El corazón del Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA llegó al Centro Espacial Kennedy el pasado mes de abril como el primer cohete espacial profundo clasificado por humanos de la agencia en 50 años.
El cohete de etapa central de 212 pies, junto con un par de propulsores de cohetes sólidos y el módulo de tripulación Orion conforman en gran medida el Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS), con el que la NASA cuenta para sus programas Artemis 2026 regresa a la luna una hazaña de la agencia logrado por última vez con el Apolo 17 en 1972.
A pesar de las décadas entre los lanzamientos lunares tripulados, el SLS se basa en un caballo de batalla del programa de transbordadores. Montados en la parte inferior de la etapa central hay cuatro motores RS-25, anteriormente llamados Motor principal del transbordador espacial (SSME), suministrados por Aerojet Rocketdyne. Originalmente diseñados en la década de 1970, los motores son veteranos experimentados y mejorados, con 25 vuelos de transbordadores espaciales anteriores entre ellos. Entre los cuatro motores montados en el SLS se encuentran los números 2045 y 2060, ambos utilizados el 8 de julio de 2011 para lanzar la misión final del transbordador, STS-135. Doug Bradley estaba en el Centro Espacial Kennedy durante ese lanzamiento, trabajando como ingeniero jefe de Rocketdyne. He estado en muchos vuelos, pero fue diferente para el 135, dice Bradley. era electrico Fue un vuelo muy emotivo.
El retiro del transbordador espacial dejó a Rocketdyne con una acumulación de 16 motores, que la compañía suspendió. Fue triste, dice Bradley, verlos dados de baja cuando podrían haber volado docenas de misiones más.
Ahora, con el título de Gerente Adjunto de Programas en Aerojet Rocketdyne, Bradley está supervisando el renacimiento del motor SSME. (Una fusión de 2013 con Aerojet dio lugar al nombre actual de la empresa). Y es todo un regreso: SLS es el viaje fuera del planeta hecho a la medida para la campaña Artemis de la NASA para devolver a los humanos a la superficie lunar y luego aterrizar personas en Marte. Eso coloca al SSME, creado originalmente con reglas de cálculo y papel, en la base de la exploración humana del siglo XXI.
Es muy gratificante ver revivir esos motores, dice Bradley. ¿Y qué mejor que ir a la Luna y Marte?
Transbordador espacial Atlantis en la misión final del transbordador, STS-135, el 10 de julio de 2011. Los tres motores son visibles en la parte posterior. Imágenes Getty de la NASA
Rocketdyne comenzó la producción del SSME el 31 de marzo de 1972, pero pasarían otros cinco años antes de que Bradley se incorporara. Un ingeniero recién graduado de la Universidad Politécnica del Estado de California en San Luis Obispo, Bradley recibió un consejo de un vecino y se postuló en Rocketdyne para trabajar en el programa del transbordador.
Yo era de la vieja escuela. Cada diseño que estabas escribiendo en un tablero de dibujo físico con bolígrafos o lápices, dice Bradley. Comenzaron a probar motores en caliente en 1975, pero en 1977 todavía estábamos quemando una buena cantidad de motores. Yo estaba en la maquinaria turbo y nos estábamos llevando la peor parte de los daños, por lo que fue muy emocionante. Cuatro turbobombas se encuentran en el corazón ardiente del diseño del motor. Estos ventiladores giratorios crean la presión extrema que dispara cuidadosamente hidrógeno líquido (LH2) y oxígeno líquido (LOX) a la cámara de combustión principal. Estas máquinas operan en condiciones brutales, con un calor de hasta 6,000F dentro de la cámara lo suficientemente caliente como para derretir una barra de hierro en un charco. Pero son los cambios de temperatura los que introducen un estrés especialmente peligroso en las entrañas delicadamente mecanizadas de los motores.
Solo en las turbobombas, tienes un gradiente de un par de miles de grados de un extremo al otro, dice Bradley. La cámara de combustión es aún peor. Están a miles de grados con tolerancias (físicas) de fracciones de pulgadas.
Hacer el aire acondicionado central para la cámara de combustión principal requirió un pensamiento novedoso. A principios de la década de 1970, los investigadores de Rocketdyne crearon una nueva aleación de cobre y circonio llamada NARloy-Z expresamente para usar en el motor. El nuevo material podía resistir la presión y las temperaturas que amenazaban con deformar los diminutos canales que entregan hidrógeno líquido superenfriado a través del revestimiento de las cámaras de combustión principales para evitar que se queme.
El SSME también estuvo sujeto a años de pruebas realizadas en una era anterior a las simulaciones por computadora. La NASA dictó que los motores soportaran al menos 65.000 segundos de llamas y humo en los soportes antes de realizar el primer vuelo, aunque el motor funciona solo 510 segundos durante una misión. Las pruebas incluyeron desafiar al SSME a desempeñarse a niveles de potencia superiores a los que requería la misión. Décadas más tarde, cuando la NASA estaba evaluando los motores SLS, ese empuje adicional resultaría invaluable.
