El pasado 7 de septiembre, la empresa China LandSpace, fabricante de los cohetes Zhuque, anunció que había realizado con éxito una prueba completa de su nuevo motor de metano BF-20 (Blue Flame 20, ‘llama azul’) o 蓝焱-20 (Lányàn-20). LandSpace usa motores de metano TQ-12 (天鹊12, Tianque, ‘urraca celeste’) en los lanzadores Zhuque 2 y 2E, pero mientras el TQ-12 tiene un empuje de 80 toneladas en el vacío (67 a 74 toneladas al nivel del mar), el BF-20 es capaz de alcanzar las 200 toneladas de empuje (2200 kN a nivel del mar y 2366 kN en el vacío), unas prestaciones comparables al motor Raptor de SpaceX. LandSpace quiere usar el BF-20 en un futuro lanzador pesado capaz de colocar 100 toneladas en órbita baja. Sea como sea, lo más llamativo del BF-20, además de su tamaño y potencia es que se trata de un motor de combustión por etapas de flujo completo o FFSC (full flow staged combustion), un diseño considerado la cúspide de la tecnología de los motores cohete que el motor Raptor de SpaceX ha puesto en boca de todo el mundo.

Los motores full flow son, sin duda, más eficientes, pero, ¿por qué están ahora de moda? ¿Y por qué no hemos visto nunca un motor de flujo completo de hidrógeno o de queroseno? Intentemos explicarlo de una forma sencilla. Veamos. Un motor cohete de combustible líquido canaliza oxidante por un lado y combustible por otro hacia una cámara de combustión donde se produce una reacción química que libera energía, aumentando la velocidad de los gases de escape y produciendo empuje. Hasta aquí todo muy sencillo. Los motores de gran tamaño empleados en la primera etapa —a veces también en la segunda— de un cohete requieren un flujo de propelentes muy alto, por lo que no vale con la alimentación por presión (a base de helio) propia de motores más pequeños, sino que necesitan una turbobomba para cada propelente. ¿Cómo mover esta turbobomba? Pues fácil —en teoría, claro—: usando los mismos propelentes. Se deriva una pequeña cantidad de oxidante y otra de combustible que, en vez de terminar en la cámara de combustión, reaccionan en un generador de gas o prequemador (preburner), que no deja de ser una pequeña cámara de combustión, generando gases que mueven una turbina. Esta turbina mueve a su vez las bombas de los propelentes y, voilà, tenemos un motor cohete de alto rendimiento (también se pueden mover mediante motores independientes o baterías, pero vamos a centrarnos). Fantástico, pero hay un problema. Los gases de escape del generador de gas se expulsan al exterior, por lo que no contribuyen al empuje y provocan una pérdida de la eficiencia del motor, medida en impulso específico (Isp).

Esto que acabamos de describir es un motor cohete de ciclo abierto, también denominado motor de generador de gas. ¿Vale la pena mejorar el diseño evitando que se pierdan los gases que mueven la turbobomba? La inmensa mayoría de las veces, la respuesta es un rotundo NO, de ahí que casi todos los motores de cohetes sean de ciclo abierto. Principalmente porque para aprovechar estos gases necesitamos elementos adicionales que complican el diseño del motor —mayores probabilidades de que falle algo— y aumentan su peso. Para los motores de etapas superiores, que suponen una fracción importante de la masa de la etapa y donde el empuje no es tan importante, mejorar el diseño de ciclo abierto simplemente no vale la pena. Pero para grandes motores que se usan en la primera etapa de lanzadores potentes, quizás, a veces, a lo mejor, merece el esfuerzo de aspirar al máximo rendimiento con el fin de obtener una mayor carga útil. La evolución del motor de ciclo abierto se llama, lógicamente, motor de ciclo cerrado, también denominado de combustión por etapas (staged combustion).

Como puedes imaginar, un motor de ciclo cerrado inyecta los gases del generador de gas en la cámara de combustión (no es un proceso trivial porque la mayor presión de la cámara impacta en la eficiencia de la turbobomba, entre muchos otros problemas técnicos, pero vamos a olvidarnos de este punto para simplificar). No solo, eso, sino que todo el oxidante o el combustible pasa primero por el generador de gas. Lógicamente, puede haber dos tipos de motores de ciclo cerrado. En los motores de ciclo cerrado ricos en combustible, todo el combustible pasa por el generador de gas, donde se inyecta una pequeña cantidad de oxidante que se quema con un poco de combustible. Tras la reacción en el generador de gas, los gases que mueven la turbina, con exceso de combustible que no ha sido quemado por el oxidante, se inyecta en la cámara de combustión, donde se junta con el resto del oxidante. Si hablamos de un motor de ciclo cerrado rico en oxidante, se invierten las tornas.

