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Lecciones sobre cohetes y misiles

Lo que podrá encontrar el lector en este artículo son unas breves disquisiciones acerca de lo que significan algunos términos que se deslizan en toda literatura sobre cohetes y misiles, tanto relativos a denominaciones y clasificaciones, como a conceptos técnicos relacionados con su constitución interna, sin los cuales difícilmente se comprende adecuadamente el alcance de los documentos y las circunstancias de todo tipo que rodean su diseño, financiación, construcción y empleo.

La semántica

El concepto de cohete es sobradamente conocido, incluso de forma intuitiva, por ser un elemento familiar asociado a festejos y  celebraciones. En esencia es un cuerpo susceptible de moverse, y que lo hace autopropulsado, como reacción al escape de los gases de una combustión autónoma que se produce en su interior. Siguiendo la Ley de Newton de acción y reacción, el cohete recibe un empuje continuado mientras dura la combustión (de los elementos combustible y oxidante o comburente que lleva en su interior) y consiguiente salida de gases. Como contraposición, un proyectil de artillería clásica recibe un impulso instantáneo en la recámara del cañón. Por lo tanto, al hablar de cohetes nos referimos, fundamentalmente, a una forma específica de propulsión autónoma a reacción, la cual no necesita del aire atmosférico, como es el caso de los motores térmicos (de hélice, turborreactores, estatorreactores, etc.).
Un misil (del latín enviar, arrojar) queda caracterizado por ser un móvil autopropulsado, bien por un motor cohete, térmico, eléctrico, u otros sistemas, cuyos movimientos pueden ser controlados sin necesidad de ir tripulado. Su concepto implica, pues, control a distancia del móvil.

El cohete

Por su naturaleza, en un cohete se dan las siguientes características:
• Funciona en ausencia de aire, y, por lo tanto, en el vacío, en el agua, etc.
• Su empuje es independiente, en la práctica, del medio exterior y de la velocidad de vuelo.
• El empuje por área frontal es el mayor de todos los motores conocidos.
• Mientras quede combustible la velocidad seguirá aumentando.
• La altura que pueden alcanzar solo depende de la cantidad de propulsante (conjunto del combustible y del oxidante) que pueda acarrear.
• La velocidad a la que se consume el propulsante es siempre superior a la de los demás motores a reacción.

foto: Lanzadores de origen soviético haciendo fuego en Líbano, en agosto de 1982.

En función de que el combustible y el oxidante se almacenen en el interior del cohete juntos o separados, al motor se le denominará:
• Monopropulsante, cuando el componente químico (sólido o líquido) es puro, llevando en sus moléculas todos los elementos necesarios para la reacción química exotérmica, bien por combustión, bien por descomposición.
• Los bipropulsantes son generalmente los que emplean dos líquidos, combustible y comburente, separados físicamente hasta el momento de la reacción.
• Los tripropulsantes utilizan un combustible más que los anteriores, generalmente para aumentar el rendimiento del motor.
El motor cohete, según el propulsante que emplee podrá ser de combustible sólido, líquido, o híbrido (o litergol, mezcla de los dos).
Por tratarse de los generalmente empleados en España, solo hablaremos aquí de los de combustible sólido. Estos funcionan siempre a una presión superior que los líquidos en la cámara de combustión. En general, los motores cohete de combustible sólido son más sencillos, seguros, ligeros y manejables que los de combustible líquido.

El motor cohete de combustible sólido
Un motor cohete (rocket, en inglés) es, en esencia, un tubo cerrado (cámara de combustión) en el que se quema el propulsante, escapando los gases por una abertura producida en una de las bases del cilindro, lo que produce, por reacción, un empuje en sentido opuesto.

