El BE-4 de Blue Origin y el Raptor de SpaceX: llega la era de los cohetes de metano | Astronáutica

El BE-4 de Blue Origin y el Raptor de SpaceX: llega la era de los cohetes de metano | Astronáutica

La compañía Blue Origin anunció el 19 de octubre que había llevado a cabo la primera prueba de ignición de su motor estrella, el BE-4 (Blue Engine 4), en sus instalaciones de Texas. La prueba es un paso fundamental en las ambiciones espaciales de la empresa del magnate Jeff Bezos. El BE-4 es un potente motor a base de metano y oxígeno líquido que debe servir para propulsar la joya de la corona de Blue Origin: el cohete pesado New Glenn. Este lanzador, capaz de situar 45 toneladas en órbita baja (LEO) y 13 toneladas en una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO), está destinado a convertirse en un rival del Falcon Heavy de la empresa SpaceX, que será capaz de colocar 64 toneladas en LEO y 27 en GTO (es casi seguro que las prestaciones del New Glenn mejorarán con el tiempo). Ambos serán los cohetes comerciales más potentes en servicio (dejando a un lado el SLS de la NASA, con una capacidad mínima de 70 toneladas en LEO en su versión Block 1). Pero sin duda la novedad es que el BE-4 usa metano como combustible. SpaceX también ha apostado por este compuesto para su motor Raptor, que debe equipar el futuro cohete gigante BFR y, quizás, futuras versiones del Falcon 9. ¿Qué tiene el metano de especial?

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Prueba del BE-4 de Blue Origin (Blue Origin).

El metano siempre se ha considerado una opción como combustible para lanzadores y a lo largo de la historia se han diseñado varios motores que usan este compuesto. Sin embargo, ninguno ha entrado en servicio. La razón es que el metano no presenta muchas ventajas en cuanto a prestaciones con respecto a los otros dos combustibles más usados en cohetes: el queroseno (normalmente del tipo RP-1) y el hidrógeno líquido. El metano es más eficiente —tiene mayor impulso específico (Isp)— que el queroseno, pero por muy poco, mientras que pierde claramente con respecto al hidrógeno en este terreno.

Pero el metano es menos denso que el queroseno (necesita tanques más grandes) y normalmente se quema con una mayor proporción de oxígeno líquido (LOX) que el queroseno, neutralizando así su escasa ventaja en Isp. Por otro lado, el metano es más denso que el hidrógeno y más fácil de manejar que este último, un compuesto que requiere complejas infraestructuras asociadas a las temperaturas extremadamente bajas necesarias para mantenerlo en estado líquido y tiene la desagradable tendencia a filtrarse por todos lados (las moléculas de hidrógeno son las más pequeñas). No obstante, la conclusión desde hace décadas es que, si no quieres o no puedes usar hidrógeno, el queroseno es una opción mucho más sencilla y menos arriesgada que el metano. Los motores de methalox no son rivales para los motores de kerolox. ¿Entonces a qué viene este renovado interés en el metano? La respuesta es la reutilización. El metano no se polimeriza durante la ignición del motor como lo hace el queroseno —o sea, deja menos residuos—, por lo que es más sencillo limpiar un motor de methalox antes de volver a usarlo, una característica muy valiosa cuando hablamos de reutilización.

Motor BE-4 (Blue Origin).
Motor BE-4 (Blue Origin).

Blue Origin comenzó a trabajar en el BE-4 en 2012 tomando como base el BE-3, un motor más pequeño a base de hidrógeno y oxígeno líquidos que propulsa el cohete suborbital New Shepard con el que Bezos quiere comerse el incipiente mercado del turismo espacial. El BE-3, a su vez basado en el mítico motor J-2 de la segunda y tercera etapas del Saturno V, también es reutilizable, pero como ya hemos visto el hidrógeno líquido no es una buena opción para reducir los costes en un lanzador orbital de gran tamaño. El salto del BE-3 al BE-4 ha sido más que considerable, lo que explica los numerosos retrasos en el programa. El BE-4 es cinco veces más potente que el BE-3 y supera en empuje al SSME/RS-25 del transbordador espacial y el SLS, aunque no llega a la potencia del RS-68 usado en el Delta IV —el motor criogénico más potente en servicio— o al elevado empuje de los motores rusos RD-171 o RD-180. Vale la pena señalar que, siendo puntillosos, el BE-4 no es exactamente un motor de methaloxya que quemará gas natural (LNG) y no metano, pero como el LNG es en su mayor parte metano esta diferencia puede obviarse a la hora de tratar este tema a nivel genérico.

