¿Por qué un cohete puede despegar?

Un error muy extendido es pensar que el chorro del cohete se apoya en el aire o en el suelo. No es así: el motor funciona igual en el vacío, y de hecho mejor. Lo que ocurre es un intercambio de cantidad de movimiento. La combustión produce gas a alta presión que sale por la tobera a varios kilómetros por segundo; al lanzar esa masa hacia abajo, el vehículo recibe un impulso igual y contrario hacia arriba. Esa fuerza es el empuje, y equivale al caudal de gas expulsado multiplicado por su velocidad de salida. Cuanta más masa por segundo y cuanto más rápido salga, mayor es el empuje.

Para que el cohete se despegue de la plataforma, el empuje total debe superar el peso del vehículo cargado. La relación entre ambos se llama relación empuje/peso y en el despegue suele estar entre 1,2 y 1,5. Un Falcon 9 arranca con nueve motores Merlin que suman unos 7.600 kN a nivel del mar, frente a un peso de unos 5.400 kN; el excedente es lo que acelera la máquina, al principio con suavidad, apenas unos 4 m/s². Un Saturn V despegaba con una relación cercana a 1,2, por lo que tardaba varios segundos en librar la torre.

La ecuación del cohete explica el resto. Como el vehículo debe cargar todo lo que expulsa, casi el 90 % de la masa en la plataforma es propelente, y la estructura y la carga útil son una fracción pequeña. A medida que los tanques se vacían el peso baja, la relación empuje/peso crece y la aceleración aumenta hasta que los motores se reducen para no superar los límites estructurales. Por eso los lanzadores se dividen en etapas: soltar tanques vacíos evita seguir acelerando masa inútil.