Se trata de una máquina que transforma el calor liberado en energía cinética.
El gas que sale por los bordes de la abertura antedicha sufriría pérdidas  de presión y velocidad a causa de las turbulencias que se generan por la brusca disminución del rozamiento del flujo del gaseoso con las paredes del tubo. Para evitar las turbulencias la superficie de salida recibe unos contornos suaves, generalmente en forma de Tobera de De Laval, consistente en un estrechamiento
convergente/divergente. Por la acción de la misma, además, se producen unas fuerzas supletorias de empuje en la cara divergente de la misma, a la vez que la corriente de gases que llega a la parte convergente con velocidad subsónica, atraviesa el cuello o garganta de la tobera a velocidad sónica y sale por la divergente con velocidad supersónica. A continuación, el penacho o chorro libre abandona el cohete formando la pluma luminosa, la cual presenta unas zonas más o menos oscuras en función de las dilataciones y compresiones que sufre el gas.
A modo de aproximación a los problemas de diseño, puede decirse que el empuje total que recibe un cohete, con tobera adaptada para que la presión de los gases de salida equilibre a la presión atmosférica externa (relación de expulsión óptima), es igual al producto de la masa de los gases que atraviesa la tobera en un instante dado (caudal máximo o gasto) por la velocidad de los mismos. En el caso de toberas no adaptadas, hay que añadir un sumando corrector formado por el producto de la superficie de la sección de salida de la tobera multiplicado por diferencia de presiones entre la de salida y la exterior.
El empuje teórico viene modificado, en la práctica, por las pérdidas de calor en el conjunto del cohete, las fricciones en la tobera y las variaciones de la presión de la combustión. Por otra parte, cuanto menos caudal másico atraviese la tobera, mejor funcionará el cohete.

foto: “Órgano Stalin”, de la SGM, modernizado por Checoesiovaquia en los años 60. Consta de 32 tubos de lanzacohetes de 130 mm.

Trasluce de todo lo anterior la extraordinaria importancia que posee el diseño y fabricación de la tobera. Hay también que considerar el obligado y complicado empleo de materiales refractarios (metales refractarios, grafito, productos cerámicos, materiales compuestos a base de nitruros y carburos, etc.) y aceros de alta calidad, debido a los grandísimos esfuerzos que se producen en su superficie relativos a la resistencia a la erosión a altas temperaturas, resistencia mecánica, choque térmico y ataque químico, etc.
Así mismo, en la propia cámara de combustión hay que tener en cuenta esas agresiones a las paredes, además de procurar evitar pérdidas de empuje por transmisión de calor entre el gas y las paredes, mediante revestimientos especiales basados en principios de refrigeración, traspiración, ablación, etc. Y todo ello sin olvidar la necesidad de ahorrar peso para ganar alcance, lo que en ocasiones lleva a emplear materiales compuestos.

Las pólvoras y el grano
A los propulsantes sólidos se les denomina pólvoras o propergoles y, con relación a ellos, base a todo ingrediente explosivo que entre a formar parte de los mismos, y grano a cada bloque en que está dispuesto el propulsante, mientras que la suma de varios granos compone una carga.
Los propulsantes sólidos se llaman también monopropulsores, pues en la sustancia que forma el grano encontramos todos los elementos necesarios para la combustión; pueden ser simples u homogéneos si los mismos se encuentran en una misma molécula (caso de la nitroglicerina, la nitrocelulosa, etc; cuando son mezclas de las dos reciben el nombre de doble base), o, más corrientemente, compuestos o heterogéneos, si comburentes/oxidantes (normalmente una sal mineral oxigenada del tipo perclorato de amonio) y combustibles (aluminio, carbono, asfaltos, resinas sintéticas, etc) cuando están íntimamente mezclados.

foto: Laboratorio de Guiado  y Electroóptica, o de misiles,  del INTA, en 1991.

Casos muy conocidos son los de las pólvoras coloidales NSD. de doble base o balistitas (nitrocelulosa disuelta con nitroglicerina sin ningún otro disolvente), las cuales tienen la limitación de no permitir la fabricación de granos de gran diámetro y longitud por las características de las prensas de extrusión; las compositas, o compuestas, de base no nitrocelulósica (mezcla de un alto polímero o material plástico con una sal del tipo perclorato), que posibilitan la construcción de granos de grandes dimensiones; los caracterizados por ligantes del tipo polibutadienos (resinas sintéticas, poliésteres y elastómeros), como las NDRC (National Defense Research Committe norteamericana) a base de picrato de amonio, nitratro sódico y una resma aglutinante, y los HTPB (Hidroxilo PoliButadieno) y, más modernamente, las nitraminas.
Con objeto de conseguir unos propulsores obtenibles fácil y económicamente, de manejo sencillo y seguro, con un encendido y combustión uniforme, estables (no higroscópicos, no inflamables, etc.), y que no produzcan humos (para evitar ser detectados por el enemigos y facilitar el guiado óptico propio), es fácil imaginar la cantidad de aditivos que se añade al propulsante básico.
Pero además de la composición del grano, resulta fundamental su forma. Con pólvoras idénticas pueden obtenerse unas producciones de gases (gasto) muy diferentes, con las consiguientes variaciones del rendimiento del motor, según sea la superficie de combustión.