El transbordador espacial se lanzó el 12 de abril de 1981 y se convirtió en la primera nave espacial tripulada reutilizable del mundo, y el SSME en el primer motor de cohete espacial reutilizable. Cuando el orbitador aterrizó, sus SSME fueron retirados, inspeccionados y reacondicionados antes de estar listos para otra misión.
Los llamo mis hijos porque he vivido con todos estos motores desde el día en que nacieron, cuando fueron probados, cuando volaron, dice Bill Muddle, ingeniero de integración de campo de Aerojet Rocketdynes RS-25, quien también trabajó en el programa del transbordador. Pude tocar y ser parte de todos esos motores a lo largo de su historia durante 125 vuelos.
Un SSME sometido a un disparo de prueba en los Laboratorios Nacionales de Tecnología Espacial en Mississippi, 1981. Smith Collection/Gado Getty Images
Resulta que los motores reutilizables, construidos con los mismos estándares, desarrollaron lo que los ingenieros llaman personalidades en función de sus demandas de rendimiento y mantenimiento. Es un fenómeno que se ve en los hangares de aviones y en los astilleros, lugares donde se reutiliza el hardware y los mantenedores lo conocen durante su vida útil.
Y Muddle ve el establo existente de RS-25 de una manera similar y más personal.
Tengo 16 hijos únicos, comenta. Los amo a todos a muerte, pero todos tienen su idiosincrasia.
A medida que cambiaban las misiones del transbordador, se le pidió al motor que funcionara a niveles más altos, hasta el 104,5 por ciento de su potencia nominal, principalmente para manejar un mayor peso para la construcción de la Estación Espacial Internacional.
Le pidieron que funcionara a esas altas presiones y temperaturas, y volvía cada vez, Muddle Ways. Cuando encendiste ese motor para poner astronautas en el espacio, lo hizo.
Cuando el transbordador se retiró en 2011, al parecer también lo hizo el SSME.
Miles de espectadores ven el primer lanzamiento de Columbia en la madrugada del 12 de abril de 1981 Bettmann Getty Images
Una inmersión más profunda en una nave espacial histórica
Popular Mechanics conoció el nuevo transbordador espacial en los meses previos a su lanzamiento inaugural en la edición de abril de 1981. Aquí está todo lo que sabíamos sobre la bestia de metal y sus 3 motores RS-25 en ese entonces.
En 2015, la NASA se preparó para anunciar su elección de motores que se utilizarían en su nuevo Sistema de Lanzamiento Espacial. Con un historial de 30 años y más de 1 millón de segundos de prueba en tierra total y tiempo de disparo en vuelo, la historia de los venerables motores se convirtió en un punto de venta, especialmente en un programa de la NASA tradicionalmente reacio al riesgo. SLS será el sistema de lanzamiento operativo más grande jamás construido, y los motores eficientes obtienen más beneficios a medida que aumentan los cohetes, lo que fue una buena noticia para la oferta de las SSME.
Medimos la eficiencia en impulso específico (ISP), como el consumo de combustible de un cohete. Nuestro ISP obtiene 452 segundos, lo cual es muy, muy caliente. Para otros cohetes, eso estará en los 300, dice Bradley. Cuanto más eficiente sea, menos propulsor tendrá que levantar. Eficiencia significa, en realidad, carga. Eso es crucial, agregó, para el programa Artemis, que tiene como objetivo establecer una presencia humana sostenible en la Luna y realizar misiones tripuladas a Marte. En noviembre de 2015, la NASA otorgó a Aerojet Rocketdyne $ 1.16 mil millones para adaptar los 16 SSME suspendidos al nuevo sistema de lanzamiento y reiniciar la línea de producción de seis nuevos motores, ahora rebautizados como RS-25. Escuchas esa decisión, celebras durante 10 minutos y luego te pones a trabajar, dice Bradley. Es un vehículo diferente, así que tenemos mucho que hacer. Los cohetes son más altos, por lo que la presión que entra en los motores es mayor cuando se inicia.
Los transbordadores espaciales utilizaron tres SSME, pero el gigante SLS exige cuatro motores, lo que cambia aún más el entorno operativo. No hay mucho espacio libre bajo el megacohete, especialmente dado que la gente necesita espacio para trabajar en ellos. Solo hay 8 pulgadas entre la pared de ese vehículo y el borde del motor, dice Muddle. Y tengo que poner un técnico allí que tiene que apretar algo.
Los técnicos retiran los motores del transbordador espacial Atlantis el 18 de agosto de 2011. Getty Images
Las llamas cercanas de los motores de los propulsores de cohetes sólidos de 17 pisos, uno fijado a cada lado del escenario central, ahora también representan una amenaza. En el programa del transbordador, nuestros motores estaban 20 o 30 pies más altos que los propulsores, dice Bradley. En este cohete, estaban junto a ellos, y esas son bestias grandes y poderosas. El blindaje térmico adicional ahora protege los motores de cuatro núcleos de los dos refuerzos.
