Lo que normalmente llamamos cohetes se denominan Vehículos de Lanzamiento Orbital (VLO), aparatos de apariencia cilíndrica que nos permiten despegar hacia el espacio y están constituidos por varios motores-cohetes y tanques. La llamada carga paga que se desea posicionar en el espacio (como puede ser un satélite, una sonda interplanetaria o algún elemento estructural de la ISS) ocupa una pequeña fracción en la parte superior del vehículo donde va alojada dentro de una cápsula llamada cofia, que lo protege del ajetreado viaje atmosférico.
¿Cómo se propulsan? Estos cohetes tienen la característica de estar impulsados por propelentes (también llamados propergoles), sustancias que reaccionan en la cámara de combustión, generando gases a alta presión y temperatura. Cuando estos gases salen por la tobera a gran velocidad, se produce una fuerza de reacción en el sentido contrario llamada empuje que acelera el cohete, permitiéndole escapar de la atracción gravitacional de la Tierra. La tobera o efusor es un dispositivo cuya geometría cónica hace que el flujo que lo atraviese se acelere. La característica principal de estos elementos es que, a diferencia de los motores de los automóviles o de los aviones, producen combustión sin necesidad de Oxígeno externo (obtenido de la atmósfera).
Esto permite a los VLO propulsarse fuera de la atmósfera y viajar hacia el espacio. En el caso de que sean materiales sólidos, éstos se compactan y aglutinan en diversas configuraciones. También existen cohetes híbridos que utilizan un propelente líquido como combustible y un propelente sólido como oxidante. Los Cohetes Saturn V, empleado en las misiones lunares Apolo, Transbordador Espacial y Falcon 9 de SpaceX.
El Transbordador Espacial utiliza además dos impulsores de propelente sólido ubicados a ambos lados del tanque principal. Como podemos observar la mayor parte de un VLO lo constituyen sus propulsores. Esto demuestra la increíble cantidad de energía que se requiere salir de la atmósfera. ¿Qué diferencia existe con los aviones? A diferencia de los cohetes, los aviones que estamos habituados a ver necesitan de la atmósfera gaseosa para: 1) Generar sustentación aerodinámica. Esta fuerza surge del movimiento relativo del aire sobre la superficie del ala y permite a un objeto elevarse y vencer a la gravedad. 2) Generar empuje. Esta fuerza es producida por los motores, ya sean a pistón o a reacción, a través de la combustión de combustibles (similares al keroseno), la cual necesita oxígeno que se obtiene de la atmósfera. Pero, a medida que ascendemos la atmósfera se vuelve menos densa. El contenido de aire (mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno) comienza a escasear, hasta desaparecer por completo aproximadamente a los 500 km de altura en la Termosfera, la penúltima capa atmosférica.
¿Orbitar la Tierra o escapar de ella? Si deseamos arrojar un objeto no propulsado hacia el espacio, es decir sólo con un impulso inicial, debemos hacerlo a una velocidad llamada velocidad de escape y su magnitud, respecto a la superficie de la Tierra, es de aproximadamente 11 km/s. Los objetos lanzados de esta manera, sin propulsión y sólo con una velocidad inicial, describen una trayectoria llamada balística. Si por otro lado queremos hacer que el objeto entre en órbita circular alrededor de la Tierra, es decir dejarlo en traslación alrededor de ella atrapado por su gravedad, deberíamos lanzarlo sólo en dirección horizontal, es decir tangente a la superficie de la Tierra y a una velocidad llamada velocidad orbital, cuya magnitud, sobre la superficie de la Tierra, es de casi 8 km/s.
La geometría de la órbita en una trayectoria balística depende de la velocidad inicial a la que el proyectil es arrojado. Lo interesante de estas velocidades es que no dependen de la masa del objeto arrojado. Cualquier cuerpo lanzado desde la superficie terrestre horizontalmente a una velocidad inferior a la de escape, pero mayor a la orbital, terminará orbitando la Tierra. Estas órbitas se denominan ligadas por el hecho de que el proyectil queda “atrapado” por la gravedad terrestre. Del mismo modo un cuerpo lanzado a una velocidad igual o mayor a la de escape, se alejará hacia las inmensidades del espacio profundo, desacelerando indefinidamente.
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