foto: Motor “probeta” en un banco de pruebas. ​

La geometría del bloque define la Ley del Empuje que enlaza el mismo con el tiempo que dura la combustión. Eligiendo una adecuada geometría del grano se puede obtener, mientras dura el motor encendido, un empuje creciente (o progresivo), constante (neutro), o decreciente (regresivo). La superficie de la pólvora que no debe quemarse es protegida por una sustancia inhibidora y, en tal caso, la combustión recibe el nombre de restringida. Todo ello lleva a una variedad de posibles formas muy elevada.
Por último, hay que considerar las técnicas de fabricación del grano para acabar de tener una visión adecuada del problema. Estas pueden ser:
• Extrusión. Consiste en forzar a la materia propulsante a pasar a través de una matriz.
• Fusión. Colándolo en moldes apropiados, los cuales pueden ser el propio inhibidor o las paredes de la cámara de combustión.
• Moldeo. Se emplea en casos de combustibles muy viscosos (polisobutileno, etc.).
Compresión.

Otro tipo de motores
Además de los motores de explosión accionando hélices y los turborreactores (reactores o jet), existen otros tipos de motores atmosféricos susceptibles de ser empleados en misiles.
El pulsorreactor, utilizado en la V-1 , es un motor que necesita estar en movimiento para iniciar su encendido, requiriendo un sistema auxiliar para catapultarlo. A su sencillo funcionamiento, empleo de combustibles baratos, poco peso y facilidad de construcción, añaden la faceta negativa de su limitada velocidad (800 km/h.) y techo (4 km.). Su principio de acción está basado en un tubo abierto por su parte posterior, y alternativamente bloqueado en la anterior por una pared de válvulas de admisión de tipo mariposa (que se cierran momentáneamente por efecto de la explosión), en el que se inyecta y da fuego una mezcla de combustible. La presión del aire exterior vuelve a abrir las válvulas, expulsando los restos de gases y admitiendo nuevo oxígeno.

foto: Un misil aire-aire al que no le dieron tiempo para hacer su trabajo.

El estatorreactor, flujorreactor o ramjet es también un motor sencillo y de poco peso, aunque igualmente necesita un motor de lanzamiento auxiliar (acelerador) para arrancar. Pueden alcanzar velocidades de hasta 5 veces la del sonido (Mach) a alturas de hasta 35 km. Su nombre se debe a que no tienen ninguna pieza móvil en su interior. Consisten en un simple tubo abierto por sus dos extremos, con un estrechamiento interior (para aumentar la presión del aire) en el que se inyecta el
combustible y se quema; la propia presión del aire que penetra por su boca (al desplazarse a velocidades supersónicas) produce la obturación de la parte anterior de la cámara de combustión.
Un tercer sistema es el estatocohete, mezcla de un cohete de combustible sólido con insuficiente oxidante, con un estatorreactor. Los gases producidos por el cohete, a temperaturas de unos 1.0000 centígrados y aun ricos en combustible, al mezclarse con el aire atmosférico en la cámara del estatorreactor, producen un fuerte incremento del empuje.

El guiado
Al ser el elemento imprescindible del misil, merece ser considerado brevemente. Hay que distinguir entre guía y control.
— Sistema de control. Es el conjunto de elementos que actúan sobre los medios físicos que gobiernan el misil, ya sean superficies de control (alas, alerones, timones, etc.), ya las toberas de los motores, ya otros medios de maniobra, obedeciendo las señales de mando del sistema de guía. Componentes del mismo son los acelerómetros, giróscopos, calculadores y servosistemas.
— Sistema de guía. Es el conjunto de elementos empleados para determinar la posición del misil en el espacio, con relación al blanco, y originar los cambios de ruta necesarios para interceptarlo y destruirlo.
Dado que son conceptos muy empleados mucho en las publicaciones que hablan de misiles, hay que distinguir entre procedimientos y métodos de guía.

foto: Los clásicos tubos múltiples del “Blowpipe”