Durante los lanzamientos iniciales de Artemis SLS, los motores RS-25 tendrán que funcionar al máximo para el que fueron diseñados los SSME, el 109 por ciento de la potencia del motor principal de los transbordadores espaciales.
Comenzando con la quinta misión Artemis, se pedirá a los motores que alcancen el 111 por ciento de la producción de la era del transbordador. Sin ningún rediseño per se, podemos seguir adelante y acelerar un poco más. Y creemos que podemos ir más allá de eso, dice Bradley.
El uso duradero de este motor habla de la fuerza de su diseño original, dice Muddle. Le pides a algo que acelere hasta el 111 por ciento, 114 por ciento, y luego también ser capaz de reducir al 65 por ciento, eso es un rango enorme para pedirle a un motor de cohete que haga.
La NASA duplicó su apuesta por el RS-25 en mayo de 2020, cuando otorgó a Aerojet Rocketdyne 1790 millones de dólares para producir 18 motores más, además de los seis que ya se habían encargado. El precio combinado de este nuevo contrato RS-25 y el anterior, que resultó en una cuenta de posiblemente más de $ 100 millones por cada motor SLS de un solo uso, ha llamado la atención de los críticos.
Una mirada a los motores RS-25 del SLS. Imágenes Getty de la NASA
Después de todo, cada SSME cuesta aproximadamente $40 millones. Y en 2018, United Launch Alliance pagó a Blue Origin entre $ 14 y $ 16 millones por par de sus nuevos motores BE-4 para usar en el cohete Vulcan Centaur de ULA. El BE-4 produce un impulso similar al RS-25, pero Blue Origin no ha publicado su ISP.
Aerojet dice que un cálculo por motor es injusto, ya que la tarifa del contrato incluye nuevo hardware para pruebas adicionales, así como inversiones en fabricación que generarán ahorros generales. Eso sigue siendo mucho dinero para motores que solo se usarán una vez antes de desecharse en el océano.
Tratar con un sistema de lanzamiento desechable es nuevo para los veteranos de SSME en Aerojet Rocketdyne, donde el diseño principal y el espíritu de fabricación habían cambiado de la reutilización a la reducción de costos. Las instalaciones de la empresa en California y Florida están creando componentes de motores heredados utilizando técnicas de fabricación del siglo XXI, como la impresión láser, para reducir el tiempo necesario para fabricar y controlar la calidad de los motores. Lo principal en lo que estamos trabajando en este momento es mantener la confiabilidad y hacerla menos costosa, dice Bradley.
Los nuevos RS-25 solo se encenderán durante una prueba y un lanzamiento, por lo que los motores no tendrán la oportunidad de desarrollar esas personalidades que surgen del contacto con los mantenedores.
Los motores regresan en un cohete único que lo convierte en un regreso emotivo y agridulce. Me entristeció que mis hijos se fueran, pero ahora van a la universidad, dice Muddle.
Una prueba de fuego caliente de 500 segundos del motor RS-25 en el Centro Espacial Stennis de la NASA en Mississippi, el 28 de febrero de 2019. NASA
El 20 de enero de 2021, un motor de desarrollo RS-25 se encendió durante toda su duración, los 500 segundos completos que se necesitan para poner a Orión en órbita. Bradley fue al Stennis Spaceflight Center en Mississippi para trabajar en el terreno familiar de prueba para el ahora ingeniero ejecutivo de alto rango.
La visita desencadenó recuerdos de la primera prueba de motor de cohete que Bradley observó como un nuevo Aerojet de alquiler en el mismo lugar. Observó desde el techo de un edificio a solo un cuarto de milla de donde el motor rugió al cobrar vida, asaltando sus oídos y extendiendo ondas de choque a través de su pecho. Mi pensamiento en ese momento como un joven ingeniero fue: ¿Cómo se mantiene unido eso? dice Bradley. Ver cómo el RS-25 cobraba vida en enero de 2021, superando con creces los límites originales de su diseño, reavivó esos recuerdos. Tengo que admitir que durante la última prueba de un solo motor, pensé lo mismo, dice. He estado en este negocio durante mucho tiempo, pero la cantidad de poder que estaba aprovechando nunca lo doy por sentado.
El SLS está programado para hacer su viaje inaugural en algún momento de este año, llevando una cápsula Orion con un maniquí instrumentado en el asiento donde algún día se sentarán los astronautas, y Bradley planea ver a su viejo amigo volar nuevamente.
Probablemente tendré un trabajo que hacer, dice Bradley. Pero espero poder escaparme tres minutos antes del lanzamiento y verlo con mis ojos.
Joe Pappalardo Joe Pappalardo es escritor colaborador de Popular Mechanics y autor del nuevo libro, Spaceport Earth: The Reinvention of Spaceflight.