En cohetes químicos, la forma de producir empuje es teniendo dos compuestos químicos: un oxidante y un combustible, que ponen en contacto provocando una reacción de oxidación-reducción, y produciendo calor y gases que se expanden rapidamente, impulsando al vehículo en la dirección opuesta. En este caso, tanto el oxidante como el combustible son propelentes, y hablaríamos de un sistema bi-propelente.
Otra forma de producir empuje es calentar un fluído en un reactor nuclear y expulsarlo a gran velocidad. Este es el principio de los motores nucleares térmicos. Este tipo de motor fue desarrollado por la NASA en varios proyectos, y se llegaron a construir y probar prototipos. Los proyectos acabaron siendo cancelados, dado que la única aplicación para la cual la mayor eficiencia de los motores nucleares era necesaria eran las misiones tripuladas de larga duración (como viajes a Marte o más allá), y a partir de los años 70 se decidió limitar las misiones tripuladas a la órbita terrestre.
En el KSP no hay diferentes tipos de propelente: el oxidante es siempre oxígeno líquido y el combustible es siempre hidrógeno líquido. Los aviones utilizan solamente combustible (el oxidante es el oxígeno de la atmósfera, como en una avión real), y las piezas de los aviones (como los tanques) se pueden utilizar en cohetes y viceversa. Así es que se da la situación de que los aviones consumen hidrógeno líquido en lugar de keroseno, como tendría que ser, pero esto es una pequeñez que no afecta al juego.
(Naturalmente, hay mods que añaden propelentes realistas).
He explicado esto porque es importante para algo que voy a contar más abajo. Vamos a ver pues unas cuantas soluciones prácticas al problema de enviar Kerbals a Duna.
Después de enviar misiones a Mun y Minmus con cápsulas diseñadas para este propósito, y a veces con vehículos similares a Apollo (o sea, un módulo de mando y servicio, y otro de aterrizaje), decidí que quería crear un sistema más genérico que fuera modular y que se pudiera adaptar a diferentes misiones. En este sistema tendríamos:
- Un módulo de propulsión, que contendría los motores y tanques de propelente
- Un módulo de habitáculo, para alojar a la tripulación
- Un módulo de mando, que permita pilotar el vehículo
- Uno o más módulos de aterrizaje, ya sea tripulado o automático, si queremos visitar un cuerpo celeste.
- Tanques adicionales, según necesitemos más o menos DeltaV para realizar una misión.
Este fenómeno se produce porque KSP simula físicamente las partes de cada vehículo. Esto añade realismo... pero a veces, a uno le gustaría que las naves de comportaran como un sólo cuerpo rígido.
Sobra decir que hay mods para crear junturas rígidas entre módulos, e incluso para añadir cuerdas para sujetar objetos y mangueras para transferir recursos entre módulos.
Así es que uno sólo puede tomarse libertades hasta cierto punto, y es conveniente seguir unos cuantos principios básicos:
- Construir las naves tan compactas como sea posible
- Asegurarse de que el vector del empuje de los motores pase por el centro de masas de la nave (porque, de lo contrario, la nave tenderá a girar cuando se enciendan los motores)
- Construir naves simétricas (porque si hay una asimetría en la distribución de la masa, igual que en el punto anterior, la nave tenderá a girar cuando se enciendan los motores)
- Como corolario del punto anterior, incluso aunque la nave sea simétrica, hay que asegurarse de que el propelente está distribuido por igual en todos los tanques, o la nave tenderá a girar al aplicar un empuje.
Mi primera idea fue esta nave con el ocurrente nombre de Orbital Ferry MkIV Advanced:
(Para mayor claridad, he quitado todo el resto del cohete que pone a este módulo en órbita).
La nave que muestro es únicamente la sección de propulsión. Hay puertos de atraque delante y detrás para añadir módulos adicionales.
Para aumentar la cantidad de DeltaV gasté el motor más eficiente que hay en KSP, y el único que es una concesión a la "tecnología futura". El LV-N es un motor nuclear térmico que está basado en el motor real NERVA desarrollado por la NASA.
En el juego, el LV-N tiene el Isp en el vacío más alto de todos los motores, 800s. Para compensar, el empuje es irrisorio comparado con los motores químicos del juego: escasos 60kN. En la realidad, el motor NERVA tenía un Isp de 850s y 336 kN de empuje, pero en el juego redujeron el empuje para que no fuera excesivamente mejor que los motores químicos, de modo que no tuviera sentido gastar otro motor que el LV-N.
El LV-N es, además, uno de los motores más pesados, con 3 toneladas.
Todo esto significa que para conseguir una DeltaV elevada con este motor tenemos que tener en cuenta que vamos a tener un empuje muy pequeño, y en ese caso o nos resignamos a tener encendidos muy largos, o ponemos más motores, elevando el peso seco de la nave y reduciendo así la DeltaV. En resumidas cuentas, el LV-N está indicado para naves muy grandes que lleven mucho propelente para compensar el peso del motor.
Hay otro problema que quizá sea anecdótico, pero que me gustaría mencionar. El tanque naranja que se ve en la imagen era el tanque más grande que había en el momento que construí la nave. Por aquel entonces, el LV-N no estaba correctamente implementado y consumía oxidante y combustible como si fuera un motor químico. Esto lo cambiaron en las últimas versiones, y el LV-N consume ahora sólo combustible (hidrógeno líquido), como el motor real. Pero el tanque no lo cambiaron... de forma que si el tanque está lleno, el oxidante es peso muerto (porque el motor no lo consume), y si quito el oxidante, llevo el tanque medio lleno, lo cual significa que la relación entre masa total y masa de propelente en el tanque es bastante mala y afecta a la DeltaV.