Aunque teóricamente un misil puede alcanzar un blanco siguiendo cualquier trayectoria, en la práctica se trata que ésta sea una predeterminada y lo más acorde posible con las características de los sistemas de guía y control que lo gobiernan. Así, los procedimientos de guía son las formas ó modos de obligar al misil a seguir una trayectoria tipo predeterminada, y guardan estrecha relación con la dirección de tiro (DT) y demás elementos de hardware. Por su parte los métodos de guía son los basados en las correspondientes ecuaciones que se correlacionan con estas trayectorias.
Procedimientos o modos de órdenes:

-TELEGUIA: La elaboración de órdenes de guía se hace a distancia siendo transmitidas al misil por medio de señales originadas en la DT. Puede ser:

Directa: La detección y elaboración de órdenes tienen lugar fuera del misil. El sistema de referencia de coordenadas es externo. DividiÉndose, a su vez, en:

Manual: La detección la hace el hombre, quién también da las órdenes al misil. Caso del Blowpipe.

Semiautomática: Detección por elementos (radares, etc.) separados, uno para el misil y otro para el blanco 300B. (a veces es el hombre para este último). Ordenes el calculador. Es el sistema del NIKE y Roland Tiempo Claro.

Automática: Un único detector, con doble circuito receptor, uno para avión y otro para misil. Caso del Roland Todo Tiempo.

lndirecta: La detección del objetivo la hace el propio misil, normalmente por televisión, y se toma como referencia el mismo misil. Las imágenes se envían al sistema de guía, que es quien manda las órdenes a los demás elementos del misil.

-AUTOGUIA: La elaboración de órdenes se hace en el propio misil por medio del autodirector. Se clasifica en directa e indirecta:

Directa (Persecución Automática). El sistema referencia es el objetivo. La medida de la posición relativa blanco-misíl y la elaboración de órdenes se hace en el misil, quien, por otra parte, para ver al blanco necesita, en ocasiones, que se lo iluminen. Se distinguen tres tipos

Activa. Cuando el propio misil ilumina con sus radiaciones electromagnéticas al objetivo, captando la energía reflejada por el blanco. Caso del Standard de la Armada.

 Semiactiva. La energía captada por el misil es la que, proyectada por el iluminador de la DT, es reflejada por el blanco. Casos del Hawk y del Aspide.

Pasiva. La energía captada por el misil es la emitida por el propio blanco (IR o UV). Caso del Mistral.

Indirecta: El sistema de referencia en este caso es externo al misil y al objetivo.

Puede ser:

inercial: (normalmente para blancos fijos). La posición del misil se determina, en la dirección y distancia prefijada, por acelerómetros y giróscopos.

Por Haz: El radar está ligado al lanzador, limitándose el misil a cabalgar sobre el haz radar que, permanentemente, sigue al blanco. El misil detecta sus posibles salidas del haz y las corrige.

foto: Experimentando con la cabeza de guiado terminal de un MLRS. ​

Las trayectorias tipo, o métodos, son:

 PERSECUCIÓN (CARRERA DE PERRO): El vector de velocidad del misil apunta constantemente al blanco y el impacto se produce por la cola del mismo. Las hipótesis simplificadoras son que el blanco va en ruta rectilínea, y que las velocidades del mismo y del misil son constantes. Los misiles han de tener gran maniobrabilidad y llegan a alcanzar 20 g’s (veces la aceleración de la gravedad) en aceleración transversal.

COLISIÓN: Consistente en que la línea que une el misil con el blanco se mantenga paralela a sí misma en todo momento. Las hipótesis restrictivas que se utilizan para simplificar son suponer que el avión y el misil llevan una ruta rectilínea y velocidad constante para. Es la trayectoria ideal, pues el misil no sufre aceleraciones transversales.

NAVEGACIÓN  PROPORCIONAL: Dado que el método anterior es muy difícil de seguir en la práctica, pues lo normal es que el blanco (avión, carro, etc.) varíe su ruta teniendo el misil que hacer lo mismo, hay que introducir una serie de correcciones. En este método se determina el ángulo A que forma la recta misil-objetivo con respecto a un origen cualquiera, y el ángulo B que el vector velocidad del misil forma con ese mismo origen, estableciendo una ley de guiado tal que la variación de B con relación al tiempo sea proporcional a la variación de A con relación al mismo, haciendo girar el misil proporcionalmente a la velocidad de variación del giro de la a línea misil-objetivo. Las hipótesis son iguales que en el caso anterior, salvo que la ruta del avión no es recta. En resumen, se trata de que el blanco siga una trayectoria de colisión y si, por cualquier causa, pierde esa condición, que vuelva a ella mediante navegación proporcional. Si no es así, la aceleración transversal aumentaría de forma prohibitiva.
Los tres métodos anteriores son propios, como se verá, de los procedimientos de Autoguía Directa y Teleguía Indirecta.