Bien, pero dejémonos de vaguedades. En la vida real no hay miles de posibilidades, sino que solo hay cuatro tipos de motores según los propelentes usados en primeras etapas de cohetes operativos, que, ordenados de menor a mayor eficiencia (Isp) son: hipergólicos (hidrazina y tetraóxido de dinitrógeno o derivados), kerolox (queroseno y oxígeno líquido), methalox (metano y oxígeno líquidos) e hydrolox (hidrógeno y oxígeno líquidos). Y de estas opciones, los motores methalox solo se han empezado a usar ‘en serio’ en este siglo. Los propergoles hipergólicos son un caso aparte porque se almacenan a temperatura ambiente y, además de ser tóxicos, son poco eficientes, por lo que, en general, no es rentable diseñar un motor de ciclo cerrado para ellos, más que nada porque si nos preocupa tanto la eficiencia, lo mejor es cambiar de propelentes. De todas formas, luego volveremos a hablar de estos motores cuando comentemos los de flujo completo. Los primeros motores cohete eran, en su gran mayoría, de kerolox. No obstante, diseñar un motor de ciclo cerrado rico en combustible de kerolox es una tarea casi imposible. Las reacciones de combustión parcial del queroseno en el prequemador crearían muchas sustancias orgánicas —hollín—, que puede obstaculizar el funcionamiento del motor e incluso dañarlo. Los motores de ciclo cerrado ricos en oxidante, tanto de kerolox, como methalox o hydrolox, tienen un pequeño problemilla, y es que el oxígeno a alta presión es brutalmente corrosivo, de tal forma que es necesario usar aleaciones relativamente extrañas o revestimientos complejos para proteger los metales que forman el motor.

Las complejidades metalúrgicas de los motores de ciclo cerrado ricos en oxígeno eran tantas que en Estados Unidos renunciaron a su desarrollo por considerarlo una tarea inútil, más allá de construir prototipos para validar la tecnología. Por contra, en la Unión Soviética la oficina de diseño de Alexéi Isayev construyó ya en 1960 el primer motor de ciclo cerrado por etapas de la historia, el S1.5400 (11D33), un motor de kerolox rico en oxidante que se usó en etapas superiores del cohete Mólniya. Un año más tarde la oficina de diseño de Nikolái Kuznetsov construyó otro motor de queroseno de ciclo cerrado rico en oxidante, el NK-9, para la primera etapa del misil GR-1 de Serguéi Koroliov (y eso a pesar de carecer de experiencia en la construcción de motores cohete). Este motor sería la base para el NK-15 del cohete lunar N1 y el NK-33, que se iba a usar en versiones mejoradas del N1, pero el programa fue cancelado. Muchos en Occidente se sorprendieron cuando en los años 90 se supo que los NK-9/15/33 eran motores de ciclo cerrado ricos en oxidante, pues se creía que la URSS no había podido alcanzar este nivel de tecnología en los años 60 (los motores NK-33 se utilizarían en este siglo en el cohete estadounidense Antares).

Posteriormente, en la segunda mitad de los años 70 Valentín Glushkó construiría el RD-170, que además de ser el motor cohete de combustible líquido más potente de la historia, también era de ciclo cerrado por etapas rico en oxidante. A partir del RD-170 surgiría una familia de motores de kerolox con cuatro, dos y una cámara de combustión, respectivamente, los RD-171, RD-180 y RD-191. Estos motores tienen un Isp de unos 310 segundos a nivel del mar. Como comparación, el mítico y potente F-1 del Saturno V, de ciclo abierto, solo tenía un Isp de unos 260 segundos a nivel del mar. En la pasada década, Aerojet Rocketdyne intentó desarrollar el primer motor operativo de ciclo cerrado de kerolox rico en oxidante de EE. UU., el AR1, una especie de «copia» estadounidense del RD-180, pero el proyecto fue cancelado por los sobrecostes. Como consecuencia, en Estados Unidos nunca se ha construido un motor de este tipo.

¿Y qué hay del hidrógeno? Este combustible sigue siendo el más eficiente en motores reales, así que puede ser interesante exprimir segundos de Isp usando un ciclo cerrado para llegar al límite de la eficiencia. El hidrógeno líquido es una sustancia compleja para trabajar por su baja densidad, el pequeño tamaño de sus moléculas —que provoca peligrosas fugas por todos lados— y, sobre todo, su bajísima temperatura de ebullición (–252 ºC). No obstante, podemos usar esta última propiedad en nuestro favor, haciendo que el hidrógeno pase a fase gaseosa para mover la turbobomba del motor sin necesidad de prequemador. De paso, el hidrógeno se emplea para refrigerar la cámara de combustión y la tobera antes de cambiar de fase. Los motores criogénicos de este tipo se denominan de ciclo expansor cerrado (expander cycle) y se emplean en la mayoría de motores criogénicos de alto rendimiento de segundas etapas o etapas superiores, como el el RL10 estadounidense —usado en el Delta IV, Atlas V, Vulcan y SLS—, el YF-75 e YF-75D chinos —del CZ-3 y CZ-5— o el Vinci del Ariane 6 europeo (existe una variedad de ciclo expansor que es abierta, donde el hidrógeno gaseoso que mueve la turbina se expulsa al exterior).

