El lanzamiento de SpaceX que sorprendió a California o cómo se forman las estelas de los cohetes

El 23 de diciembre de 2017 la empresa SpaceX lanzó un cohete Falcon 9 v1.2 desde Vandenberg en una misión comercial. El lanzamiento no habría llamado la atención de los medios de no ser por el espectáculo de luces que creó en el horizonte de la costa oeste de EEUU y México. Una estela blanquecina que ascendía por el cielo y se iba ensanchando como por arte de magia. Claramente no era un avión —ni tampoco un pájaro o Supermán—, pero la mayoría de testigos desconocía que estaban ante el lanzamiento de un cohete. ¿Por qué esa forma tan rara?

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El «OVNI espermatozoide» de California provocado por el lanzamiento del Falcon 9 v1.2 (Aviation Videos Live).

La visión fue tan espectacular que parece que llegó a provocar algún accidente de tráfico:

Antes de nada, conviene recordar que estas estelas son relativamente comunes y cada cierto tiempo se producen miles de «avistamientos OVNI» por culpa de ellas. Lo que pasa es que los testigos de cada caso suelen ser distintos y estar repartidos por todo el globo… y además corren tiempos donde nadie parece tener memoria a largo plazo más allá del último meme de moda. En realidad, y simplificando, la forma de la estela solo depende de tres factores: condiciones de iluminación, presión atmosférica y, si nos fijamos de cerca, tipo de propergoles empleados.

Otra vista de la estela del Falcon 9 (businessinsider.com).
Otra vista de la estela del Falcon 9 (businessinsider.com).

Los lanzamientos diurnos son más o menos visibles dependiendo de la estela, que a su vez depende de que sustancias queman los motores. Los cohetes de combustible sólido dejan una estela muy satisfactoria visible como una sólida columna de humo a decenas de kilómetros a la redonda. Precisamente este era uno de los encantos de los despegues del desaparecido transbordador espacial. Los cohetes de combustible líquido pueden ser hipergólicos (queman hidrazina y tetróxido de dinitrógeno o alguna variante de los mismos), de kerolox (queroseno y oxígeno líquido) o criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos). El producto de la combustión de los motores hipergólicos es agua y nitrógeno, dióxido de carbono y agua para los motores de kerolox y solo agua para los motores criogénicos. Sin embargo, un punto que no se suele tocar en los libros de introducción al tema es que los cohetes no usan una proporción estequiométrica de reactivos, sino que queman más combustible u oxidante del que deberían (por lo general los motores suelen quemar siempre mezclas ricas en combustible).

Por ejemplo, la relación de masas entre oxígeno e hidrógeno en un cohete criogénico no es 8 como debería ser de acuerdo con la reacción química ajustada, sino que puede ser entre 4 y 6. O sea, se usa hasta el doble de hidrógeno del que deberíamos (en el caso de los motores de kerolox el queroseno tiene una masa molecular superior, así que la desviación con respecto a la proporción estequimétrica no es tan elevada). Evidentemente esto provoca que el hidrógeno sobrante no se queme y, en teoría, esto debería implicar una menor eficiencia en la combustión al disminuir la temperatura. Pero la eficiencia de un motor depende de la temperatura alcanzada en la cámara de combustión porque así será mayor la velocidad de los gases de escape. Sin embargo, los reactivos por separado —especialmente el hidrógeno— suelen tener una masa molecular inferior a los productos, así que a una misma temperatura la velocidad de salida de la tobera de los reactivos es mayor que la de los productos. Por eso compensa dejar combustible sin quemar, siempre y cuando no nos pasemos. En realidad es un problema bastante complejo, pero lo que nos interesa aquí es que los productos de la combustión no son únicamente los mencionados anteriormente, sino que vamos a tener otras sustancias presentes en la estela.

Los cohetes criogénicos, como el Delta IV Heavy, son los que dejan una estela más tenue. Los gases de escape son agua e hidrógeno. El hidrógeno gaseoso es invisible y el agua forma cristales de hielo. Los cohetes hipergólicos y los de kerolox dejan una estela más llamativa y muy parecida entre sí, aunque la llama en los motores de kerolox es más intensa. Esto se debe a que el queroseno sobrante del escape —recordemos que los motores queman mezclas ricas en combustible— arde por acción del oxígeno atmosférico. Por eso la llama de un motor de kerolox es muy brillante cerca del nivel del mar y se vuelve oscura a cierta altura una vez el cohete ha superado la mayor parte de la atmósfera. Las sustancias oscuras son hidrocarburos resultantes de la combustión parcial del queroseno, o sea, básicamente hollín (por eso las primeras etapas de los Falcon 9 vuelven negras a tierra). La influencia de la densidad atmosférica en la forma y el brillo de la llama de un cohete de kerolox se aprecia muy bien en los siguientes vídeos de lanzamientos de un Soyuz y un Falcon 9:

No obstante, la composición de la estela solo es relevante si la vemos de cerca. A gran distancia todas las estelas se parecen mucho. El siguiente factor que determina la forma de una estela es la presión atmosférica. A nivel del mar el aire constriñe los gases de escape y la estela es fina, turbulenta y alargada, pero en cuanto el cohete deja atrás los primeros kilómetros la estela se va ensanchando de forma muy llamativa (esto explica que las toberas de las etapas superiores sean más grandes y anchas). El ensanchamiento es especialmente llamativo cerca de la Línea de Kármán (la frontera de la atmósfera con el espacio a cien kilómetros de altura). En las capas más bajas de la atmósfera la humedad relativa y los vientos también juegan un papel señalado para dar forma a la estela. En el caso que nos ocupa, un lanzamiento al anochecer o al amanecer será especialmente espectacular porque mientras que para un observador en tierra ya se ha puesto el Sol o aún no ha salido, la estela estará plenamente iluminada por el Sol, produciendo un efecto muy curioso gracias al reflejo de la luz en los cristales de hielo y el combustible congelado.