ALINEAMIENTO: Consiste en mantener alineados el misil, el objetivo y el seguidor. Se supone que el blanco sigue una ruta rectilínea y que avión y misil mantienen la velocidad constante.

Clases de misiles
Las clasificaciones son muy diversas, pero son generalmente admitidas las siguientes:
Los misiles, por su empleo, pueden ser (y discúlpesenos esta sopa de letras que solo pretende ser una necesaria guía ante la peligrosa proliferación de siglas):

 SSM: Superficie-Superficie. Incluyen los contracarro (MCC) , los misiles crucero lanzables desde tierra (GLCM) y los ATACMS (tácticos de Ejército). No hay que confundir con los lanzacohetes múltiples MLRS.
SAM: Superficie-Aire. Podemos incluir aquí a los antimisiles balísticos ABM y ATBM (táctico), conjugando la defensa antimisil (BDM).
ASM: Aire-Superficie (bombardeo). Pueden ser ALBM (balístico), ALCM (de crucero), ALARM (antirradiación), HARM (antirradiación de gran velocidad), CASM y SLAM (lanzados a gran distancia, o stand-off), etc.
AAM: Aire-Aire (combate aéreo). El ARMAAM (avanzado de alcance medio) es uno de ellos.
SUGM: Superficie-Submarino.
UAM: Submarino-aire.
USGW: Submarino- Superficie.
UUGW: Submarino-Submarino.

Por su trayectoria, los misiles SSM para grandes alcances pueden ser balísticos o de crucero según que la mayor parte de la misma sea de vuelo libre (o trayectoria balística), o siga una variable similar a la de un avión. En un misil balístico la trayectoria se descompone generalmente en tres fases:

-Inicial. Es propulsada por el motor y guiada (generalmente inercial); termina generalmente con el corte del motor, o el frenado aerodinámico del misil después del agotamiento de su combustible, precisamente en el punto exacto calculado para el comienzo de la fase siguiente.
-Intermedia. Es la de trayectoria balística pura, o con muy pequeñas correcciones, en parte debido a no ser necesarias, ya que puede considerarse que no hay atmósfera que interfiera el vuelo a esas altitudes.
-Terminal o Final. Comienza cuando el misil vuelve a entrar en la atmósfera. Puede ser activa (radar), pasiva (TV, IR), o semiactiva (telecontrol, radiotelemetría, iluminación por laser, etc), apoyándose en el terreno o sideral, etc.

La V-2, por ejemplo, recorría los 330 km. de su alcance máximo en 5 minutos, superando los 80 km. de apogeo, y picando a más de 4 Mach.

Por su alcance, los misiles balísticos, dentro de las múltiples clasificaciones que se han aplicado a lo largo del tiempo, la mayoría basadas en distancias medidas en millas náuticas, se considera que son:
Tácticos si su distancia máxima de empleo son los 500/800 km.; la cifra de 600 km. corresponde a los denominados SRBM, o misiles balísticos de corto alcance.
De Alcance Intermedio o De Teatro, cuando no sobrepasan los 5.500 km. Se subdividen en MRBM (alcance medio, hasta los 2.400 km.) e IRBM (de alcance intermedio propiamente dicho, hasta los 5.500); otras clasificaciones fijan un alcance de 1.300 km. para los MRBM y 3.500 para los IRBM.
Y Estratégicos o Intercontinentales (ICBM) a partir de esa distancia y hasta los 10 ó 15.000 km.; en concreto, serán Intercontinentales si llegan a los 8.000 y Transcontinentales si alcanzan los 18.000 km. En este apartado se encuadran los SLBM lanzados desde submarino y los LRCM, que son misiles crucero de lanzamiento naval. Los ACM son misiles de crucero avanzados.

Revista Defensa extra nº 66 (José María Manrique, M. A. Martínez Sevilla y Santiago Sánchez Renedo)

foto: Control de las cabezas de misiles antipista “Apache’

 


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