Si queremos usar motores de hidrógeno en la primera etapa de un lanzador hay que primar el empuje generado, pero, a diferencia de lo que ocurre con el queroseno, construir motores criogénicos de alto empuje no es sencillo y lo mejor es seguir un diseño de ciclo abierto, como el Vulcain 2.1 (Ariane 6), el YF-77 chino (CZ-5) o el RS-68 estadounidense (Delta IV), este último el motor de hidrógeno más potente de la historia. Por tanto, parece que no vale la pena perder el tiempo construyendo motores de hidrógeno de ciclo cerrado con generadores de gas ricos en oxidante o en combustible. Y así era hasta que en los años 70 la NASA pidió a la industria un nuevo motor de hidrógeno para el transbordador espacial. Este motor, que sería conocido como SSME o RS-25 —curiosamente, en los 80 nadie usaba esta última denominación, pero ahora todo el mundo se refiere a estos motores así—, debía tener un alto empuje así como un alto impulso específico, además de ser reutilizable. Por este motivo, aquí sí que valía la pena sopesar el ciclo cerrado con prequemador. Como resultado, Rocketdyne diseñó el que pasaría a ser el motor cohete más complejo jamás construido.

El RS-25 —que se sigue usando en el SLS— es un motor de ciclo cerrado rico en combustible. ¿Y por qué no rico en oxidante? Pues porque la diferencia en temperatura, densidades y propiedades de las dos sustancias no deja mucho margen. Un prequemador rico en hidrógeno con un poco de oxígeno pasa fácilmente a estado gaseoso a baja temperatura y, además, se evita el engorroso problema del uso de aleaciones resistentes al oxígeno a alta presión. Por otro lado, los motores de hidrógeno funcionan inyectando más hidrógeno del que teóricamente necesitan —en general, los motores de combustible líquido NO tienen una relación de propelentes idéntica a las proporciones estequiométricas de las reacciones químicas, pero eso es otra historia— porque así se consigue refrigerar el motor y aumentar su empuje e Isp al ser el hidrógeno una sustancia con un peso molecular muy bajo (lo que implica una mayor velocidad de escape, ergo, mayor Isp).

En realidad, el RS-25 emplea dos prequemadores ricos en combustible para mover dos turbobombas independientes, una para el oxígeno y otra para el hidrógeno. Las turbobombas dobles también se pueden usar en otros motores y permiten controlar mucho mejor el flujo de propelentes, sobre todo cuando tienen densidades muy dispares, como es el caso del hidrógeno y el oxígeno. Eso sí, a costa de aumentar el peso y la complejidad. Durante décadas, el RS-25 fue el único motor estadounidense de ciclo cerrado por etapas en servicio. En la URSS, Glushkó construyó un motor equivalente al RS-25, el RD-0120, también de ciclo cerrado rico en combustible, para el cohete Energía, aunque solo tenía una única turbina en vez de dos.

¿Existe algo mejor que los motores de ciclo cerrado por etapas? En este punto es cuando se suele decir que el siguiente paso son los motores full flow o de combustión por etapas de flujo completo. ¿Y esto qué es? Pues un motor de ciclo cerrado que tiene dos prequemadores, uno para mover la turbobomba del oxidante y otro para la turbobomba del combustible. El prequemador del oxidante es rico en oxidante y el del combustible es rico en combustible. Los gases de los dos prequemadores se inyectan en la cámara de combustión. Es decir, la cámara de combustión solo recibe gases y nada de líquido, a diferencia del resto de motores que hemos comentado hasta ahora. A veces se dice que los motores full flow son más eficientes porque son de ciclo cerrado, pero hemos comprobado que se pueden hacer motores de ciclo cerrado sin que sean full flow. La ventaja directa de este diseño es que se puede reducir el tamaño de la cámara de combustión porque las reacciones químicas en estado gaseoso son más rápidas, permitiendo aumentar la presión de la cámara, algo que se traduce en un mayor Isp.