Lo cierto es que, contrariamente a lo que nos hacen creer las películas de ciencia ficción, las estelas en el vacío son muy anchas y casi invisibles. No son muy cinematográficas, pero al fin y al cabo es normal que nos resulten extrañas habiendo evolucionado en el fondo de un océano de aire. Un claro y bello ejemplo de cómo es una estela en el vacío lo tenemos en la secuencia de despegue de la etapa de ascenso del módulo lunar del Apolo 17 (que usaba propergoles hipergólicos):

Sabiendo todo esto ahora ya podemos analizar el lanzamiento del Falcon 9 del otro día. El despegue tuvo lugar al anochecer y en dirección sur, de ahí que pudiese ser visto por millones de personas del área metropolitana de Los Ángeles. Como era de esperar, la primera etapa produjo una estela estrecha al atravesar las regiones más densas de la atmósfera y solo al final se aprecia un ensanchamiento considerable cuando baja la presión del aire circundante. Los nueve motores Merlin generan una estela turbulenta y poco «limpia» por la interferencia de los flujos de los distintos escapes. Por contra, la segunda etapa, con un solo motor Merlin 1D, produce un escape más nítido que se ensancha rápidamente cuando supera la Línea de Kármán y entra en el vacío del espacio. Es el crecimiento de esta segunda estela lo que más ha llamado la atención del público y es la responsable de la característica forma de «espermatozoide». Pero para animar el cotarro, SpaceX decidió experimentar una vez más con la recuperación de la primera etapa y, además, la cofia del cohete. Las maniobras de la primera etapa y su sistema propulsor dentro de la estela de la segunda etapa crearon en esta ocasión un objeto brillante móvil que se ve detrás del cohete y que aumentó todavía más la extrañeza del fenómeno. En los siguientes vídeos podemos analizar esta estela del Falcon 9:

Como hemos dicho, las estelas de lanzamientos al amanecer o al anochecer son muy espectaculares y en Rusia y Kazajistán son frecuentes los «avistamientos» de cohetes Soyuz lanzados desde Baikonur o Plesetsk, pero cada lanzador tiene una estela característica dependiendo del número de motores y etapas. El Soyuz, con cuatro aceleradores laterales y una etapa central genera una llamativa estela. Los cuatro motores de la etapa central (Bloque A) y la tercera etapa (Bloque I) generan varias estelas con formas diferentes a las de un Falcon 9 o un Atlas V.

Estela del lanzamiento de la Soyuz TMA-15M en diciembre de 2015 vista desde Siberia (Roman Fominykh, Alexey Romanov, Artem Rustamov, Dmitry Dudukin).
Estela del lanzamiento de la Soyuz TMA-15M en diciembre de 2015 vista desde Siberia (Roman Fominykh, Alexey Romanov, Artem Rustamov, Dmitry Dudukin).
Otra vista de la estela del lanzamiento de la Soyuz TMA-15M (Alexey Malitsky).
Otra vista de la estela de la segunda etapa del lanzamiento de la Soyuz TMA-15M. (Alexey Malitsky).

En Florida los lanzamientos del Atlas V —con una primera etapa de kerolox y una segunda etapa Centaur criogénica— también han creado estelas muy parecidas a las del Falcon 9, como fue el caso del lanzamiento del satélite MUOS 4 en 2015:

El 2 de septiembre de 2015 el lanzamiento de un Atlas V 551 con el satélite MUOS 4 desde Florida también generó una estela parecida (@MrPanuccii)
El 2 de septiembre de 2015 el lanzamiento de un Atlas V 551 con el satélite MUOS 4 desde Florida también generó una estela parecida (@MrPanuccii).
Estela causada por un Atlas V durante un lanzamiento en 2015 (ULA).
Estela causada por un Atlas V durante un lanzamiento en 2015 (ULA).

Pero si este despegue te ha llamado la atención, lo cierto es que no es nada comparado con algunos lanzamientos de misiles Tópol y Bulavá —de combustible sólido— dotados de sistemas de maniobra avanzados, que en la última década han sorprendido a miles de habitantes de Escandinavia y Rusia.

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Espiral sobre el cielo de Noruega causada por el lanzamiento de un misil balístico Bulavá (RT).

https://youtu.be/hJnfTAs4BtM

Para terminar, es importante señalar que el comportamiento preciso de las estelas de cohetes no es en absoluto un tema trivial y todavía hay muchas cosas que desconocemos (nadie dijo que la mecánica de fluidos fuese sencilla). Así que ya sabes: si por un casual te encuentras con una escena como la que vieron los habitantes de la costa oeste de EEUU no solo deberías ser capaz de saber que estamos ante el lanzamientos de un cohete, sino además de qué tipo se trata. Hay que estar ojo avizor por si vuelven a atacar las estelas misteriosas.



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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 26 diciembre, 2017
Categoría(s): ✓ Astronáutica • Cohetes • SpaceX