Cómo funcionan los motores de cohetes espaciales

Principio básico de funcionamiento: empuje y Ley de Newton

Todo motor de cohete se basa en la tercera ley de Newton: a cada acción (expulsión de gases) corresponde una reacción (empuje). En la cámara de combustión, la mezcla de combustible y oxidante arde a presiones y temperaturas extremas, generando un flujo de gas que se acelera al pasar por la tobera. Este chorro de gases ejerce una fuerza igual y opuesta sobre la estructura del cohete, impulsándolo hacia delante.

La ecuación de empuje generalizada F = ṁ·V_e + A_e·(p_e – p₀) cuantifica cómo la masa de gas expedida (ṁ), la velocidad de salida (V_e), el área de la tobera (A_e) y la diferencia de presiones entre el escape (p_e) y el ambiente (p₀) determinan el empuje total. Gracias a este principio, los cohetes funcionan en el vacío, donde no hay aire, porque llevan su propio oxidante y no dependen de la atmósfera para quemar combustible.

Componentes esenciales de un motor de cohete

Un motor de cohete típico consta de: la cámara de combustión, donde arde la mezcla de propulsores; el sistema de inyectores, que dosifica y distribuye la mezcla; las turbobombas, que elevan la presión del combustible y del oxidante; y la tobera, que convierte la energía térmica en energía cinética del chorro. Cada uno de estos subsistemas está optimizado para soportar temperaturas de miles de grados y presiones de decenas de bar.

Las turbobombas son verdaderas piezas de ingeniería: ejes giratorios a decenas de miles de RPM que envían millones de litros de combustible por minuto hacia la cámara de combustión. Para mantener la presión adecuada, algunos diseños emplean gas helio o incluso sistemas de auto-presurización, como los introducidos en SpaceX Starship para eliminar tanques y hipergólicos.

Cohetes químicos: sólidos, líquidos e híbridos

Los cohetes químicos se dividen en tres grandes familias. Los motores de combustible sólido contienen una mezcla precargada de combustible y oxidante en un sólido compacto; al encenderlo, arde de forma continua hasta consumir todo el material. Son simples, fiables y de gran empuje, como los SRB del Transbordador Espacial que entregaban 5,3 millones de libras de empuje en el despegue. Asimismo, cada SRB albergaba más de 450 000 kg de propulsor sólido a base de aluminio y perclorato de amonio para proporcionar el empuje inicial.

Por su parte, los motores de propulsión líquida cuentan con tanques separados de combustible y oxidante y usan turbobombas para inyectarlos en la cámara. Permiten controlar el empuje en tiempo real y, mediante técnicas de reutilización, ofrecen un alto rendimiento específico. La categoría híbrida mezcla ambas tecnologías: el combustible sólido se canaliza con un oxidante líquido, equilibrando simplicidad y control.

Ciclos de combustión y rendimiento: impulso específico y ecuación del cohete

El rendimiento de un motor se mide por su impulso específico (I_sp), el tiempo que un motor genera un newton de empuje usando un kilogramo de propelente, o bien por la velocidad efectiva de escape del gas. Valores típicos en motores LH₂/LOX alcanzan los 450 s (≈4,4 km/s), frente a los ~300 s de químicos a base de queroseno.

La ecuación del cohete (Δv = I_sp·g₀·ln(m₀/m_f)) relaciona la velocidad alcanzable (Δv) con la masa inicial (m₀), la masa final (m_f) y el impulso específico. Dado que para órbita terrestre baja (~9,4 km/s), la proporción m₀/m_f ronda 10:1, alrededor del 90 % de la masa en el lanzamiento es propelente.

Motores criogénicos y ciclos avanzados

Los motores criogénicos emplean hidrógeno (−253 °C) y oxígeno líquido (−183 °C) para maximizar la densidad de los propelentes y la energía de combustión. Son la base de los impulsores de alto rendimiento: el RS-25 del Transbordador y el Vulcain de Ariane 5 funcionan con ciclos de combustión por etapas o generadores de gas que permiten presiones de cámara superiores a 100 bar y I_sp de 453 s en vacío.