Pero, ¿es factible un motor full flow con los propelentes que se usan normalmente? Pues en el caso del queroseno, como ya hemos visto, la respuesta es un tajante no por culpa de las reacciones de coquización. En el caso del hidrógeno, teóricamente se podría construir un full flow, pero es muy difícil que el esfuerzo merezca la pena. Como se ha visto, el RS-25 es prácticamente un motor full flow en cuanto a su complejidad técnica —de hecho, es mucho más complejo que un Raptor—, pero incluso en este caso se decidió que no era rentable construir un prequemador a base de hidrógeno rico en oxígeno por todas las dificultades que ello conlleva. Entonces, ¿qué propelentes nos quedan?

Pues básicamente, dos tipos: los propergoles hipergólicos y los motores de methalox. Ya hemos comentado que los primeros son poco eficientes y es casi una pérdida de tiempo construir un motor de ciclo cerrado con estos propelentes. Pero, una vez más, el ‘loco’ de Valentín Glushkó decidió emprender un viaje a la tierra de los motores exóticos cuando a mediados de los 60 construyó el RD-253, un motor hipergólico de ciclo cerrado rico en oxidante (en este caso tetraóxido de dinitrógeno, no oxígeno) para el cohete UR-500, luego conocido como Protón (la empresa rusa NPO Energomash sigue fabricando una versión mejorada, el RD-275). A partir de esta experiencia Glushkó se lió la manta a la cabeza y construyó el RD-270, el primer motor de flujo completo de la historia. El RD-270 se concibió para el lanzador pesado UR-700 y se canceló al mismo tiempo que este cohete. Con un empuje de 6700 kN, Glushkó usó el diseño full flow para alcanzar las mayores prestaciones posibles que se podían lograr con los infames propergoles hipergólicos. Desde entonces, nadie ha intentado hacer nada parecido con estos propelentes (paradójicamente, cuando en los años 90 se supo que el RD-270 tenía un diseño de flujo completo, casi nadie le dio demasiada importancia y se consideró una mera excentricidad técnica).

Nos quedan los motores de methalox. Hasta el siglo XXI el metano era el patito feo de los combustibles: menos eficiente que el hidrógeno, pero con muchos de los problemas propios de este combustible (menor temperatura y densidad que el queroseno). Si lo que quería uno era potencia, mejor usar queroseno, que no es un combustible criogénico (el metano cambia a estado líquido a –162 ºC). Si quieres eficiencia, usa hidrógeno. Y si quieres sencillez, sin duda vete a por los propergoles hipergólicos (almacenamiento a temperatura ambiente, ignición espontánea, etc.). Pero el metano —o gas natural— se ha vuelto popular gracias a una palabra clave: reutilización. Al ser una molécula mucho más pequeña que los componentes del queroseno, el metano no produce hollín al quemarse, una propiedad fundamental para un motor que se va a usar muchas veces. Y, por otro lado, no tiene los problemas asociados del hidrógeno que dificultan la reutilización rápida de un lanzador y complican el diseño de un motor.

Por tanto, el metano es el combustible ideal para los motores full flow. De hecho, es el ÚNICO, dejando aparte los propelentes hipergólicos, en el que el este ciclo vale realmente la pena. El motor Raptor de SpaceX, creado para la Starship, es el primer motor de metano que emplea este ciclo y su última versión, la 3, está considerada una maravilla de la ingeniería. Sin embargo, el diseño de flujo completo introduce una complejidad y peso añadidos que, en la mayoría de ocasiones, no es rentable. Por este motivo, sigue siendo más sencillo fabricar motores de metano de primeras etapas de ciclo abierto o, llegado el caso, de ciclo cerrado por etapas. El BE-4 de Blue Origin, usado en el Vulcan y en el New Glenn es de metano de ciclo cerrado rico en oxígeno —el primer motor estadounidense de este tipo que ha volado—, con un único eje para la turbobomba, un diseño en teoría más ligero (recuerda que los motores full flow deben usar dos turbobombas con ejes independientes o, de lo contrario, no tiene sentido emplear este diseño). Entonces, ¿a qué se debe la moda de motores de flujo completo de metano? Una vez más, la respuesta es la reutilización. El full flow permite menores presiones en las turbinas y un tamaño inferior de la cámara de combustión, pero, sobre todo, es provechoso construir motores tan enormemente complejos y eficientes si sabemos que no se van a tirar al mar (bueno, por ahora la mayoría de Raptor sí ha acabado en el mar, pero nos entendemos).

Además del Raptor de SpaceX, otros motores full flow en desarrollo son el Zenith de Stoke Space, el Mjölnir de New Frontier Aerospace o el BF-20 de LandSpace con el que abrimos el artículo. ¿Y qué tienen en común todos ellos? Lo has adivinado: que son de metano. En definitiva, los motores de flujo completo están de moda gracias a que la reutilización ha impulsado el uso de metano como combustible. Asimismo, la reutilización permite justificar el desarrollo de motores tan complejos para la primera etapa de lanzadores potentes. En cualquier caso, bienvenidos a la era del full flow.