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Motores BE-4 en la planta de Blue Origin en Texas (Blue Origin).

Precisamente la primera aplicación del BE-4 iba a ser el futuro cohete Vulcan de ULA (United Launch Alliance): dos motores BE-4 generan más o menos el mismo empuje que el RD-180 usado actualmente en el Atlas V de esta empresa, eliminando así la dependencia de Rusia. Sin embargo, la fuerza aérea estadounidense ha financiado estos últimos años el desarrollo del motor de kerolox AR-1 de Aerojet Rocketdyne como alternativa al RD-180 y ha presionado políticamente para que se use en el Vulcan. ULA debe decidir antes de final de año cuál de los dos motores será finalmente el elegido.

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Futuro cohete Vulcan de ULA. Podría usar dos BE-4 en su primera fase (ULA).

Está claro que, tanto si el Vulcan usa el BE-4 como si no, este motor tiene garantizado su futuro como planta motriz del New Glenn. Hasta siete BE-4 se instalarán en la primera etapa de este lanzador, mientras que la segunda etapa usará un único BE-4. Jeff Bezos ha invertido 2.500 millones de dólares de su fortuna personal en el New Glenn (!!), que despegará desde la rampa SLC-36 de la base aérea de Cabo Cañaveral, en Florida (Bezos quería lanzarlo desde la mítica rampa 39A de la NASA, pero SpaceX se hizo con el alquiler de estas instalaciones en 2014). Blue Origin ha construido una planta de montaje de lanzadores en el cabo, curiosamente muy cerca del centro de visitantes del Centro Espacial Kennedy de la NASA. Y, por cierto, hablando del New Glenn, Blue Origin decidió hace poco reemplazar la cofia original por una estándar de siete metros de diámetro para acomodar todo tipo de cargas útiles.

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Diseño actual del New Glenn con la cofia de 7 metros de diámetro (Blue Origin).
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Instalaciones de Blue Origin en Florida para el montaje del New Glenn. Arriba a la izquierda se aprecia el centro de visitantes del KSC y, en la lejanía, el famoso edificio VAB de la NASA (Blue Origin).

Como era de esperar, construir un motor tan complejo no ha sido tarea fácil para una empresa como Blue Origin, fundada en 2000. El proyecto ha acumulado retraso tras retraso y el pasado mayo surgió un problema durante una de las pruebas preliminares de los elementos del BE-4 que hicieron temer lo peor. Afortunadamente, la reciente prueba del 19 de octubre, durante la cual un BE-4 funcionó durante tres segundos al 50% de su empuje previsto, ha despejado todas las dudas y ahora hay más posibilidades de que este sea el motor elegido para el Vulcan de ULA.

Para SpaceX el desarrollo del Raptor no ha sido tampoco un camino de rosas. Los orígenes del Raptor se remontan a 2009, tres años antes que Blue Origin comenzase a trabajar en el BE-4. Por entonces no tenía un nombre asignado y sus características se filtraron junto a otras propuestas de motores avanzados que SpaceX estaba desarrollando dentro del marco del programa Merlin 2. En 2012 se confirmó el uso de metano como combustible, ya que hasta ese momento se barajaba que el Raptor fuese, como el Merlin del Falcon 9, un motor de keroloxaunque se suponía que debía ser un motor destinado únicamente a etapas superiores. Además de las ventajas con respecto a la reutilización, SpaceX justificó el uso del metano porque este compuesto podía producirse en Marte a partir de la atmósfera del planeta rojo.

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Diseño del Raptor de 2016, más potente que el actual (SpaceX).
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Comparativa entre los motores de SpaceX y Blue Origin.

En 2014 la empresa de Elon Musk anunció que el Raptor sería un motor muy potente, con un empuje del orden de 4.500 kN, pero ese mismo año se llegó a comentar que podría desarrollar hasta 7.000 kN, una cifra que lo situaba en la selecta liga de los motores de combustible líquido más potentes de la historia: el F-1 del Saturno V y el RD-170 del Energía/Zenit, ambos de kerolox. Al año siguiente Musk confesó que el Raptor solo desarrollaría 2.300 kN, lo que lo colocaba al mismo nivel que el BE-4 de Blue Origin. Al igual que el motor de Bezos, el Raptor es un motor de ciclo cerrado, pero mientras el BE-4 es rico en oxígeno, un diseño hasta ahora solo visto en motores rusos, el Raptor es de tipo FFSC (Full-Flow Staged Combustion Cycle). No obstante, puesto que la presión de la cámara de combustión es muy superior en el Raptor —30 MPa— que en el BE-4 —de 14 MPa—, el diseño de SpaceX es más eficiente y es fácilmente escalable si se desea fabricar versiones más potentes.

