El Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA funciona con una mezcla de hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Juntos, estos elementos proporcionan un propulsor de cohetes compacto y extremadamente potente, pero estos mismos atributos son también los que hacen que este combustible sea una desventaja.
El segundo intento de lanzamiento de SLS tuvo que ser cancelado el sábado 3 de septiembre, después de que los ingenieros no pudieran resolver una fuga de hidrógeno en una desconexión rápida: una entrada de 8 pulgadas que conecta la línea de combustible de hidrógeno líquido a la etapa central del cohete. Como resultado del revés, SLS probablemente no se lanzará hasta octubre como pronto. los Artemisa 1 misiónen el que una nave espacial Orion sin tripulación viajará a la Luna y regresará, tendrá que esperar.
Los equipos de tierra pudieron reparar una fuga de hidrógeno durante el primer intento fallido de lanzamiento el lunes 29 de agosto, pero el lanzamiento finalmente se canceló después de que un sensor defectuoso indicara erróneamente que un motor no había alcanzado la temperatura ultrafría requerida. La fuga del sábado resultó ser mucho más difícil de contener, ya que los ingenieros intentaron tres arreglos, ninguno de los cuales funcionó. “Esta no fue una fuga manejable”, dijo Mike Sarafin, gerente de la misión Artemis, a los periodistas después de la limpieza.
La NASA aún está evaluando sus próximos pasos, pero el cohete debe regresar al edificio de ensamblaje de vehículos para someterse a una verificación de seguridad obligatoria relacionada con su sistema de terminación de vuelo. El cohete puede requerir algunas correcciones de hardware debido a un comando involuntario que elevó brevemente la presión dentro del sistema. La sobrepresurización involuntaria puede haber contribuido al sello con fugas, y es algo que los ingenieros están evaluando actualmente como una posibilidad.
Heredar el problema del hidrógeno
Las fugas de hidrógeno no son nada nuevo para la NASA. Los lanzamientos de Scrubs of Space Shuttle ocurrieron con una regularidad inquietante y, a menudo, fueron el resultado de fugas de hidrógeno. Uno de los episodios más infames fue «el verano del hidrogeno”, cuando los equipos de tierra pasaron más de seis meses tratando de localizar una fuga de hidrógeno escurridiza que dejó en tierra la flota del transbordador en 1990. El SLS se basa en gran medida en el transbordador espacial, incluido el uso de propulsor de hidrógeno líquido, por lo que los lavados relacionados con el hidrógeno ciertamente podrían haber sido predicho. Pero SLS es lo que es, y la NASA no tiene más remedio que manejar esta limitación de su megacohete lunar.
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Jordan Bimm, un historiador espacial de la Universidad de Chicago, dice que la NASA continúa usando hidrógeno líquido por razones políticas más que técnicas.
“Desde la creación de la NASA en 1958, la agencia ha utilizado contratistas ubicados en los EE. UU. como una forma de mantener un amplio apoyo político y financiamiento para la exploración espacial en el Congreso”, me dijo Bimm. “El primer sistema que usó hidrógeno líquido fue el cohete Centaur desarrollado en las décadas de 1950 y 1960. En 2010, el Congreso de los EE. UU., en su ley de autorización de financiación de la NASA, ordenó que la Agencia utilizara las tecnologías existentes del transbordador en su sistema de lanzamiento de próxima generación”. A lo que agregó: “Esta fue una decisión política destinada a mantener los trabajos de contratistas en distritos políticos clave y de esa financiación y apoyo en el Congreso para la NASA”.
Este desarrollo significó que el motor RS-25 del transbordador espacial que se retiraba, junto con su dependencia de una mezcla de hidrógeno líquido/oxígeno líquido, tendría que trasladarse a SLS. En total, la NASA logró recolectar 16 motores de los transbordadores retirados, de los cuales cuatro están actualmente fijados al cohete SLS de pie en la plataforma de lanzamiento del Centro Espacial Kennedy en Florida.
Esta situación, dijo Bimm, es un recordatorio del eslogan de la película de 1983 Lo correcto: “No hay dólares, no hay Buck Rogers”. La NASA, dijo, “a menudo debe priorizar el apoyo político del Congreso para mantener su programa de exploración”. El uso continuo de motores RS-25 “es otro ejemplo de cómo algo tan mundano como la elección de combustible puede ser político y cuán a menudo las soluciones más sencillas y deseables no son políticamente viables para una gran agencia nacional creada en la era de la Guerra Fría de ‘Grandes Ciencia’”, dijo Bimm.
En lugar de optar por propulsores como el metano o el queroseno, la NASA optó por utilizar una mezcla de hidrógeno líquido y oxígeno líquido para impulsar su cohete de carga pesada. En comparación, el próximo Starship de SpaceX utiliza metano líquido, con oxígeno líquido como oxidante. “Con la vista puesta en Marte, SpaceX seleccionó metano líquido con la esperanza de poder extraer este elemento [when] en Marte como una forma de utilización de recursos para ahorrar costos”, explicó Bimm. La agencia espacial de EE. UU., siempre con problemas de liquidez y teniendo que complacer a los políticos, estaba trabajando bajo un conjunto diferente de principios al diseñar SLS.
“Con base en la información y el análisis actuales, la [proposed SLS design] representa los costos más bajos a corto plazo, el más pronto disponible y el camino de menor riesgo general para el desarrollo del próximo vehículo de lanzamiento doméstico de carga pesada”, escribió la NASA en un informe de 2011. informe preliminar del proyecto. «Seleccionar esta arquitectura SLS significaría que no sería necesario desarrollar un nuevo motor líquido a corto plazo, lo que acortaría el tiempo hasta el primer vuelo y probablemente minimizaría el costo general… del SLS».