Existen tres ciclos principales: generador de gas (barato y robusto), expansión (ideal para etapas superiores de empujes bajos) y combustión por etapas (el más eficiente, aunque complejo). La última generación, los motores de flujo totalmente por etapas, añade dos prequemadores para optimizar aún más la transferencia de energía, como el Raptor de SpaceX con metano y oxígeno.

Propulsión eléctrica y tecnologías emergentes

Más allá de la química, la propulsión eléctrica aprovecha energía solar o nuclear para ionizar gases nobles (xenón, criptón) y acelerarlos mediante campos eléctricos o magnéticos. Un ejemplo es el Dawn de la NASA, que con menos de 1 N de empuje y 10 kW de potencia tardó años en alcanzar el cinturón de asteroides, pero ofreció maniobras continuas imposibles con cohetes químicos.

Para misiones lunares, el módulo Power and Propulsion Element (PPE) de la Gateway usará 60 kW eléctricos, cuatro veces más que sus predecesores, permitiendo reubicar la estación en distintas órbitas. A futuro, se plantean sistemas de propulsión nuclear térmica (NTR) que calentarían hidrógeno a velocidades >8 km/s y compaginarían lo mejor de ambos mundos: empuje moderado y alto I_sp.

Desafíos de diseño y técnicas de refrigeración

El principal reto en un motor químico es disipar los 3 000–3 500 °C de la combustión. Para ello se emplean técnicas de refrigeración regenerativa, donde el combustible circula por conductos alrededor de cámara y tobera antes de llegar al inyector, absorbiendo calor y evitando el colapso térmico de la estructura.

A su vez, el diseño de aleaciones avanzadas (como el GRCop-42 de NASA Glenn), junto a métodos de fabricación aditiva, ha permitido optimizar los canales internos y aumentar la vida útil del motor, al tiempo que se reducen peso y costes de producción.

Historia y misiones emblemáticas

Hitos como el F-1 del Saturn V, con 7,7 MN de empuje y I_sp de 263 s; el RS-25 de 470 t de empuje en vacío y 453 s; o el RD-180 de 3,9 MN y 338 s en queroseno, muestran la evolución de la propulsión química. Más recientemente, motores de metano/oxígeno como el Raptor (thrust-to-weight >150) y el BE-4 de Blue Origin demuestran las ventajas de nuevos ciclos y propelentes.

En Europa, el Vulcain 2.1 impulsa Ariane 6 con técnicas de 3D printing y la familia Prometheus de ESA, probada en Themis, aporta reutilización y rango de empuje variable (30–110 %), anticipando un futuro de motores modulares y económicos.

Conclusión

El conocimiento profundo de los motores de cohetes, desde su principio físico hasta las complejas técnicas de refrigeración y los nuevos ciclos, es clave para las futuras exploraciones. Como exploramos en el episodio 0 de Astro Podcast, estos avances posibilitan misiones lunares, marcianas y más allá. Si queréis profundizar en este apasionante viaje por la propulsión espacial, escuchad el Ep. 60 – DE MOTORES Y COHETES, donde debatimos en detalle cada uno de estos conceptos y sus implicaciones.

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Fuentes

• Rocket Thrust - NASA Glenn Research Center, 24 de junio de 2024
• Ideal Rocket Equation - NASA Glenn Research Center, 21 de noviembre de 2023
• The Propulsion We’re Supplying, It’s Electrifying - NASA, 10 de diciembre de 2024
• Rocket engine - Wikipedia, consultado el 16 de mayo de 2026
• Cryogenic rocket engine - Wikipedia, consultado el 16 de mayo de 2026
• Regenerative cooling (rocketry) - Wikipedia, consultado el 16 de mayo de 2026
• Prometheus - ESA, 22 de junio de 2023