Por qué los cohetes nunca despegan hacia arriba

 

Los cohetes no despegan completamente hacia arriba, pues para alcanzar una órbita alrededor de la Tierra o de cualquier otro cuerpo celeste, es tan importante la altura como la velocidad orbital. Esto trae algunas consecuencias antintuitivas de la mecánica orbital.

Los cohetes no despegan hacia arriba y curvan su trayectoria en cuanto pueden. Este momento variará entre cuerpos con una atmósfera densa, como la Tierra, y cuerpos sin atmósfera, como la Luna. En nuestro satélite el cohete debería inclinarse nada más despegar, para conseguir llegar a órbita de la manera más eficiente posible. Esto puede parecer completamente contraproducente y resultar antintuitivo, pero intentaremos explicarlo en detalle con este artículo.

Para alcanzar una órbita como la que describen la Estación Espacial Internacional, el telescopio espacial Hubble o los satélites geoestacionarios no solo es necesario llegar a la altura correcta para dicha órbita si no también alcanzar la velocidad adecuada. Podría argumentarse incluso que la velocidad es el ingrediente más importante. Si un cohete despegara perfectamente hacia arriba y nunca inclinara su trayectoria seguiría subiendo mientras conservara combustible, seguiría subiendo tras agotarlo por la inercia, pero llegaría cierto momento en el que se detendría y volvería a caer. Y si una vez llegado al punto de máxima altura quisiera permanecer ahí indefinidamente, necesitaría quemar combustible para evitar volver a caer de nuevo a la Tierra. Sin embargo un cohete describiendo una órbita circular a dicha altura, sea la que sea, no necesita consumir ni un gramo de combustible para permanecer allí: la velocidad orbital se encarga de que no caiga de nuevo a tierra.

Por otro lado, si ese supuesto cohete que ha llegado a cierta altura siguiendo una trayectoria vertical quisiera alcanzar una órbita a esa misma altura, no podría hacerlo simplemente girándose y encendiendo los motores. Si hace eso primero irá desplazando el punto de la superficie sobre el que caerá y, cuando tenga suficiente velocidad, empezará a describir una órbita elíptica que irá creciendo cada vez más. Por eso, para alcanzar una órbita circular desde la superficie de la manera más eficiente posible (algo imprescindible, pues cada kilogramo de más encarece la misión) será necesario iniciar la maniobra desde poco después del despegue. Para ello se utiliza un giro asistido por la propia gravedad del objeto alrededor del cual pretende orbitar la nave.

El cohete despegará en vertical, para ganar velocidad y altura lo más rápido posible y así dejar atrás las capas más densas de la atmósfera de la Tierra. El cohete inclinará su trayectoria tan pronto como le sea posible, para ir ganando también velocidad horizontal. Esto lo conseguirá redirigiendo sus propulsores momentáneamente o variando su potencia, de forma que haya más empuje actuando en un lado del cohete, inclinándose hacia el lado contrario. Esta fase dura poco y el cohete volverá a impulsarse directamente hacia delante, pues a partir de ese momento será la gravedad del propio planeta la que reorientará todo el conjunto. Si el cohete hubiera dejado de impulsarse la nave dejaría de subir en algún momento, pero al seguir sus propulsores encendidos, no deja de ganar altura. La gravedad irá girando al cohete, de forma que no se perderá combustible en corregir la trayectoria y solo será necesario gastarlo en aumentar la velocidad hasta la adecuada para describir una órbita concreta.

En un planeta con una densa atmósfera, como la Tierra o Venus, la fase inicial de despegue vertical será algo más larga, pues esa es la posición más aerodinámica del cohete. Si se inclinara demasiado mientras permanece en las capas bajas y densas de la atmósfera, el rozamiento con esta podría crecer demasiado, y haciéndolo mucho menos eficiente desestabilizando el cohete. En cuerpos sin atmósfera o con una atmósfera más tenue, como la de Marte, esta maniobra durará lo mínimo posible y el cohete se inclinará al poco de despegar.

Este mismo fundamento es el que hace que un cohete, para pasar a una órbita más alta, deba acelerar hacia delante, en vez de hacia “arriba”, hacia la dirección que lo aleja del planeta. Al acelerar hacia delante estará llevando su velocidad más allá de la velocidad orbital óptima para esa altura concreta por lo que el resultado será una órbita elíptica más grande que la original, cuyo punto más próximo al planeta, el perihelio, será el punto donde se produjo el acelerón. Para alcanzar la nueva órbita circular, de radio mayor a la original, será necesario un segundo acelerón en el punto opuesto de la órbita, al otro lado del planeta, de forma que el perihelio aumente hasta que se iguale y describa esa órbita circular buscada.

Si el cohete apuntara directamente hacia arriba estando en la órbita original, conseguiría aumentar su altura, pero no cambiaría su velocidad orbital. El resultado de esto sería simplemente el de desplazar la órbita original varios kilómetros. La mecánica orbital es más simple de lo que podría parecer, pero para llegar a entenderla hace falta deshacerse de los prejuicios e ideas preconcebidas que portamos del hecho de vivir todas nuestras vidas dentro de la atmósfera terrestre y cerca de su superficie.

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