Como se puede ver en la imagen, este módulo de propulsión tiene una DeltaV de 5105 m/s sin carga. La DeltaV disminuirá en cuanto le añada otros módulos.
Después de varias iteraciones de diseño, mi siguiente idea de un módulo de propulsión fue esta, con el también ocurrente nombre de Orbital Ferry MkVI:
(Aquí es donde salta mi instinto de programador, y desearía que hubiera un sistema de versionado como CSV en KSP para archivar las versiones de las naves que uno monta y prueba de forma iterativa).
El diseño básico es el mismo, cuatro motores LV-N con un cuerpo central. La diferencia es que para ese cuerpo central he gastado un fuselaje de avión que, como he comentado más arriba, sólo contiene combustible, y ya no se desperdicia capacidad con el oxidante. Como tenía más espacio, añadí dos puertos de atraque pequeños a los lados.
El rectángulo blanco grande en el centro del fuselaje es un radiador extensible. En las últimas versiones de KSP se implementó el modelado del flujo de calor en las naves. Principalmente, ciertos componentes producen calor (los motores y los taladros de extracción), y hay que gestionar la eliminación del calor o los componentes se recalientan y explotan.
También está modelado el flujo de calor en la reentrada, pero ahí hay que hacer uso de escudos térmicos. Al menos, no sé de nadie que haya diseñado una cápsula de reentrada que disipe con un radiadorcito los miles de grados en que se calienta una cápsula al entrar en una atmósfera a varios kilómetros por segundo.
El motivo por el que añadí el radiador por si acaso es que los LV-N generan mucho calor, y hace varias versiones tendían a explotar en encendidos largos (que es casi todos los encendidos, dado el empuje tan bajo que tienen).
Este módulo de propulsión tiene 7213m/s de DeltaV sin carga, y tiene más posibilidades de ampliación.
A continuación me gustaría mostrar el módulo de control y habitáculo:
El módulo de mando delantero tiene una capacidad de tres tripulantes, y el módulo cilíndrico justo detrás tiene una capacidad de cuatro tripulantes. Aquí en donde hago un poco de "roleplay": en la misión sólo voy a tener tres kerbals en total, para simular una misión real en la que los tripulantes necesitan algo de espacio personal. En principio podría meter siete kerbals - los kerbals no se quejan aunque tengan que pasar años sentados en la cabina como si fueran en una lata de sardinas. De hecho, me podría ahorrar el módulo de control y habitáculo y acoplar el módulo de aterrizaje directamente al módulo de propulsión, lo cual me ahorraría bastante DeltaV. Pero, en fin, uno vive para plantearse desafíos...
Y para terminar, este es mi módulo de aterrizaje para Duna:
Está basado en el módulo de aterrizaje que usaba para los vuelos a Mun, y para la misión a Duna añadí paracaídas y un escudo térmico.
El módulo tiene una tripulación de dos kerbals, y una DeltaV de 2245 m/s, que debería ser suficiente para aterrizar y volver a despegar de Duna. Como Duna tiene una atmósfera, aunque muy tenue, espero poder utilizarla para frenar la cápsula y ahorrar algo de DeltaV.
Vale la pena mencionar que los cuato motores cohete pequeños del módulo tienen el mismo empuje que los cuatro LV-N del módulo de propulsión, 240 kN.
Hay un par de cosas que tengo que mencionar. Aparentemente, según he leído en los foros, la atmósfera de Duna es tan poco densa que no sería necesario el escudo térmico. Los tests del módulo los hice en Kerbin, donde el escudo térmico es absolutamente imprescindible.
Y los tests me llevaron bastante tiempo (así junta uno 300 horas en el juego), porque tuve que iterar el diseño varias veces. El módulo tiene dos juegos de paracaídas: cuatro paracaídas "drogue" (que creo que se traduce al castellano como paracaídas piloto), que se abren a mayor altitud, tienen más tolerancia a las altas velocidades, y empiezan el frenado de la cápsula. Hay además otros cuatro paracaídas principales, que se abren a menor altitud y frenan la cápsula hasta que acaba en una velocidad aceptable para el aterrizaje (como máximo, unos 10 m/s de velocidad vertical es aceptable).
Sin los paracaídas piloto, en la atmósfera de Kerbin hay una ventana muy pequeña entre el momento en el que la velocidad es demasiado alta como para abrir los paracaídas principales (en ese caso, los paracaídas se rompen directamente), y el momento en el que la atmósfera es suficientemente densa como para que los paracaídas se abran correctamente. En ese caso, el frenazo los arranca de la cápsula, junto con cualquier elemento estructural al cual estuvieran sujetos. Uno se encuentra, pues, con una cápsula medio rota, a algunos centenares de metros sobre el suelo, y en caída libre. Lo cual significa que para la tripulación de la cápsula, el resto de su vida va a ser muy excitante y muy corto.
En cualquier caso, después de un concienzudo programa de test, la cápsula funciona correctamente en Kerbin... pero no tengo ni idea de si va a funcionar en Duna. Mi única experiencia es una sonda que conseguí aterrizar en Duna, y me sorprendió lo poco que dura el frenado atmosférico, y lo poco que frena la atmósfera, de forma que el final del proceso de aterrizaje se tiene que hacer con cohetes. Igual que en Marte, de hecho.
Me voy a detener aquí. En el próximo post mostraré qué aspecto tienen las naves una vez ensambladas en órbita, y como se programan en el juego las maniobras orbitales para el viaje interplanetario.
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