La ironía es que SLS, que se suponía que volaría en 2017, aún no se ha lanzado, y sus costos totales de desarrollo, incluida la tripulación de Orion capsula, tener ahora supera los 50.000 millones de dólares. Eso excluye el costo estimado de $ 4.1 mil millones vinculado a cada lanzamiento de SLS. Y al heredar los componentes del transbordador espacial, la NASA también heredó el problema del hidrógeno.
Una molécula beneficiosa pero molesta
El hidrógeno es extremadamente útil como combustible para cohetes. Está fácilmente disponible, es limpio, liviano y, cuando se combina con oxígeno líquido, se quema con extrema intensidad. “En combinación con un oxidante como el oxígeno líquido, el hidrógeno líquido produce el mayor impulso específico, o eficiencia en relación con la cantidad de propulsor consumido, de cualquier propulsor de cohete conocido”. de acuerdo a a la NASA Cuando se enfría a -423 grados Fahrenheit (-253 grados Celsius), el hidrógeno se puede meter en un cohete, ofreciendo una enorme cantidad de combustible por el dinero. “Las ventajas del hidrógeno líquido como combustible es su eficiencia para almacenar la energía que desea liberar para impulsar el cohete, así como su bajo peso, que siempre es una consideración en los vuelos espaciales”, dijo Bimm.
La segunda etapa del cohete Saturno de la era Apolo de la NASA utilizó hidrógeno líquido, al igual que los tres motores principales del transbordador. El hidrógeno se usa comúnmente para las segundas etapas (el cohete Ariane 5 de carga pesada de Europa es un buen ejemplo) y como combustible líquido necesario para maniobrar naves espaciales en órbita. Los cohetes que actualmente utilizan hidrógeno líquido incluyen el Centaur de Atlas y los Delta III y IV de Boeing, mientras que los motores BE-3 y BE-7 de Blue Origin también utilizan hidrógeno.
“Las desventajas del hidrógeno son que es muy difícil moverlo y controlarlo debido al pequeño tamaño molecular del hidrógeno que provoca fugas y la necesidad de mantenerlo en un estado líquido que requiere enfriamiento a temperaturas extremadamente bajas”, dijo Bimm. Además, el hidrógeno es altamente volátil cuando está en estado líquido, y puede quemarse en grandes cantidades. As el elemento más ligero conocido, también tiene muchas fugas. NASA explica los muchos desafíos de usar hidrógeno líquido como combustible:
Para evitar que se evapore o hierva, los cohetes alimentados con hidrógeno líquido deben aislarse cuidadosamente de todas las fuentes de calor, como el escape del motor del cohete y la fricción del aire durante el vuelo a través de la atmósfera. Una vez que el vehículo llega al espacio, debe protegerse del calor radiante del sol. Cuando el hidrógeno líquido absorbe calor, se expande rápidamente; por lo tanto, la ventilación es necesaria para evitar que el tanque explote. Los metales expuestos al frío extremo del hidrógeno líquido se vuelven quebradizos. Además, el hidrógeno líquido puede filtrarse a través de diminutos poros en las costuras soldadas.
A pesar de estos desafíos, la NASA optó por el hidrógeno líquido al diseñar el SLS y ahora está pagando el precio.
Nuevo cohete, mismos viejos problemas
Al tanquear SLS, la entrada repentina de hidrógeno criogénico provoca cambios significativos en la estructura física del cohete. El tanque de hidrógeno de 40 metros (130 pies) de altura se encoge alrededor de 152 mm (6 pulgadas) de largo y alrededor de 25,4 mm (1 pulgada) de diámetro cuando se llena con el líquido ultrafrío. de acuerdo a a la NASA Los componentes conectados al tanque, como conductos, líneas de ventilación y soportes, deben compensar esta contracción repentina. Para lograr esto, la NASA utiliza conectores con fuelles en forma de acordeón, juntas ranuradas, secciones telescópicas y bisagras de rótula.
Pero el hidrógeno, la molécula más pequeña del universo, a menudo encuentra su camino incluso a través de las aberturas más pequeñas. Las líneas de combustible son particularmente problemáticas, ya que no se pueden atornillar al cohete. Como su como sugiere su nombre, las desconexiones rápidas, si bien proporcionan un sello hermético, están diseñadas para liberarse del cohete durante el lanzamiento. Este sello debe evitar fugas bajo altas presiones y temperaturas ultra frías, pero también debe soltarse cuando el cohete despega. El sábado, una fuga en las cercanías de la desconexión rápida alcanzó concentraciones mucho más allá de la restricción del 4 %, excediendo los límites de inflamabilidad de la NASA. Incapaz de resolver la fuga, la NASA llamó a la limpieza.
El hecho de que la NASA aún tenga que alimentar completamente la primera y la segunda etapa y profundizar en la cuenta regresiva es un motivo genuino de preocupación. La agencia espacial se ha ocupado de fugas de hidrógeno antes, por lo que es de esperar que sus ingenieros vuelvan a idear una solución para hacer avanzar el proyecto.
Aún así, es un comienzo frustrante para la era de Artemis. La NASA necesita SLS mientras busca un retorno permanente y sostenible al entorno lunar, y mientras contempla un futuro humano. misión a Marte. La NASA tendrá que hacer que SLS funcione, y es posible que tenga que hacerlo una limpieza agravante a la vez.