para una nave que desea posarse sobre otro planeta. Descender desde una órbita es un delicado acto de equilibrio, que consiste en reducir la potencia de la máquina a medida que el módulo de descenso pierde masa a través del escape, lo cual lo desacelera hasta que las patas del vehículo apenas besan la superficie. Para realizar un alunizaje, se debe disminuir la velocidad desde casi 6800 a 0 km/h en aproximadamente una hora.

La turbina para descenso del Módulo Lunar (ML) de la misión Apolo, que es la campeona de todos los tiempos en acciones de regulación de velocidad, efectuó seis alunizajes perfectos entre 1969 y 1972 y pudo modificar el impulso del vehículo de 4593 kg hasta 567 kg. Era también una turbina simple, capaz de quemar combustible corrosivo y oxidante que se encendían por contacto, y estaba alimentada por tanques presurizados, lo cual eliminaba la necesidad de utilizar un sistema de bombeo.

La NASA piensa regresar a la Luna en la próxima década y "queremos colocar sobre la superficie lunar cargas más pesadas que las que llevó la misión Apolo. Eso significa que necesitamos una turbina de mayor rendimiento", dice el ingeniero Tony Kim, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, de la NASA. "La turbina para descenso del Módulo Lunar del Apolo era muy buena, muy confiable, pero no tiene el rendimiento que necesitamos para las futuras exploraciones".

Con el propósito de investigar tecnologías para una nueva generación de módulos de descenso lunar, ingenieros de dos centros de la NASA —el Centro Marshall para Vuelos Espaciales, en Alabama, y el Centro de Investigación Glenn, en Ohio— respaldan a la empresa Pratt & Whitney Rocketdyne en el desarrollo de la Turbina Común Criogénica y Extensible (Common Extensible Cryogenic Engine, en idioma inglés, o "CECE").

En el núcleo de la CECE se encuentra la turbina RL10, que impulsó hasta la Luna a siete robots de reconocimiento Surveyor, entre 1966 y 1968, y luego trasladó a docenas de otras misiones durante operaciones de más de 2.200.000 segundos (casi 26 días) y 718 encendidos espaciales. La RL10 es una bestia mucho más compleja y poderosa que la turbina del ML del Apolo. Quema hidrógeno y oxígeno que se guardan como líquidos superfríos en tanques aislados. Estos no son sólo propulsantes de alta energía sino también propulsantes amigables para el ambiente, en comparación con el combustible corrosivo del ML original.

Ahora se pretende que la turbina demuestre algo nuevo: que puede regular el impulso del 100 por ciento de su empuje de 6260 kg al 10 por ciento, lo mismo que se requiere en una nave que transporta seres humanos. Pero realizar la regulación del impulso no es tan simple como apretar y soltar el pedal del acelerador. Como la mayoría de las turbinas para cohete, la RL10 fue diseñada para funcionar a máxima potencia. Casi como si fuese un ser viviente, si se producen cambios en una parte del sistema, se sienten en el resto. Por ejemplo, a baja potencia, el hidrógeno líquido se torna lento y se evapora en los tubos de enfriamiento, posiblemente atascando la máquina.

Las imágenes de la izquierda ilustran diferentes niveles de regulación del impulso en la turbina de la CECE

En las pruebas Demo 1 de la Fase 1, "pudimos modificar la turbina y demostrar que es posible la regulación del impulso, aunque debe ser hecha con cuidado", dice Kim. La CECE sumó un total de 932 segundos de tiempo de encendido en ocho pruebas, aunque algunas de ellas se detuvieron antes "porque estamos experimentando".

El reto principal fue "el traqueteo". Algo provocó que la turbina vibrara 100 veces por segundo. Pratt & Whitney Rocketdyne llevó a cabo una prueba denominada "Demo 1.5" para investigar y aislar el problema: al parecer, se formaron vapores de oxígeno en la placa del inyector y esto inhibió el flujo normal en los niveles más bajos de regulación del impulso.

"Estamos considerando hacer modificaciones al inyector y a las válvulas para mejorar el funcionamiento", dice Kim. La CECE ya ha demostrado que el proceso de combustión es estable (sin traqueteo), su porcentaje de regulación es 5 a 1, y en operabilidad (con cierto traqueteo), su porcentaje de regulación es 11 a 1.

A pesar de que la CECE aún no está lista para ser lanzada al espacio, enfatiza Kim, es un campo de pruebas importante para desarrollar tecnología. "Este trabajo tiene el potencial suficiente como para influir en el diseño del próximo módulo de descenso lunar".

La CECE es una de las muchas tecnologías candidatas que están siendo investigadas por el Programa para el Desarrollo de Tecnologías de Exploración (Exploration Technology Development Program, en idioma inglés), de la NASA.

Traducido al español por Carlos Román
Fuente: Ciencia@NASA