En 2016 Elon Musk presentó su grandioso plan para conquistar Marte con el supercohete ITS, capaz de colocar 300 toneladas en LEO gracias a 42 motores Raptor, que ahora se presentaba como un motor de 3.000 kN de empuje. Pero en la última iteración del plan de apenas hace un mes el ITS ha sido sustituido por el BFR, con 31 motores Raptor y una capacidad de 150 toneladas en LEO. El BFR no solo servirá para viajar a Marte, sino que también sustituirá a los Falcon 9 y Falcon Heavy para convertirse en el único lanzador de SpaceX. El nuevo Raptor ha vuelto a ver menguada sus prestaciones y ahora su empuje será de solo 1.700 kN, muy por debajo de su rival BE-4.

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El BFR, con 31 motores Raptor en la primera etapa y 6 en la segunda (BFS) (SpaceX).

A diferencia del BE-4, que ha sido desarrollado íntegramente con la fortuna de Bezos, el Raptor ha contado con la ayuda económica de la USAF, que en 2016 otorgó a SpaceX un contrato recientemente ampliado por el cual la fuerza aérea subvencionará el Raptor con más de cien millones de dólares (que, pese a todo, es una cifra muy inferior a los doscientos millones de capital público con los que la USAF está subvencionando el AR-1). Muchos analistas consideran que la reducción en empuje del Raptor podría estar orientada a la introducción de una versión del Falcon 9 o Falcon Heavy que lleve estos motores en vez de los actuales Merlin 1D de kerolox. Más persistentes son los rumores sobre una segunda etapa del Falcon 9 equipada con un Raptor. En todo caso, tanto SpaceX como Blue Origin han señalado que les resultaría muy sencillo crear versiones más potentes de sus motores. Veremos si es verdad.

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El Raptor en acción. SpaceX ha realizado más de 42 pruebas y ha acumulado más de 1200 segundos de funcionamiento con este motor (SpaceX).

Mientras, el resto del mundo asiste a esta carrera privada de los motores de methalox con cierta perplejidad. Hasta la fecha Rusia era el único país del mundo donde se habían fabricado motores de metano operativos. El RD-0162 de la empresa KBKhA es, con un empuje de 2.000 kN, un motor muy parecido en prestaciones al Raptor de SpaceX. Rusia quería emplearlo en el proyecto de lanzador reutilizable MRKN (Monogorázovaia Raketa Kosmícheskogo Naznachenia‘cohete espacial reutilizable’), antes conocido como MRKS. Además del RD-0162, KBKhA también ha creado los motores de methalox RD-0162SD, RD-0110MD y RD-0164. Lamentablemente, la situación de la economía rusa no ha permitido que el MRKN, financiado por los militares, avance como estaba previsto, a pesar de que oficialmente el proyecto sigue adelante. La empresa rusa RKTs Progress también estudió la posibilidad de crear un cohete de metano denominado Soyuz 5, pero ha dejado aparcados estos planes por el momento (para más confusión, el Soyuz 5 es actualmente una de las denominaciones del nuevo lanzador de kerolox que debe sustituir al Zenit y que también se conoce como Féniks o Sunkar).

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Modelo del MKRN ruso, un lanzador reutilizable a base de metano (TsAGI).
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Motor de methalox ruso RD-0162 (KBKhA).

Dejando a un lado Rusia, así como rumores no confirmados de varios proyectos chinos en esta línea, Europa no quiere quedarse atrás y ha iniciado de forma muy tímida el programa Prometheus para crear un lanzador reutilizable a base de metano. Prometheus nació como un proyecto conjunto entre el CNES francés y la empresa Airbus Safran Launchers, pero desde comienzos de este año se ha convertido en un programa bajo el paraguas de la ESA tras asignarle una financiación de cien millones de euros con el objetivo de que la primera prueba del motor tenga lugar en 2020. ¿Será entonces demasiado tarde?

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Proyecto de motor de metano europeo Prometheus (CNES).

Como vemos, no será por falta de opciones. La era de los lanzadores de metano está aquí para quedarse.

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