Los primeros experimentos de Goddard con cohetesEn 1915, siendo profesor asistente en la Clark University, Worcester, comenzó los experimentos sobre la eficiencia de los cohetes. Compró algunos cohetes comerciales y midió su empuje usando un péndulo balístico, una masa pesada suspendida por cuerdas, a la que sujetaba el cohete. Se encendía el cohete, y la altura a la que se elevaba el péndulo suministraba la medida del momento total (velocidad masa tiempo) comunicado.
Se puede mostrar, por las leyes de Newton, que el
momento total de un sistema libre de fuerzas exteriores se conserva; esta
es realmente otra formulación de la conservación del centro
de gravedad, mencionada en la discusión sobre la propulsión
del cohete. Por consiguiente, el momento dado al péndulo en una
dirección tiene que ser igual al momento mv comunicado al
chorro de gas del cohete y ese momento determina la longitud y la altura
de su oscilación. Pesando el cohete antes y después de su
encendido, Goddard pudo deducir la masa m de los gases expulsados
y de ellos deducir v. Para un cohete naval Coston, encontró
que v era de unos 1000 ft/sec (300 m/s).
¿Se podría mejorar?. Felizmente para Goddard, este problema
habia sido resuelto por Gustav De Laval, un ingeniero sueco de ascendencia
francesa. Probando el desarrollo de una máquina de vapor más
eficiente, De Laval diseñó una turbina cuya rueda giraba
mediante chorros de vapor.
El componente crítico, en el que la energía calorífica del vapor de alta presión procedente de una caldera se convertía en energía cinética, era la tobera desde la que el chorro soplaba sobre la rueda. De Laval encontró que la conversión más eficiente ocurría cuando la tobera primero se estrechaba, aumentando la velocidad del chorro hasta la velocidad del sonido y luego se ensanchaba de nuevo. Por encima de la velocidad del sonido (pero no por debajo) este ensanchamiento causaba un mayor aumento de velocidad del chorro y producía una conversión muy eficiente de la energía calorífica en movimiento. Hoy en día las turbinas de vapor son los equipos de potencia preferidos en las centrales eléctricas y el los grandes barcos, aunque normalmente tienen un diseño diferente, para hacer un mejor uso del rápido chorro de vapor; la turbina De Laval tenía que girar a una alta velocidad impracticable. Pero para los cohetes la tobera De Laval fue justo lo que se necesitaba. Goddard experimentó sobre el péndulo balístico con varios diseños de toberas, usando una pequeña cámara de combustión llena de un tipo de pólvora, encendida por electricidad. El final de la cámara estaba roscada para que pudieran atornillarse toberas de diferentes tipos y probarse. Usando una tobera De Laval, obtuvo velocidades de chorro entre 7000 y 8000 ft/sec y eficiencias de hasta un 63%. Luego reemplazó el péndulo por un aparato más compacto en el cual el empuje de los cohetes no elevaban un péndulo contra la gravedad, sino comprimían un muelle calibrado. Con este aparato mostró que (contrariamente a afirmaciones frecuentes) los cohetes trabajan también igual en el vacío. Como Goddard observó, esto hace a los cohetes la más eficiente
de la máquinas caloríficas, mejor que las máquinas
de vapor alternativas (21%) y motores Diesel (40%). No es para maravillarse:
de la 2ª ley de la termodinámica, la eficiencia teóricamente
alcanzable de una máquina calorífica aumenta con su temperatura
de operación, y no hay otra máquina calorífica que
funcione tan caliente como un cohete.
La tobera De Laval cambió los vuelos espaciales desde un vago sueño a una posibilidad real. Goddard comunicó sus resultados a la Smithsonian Institution en Washington y requirió ayuda para desarrollar un cohete capaz de investigar la alta atmósfera. Su proyecto original ( la "característica de recarga" en su lista de prioridades) era alimentar la cámara de combustión con trozos sólidos de combustible, en forma similar en como se alimentan los cañones con balas. En Enero de 1917 el Smithsonian respondió con una subvención de $5000, y Goddard comenzó su estudio y uso de los cohetes. Después de que Estados Unidos entró en la I Guerra Mundial,
Goddard también trabajó un corto tiempo sobre cohetes militares,
pero no se usó ninguno de sus diseños, aunque cohetes algo
similares a sus diseños se convirtieron, durante la II Guerra Mundial,
en un arma efectiva contra los tanques; fueron conocidas como bazookas.
Ese cohete prometía una gran eficiencia, pero también
poseía serios desafíos tecnológicos. Ambos fluidos
tenían que bombearse de forma estable, y uno de ellos, el oxígeno
líquido, era extremadamente frío. La combustión a
alta temperatura del oxígeno puro requiere materiales resistentes
al calor y para superar eso, Goddard desarrolló la técnica
de hacer que el oxígeno enfríe la cámara de combustión
en su paso desde el tanque de combustible. este método aún
se usa: en la foto superior, la parte exterior de la tobera está
cubierta con un gran número de tubos metálicos, a través
de los que el combustible frío fluye hacia la cámara de combustión.
Otro problema completamente nuevo que encontró Goddard fue la orientación
y el control del cohete en vuelo.
El 16 de Marzo de 1926, Goddard probó el vuelo de su primer cohete de combustible líquido. Pensó que obtendría un vuelo estable montando el cohete por delante del tanque de combustible, con el tanque protegido de la llama por un cono metálico y con las líneas para el combustible y el oxígeno traccionándolo por detrás: el diseño funcionó, pero no tuvo la estabilidad esperada. El cohete inició la combustión unos 20 segundos antes de alcanzar suficiente empuje (o suficiente aligeramiento del tanque de combustible). Durante ese tiempo se fundió parte de la tobera, y la cámara con la que Mrs. Esther Goddard estaba intentando grabar el vuelo se quedó sin filme, por lo que no existe una grabación de ese vuelo. Despegó hasta una altura de 41 pies, se niveló y cayó al suelo, todo en 2.5 segundos, dando un promedio de una 60 mph. El concepto de Goddard parecía validado, pero estaba muy lejos de ser un diseño práctico. Desafortunadamente trabajó solo, sin los recursos técnicos de una gran institución. En los años que siguieron continuó desarrollando sus cohetes, controlando su movimiento mediante giroscopios, dirigiéndolos con pequeñas cambios en el chorro escape, y construyendo cohetes mayores y más veloces. Fueron probados en pié sobre el suelo y en vuelo libre, la mayoría en el laboratorio de cohetes que construyó en Roswell, New Mexico. Pero la realización de su sueño recayó sobre otros que disfrutaron de ayuda militar ó nacional. Goddard, infelizmente, nunca vivió para ver la era espacial. Murió de cáncer el 10 de agosto de 1945 en Baltimore. |
