¿Por qué vuela un cohete?

Dentro de la cámara de combustión, el combustible y el oxidante reaccionan y generan gas a alta presión y temperatura. Ese gas escapa por una tobera con forma de campana, que lo acelera hasta velocidades de 2.500 a 4.500 m/s según el propelente. Expulsar masa hacia abajo produce una fuerza igual hacia arriba sobre el vehículo: es el empuje. Cuanto mayor es el caudal de gas y su velocidad de salida, mayor el empuje, sin que el aire circundante intervenga en absoluto.

Para despegar, el empuje debe superar el peso total del cohete, cargado sobre todo de propelente: en un lanzador típico más del 85 % de la masa en la rampa es combustible y oxidante. Al principio la aceleración es modesta, apenas superior a la gravedad, y por eso los cohetes se elevan con lentitud en los primeros segundos. Pero cada segundo el vehículo quema toneladas de propelente y se aligera, de modo que el mismo empuje produce una aceleración cada vez mayor. Al final de una etapa la carga puede llegar a cuatro o cinco veces la gravedad.

Alcanzar la órbita exige unos 7,8 km/s, y ningún cohete de una sola etapa lo consigue con margen útil, porque los tanques y motores vacíos son lastre. La solución clásica es dividir el vehículo en etapas: cuando la primera agota su propelente, se desprende y la siguiente enciende sus motores partiendo ya de una velocidad alta y una masa mucho menor. La ecuación de Tsiolkovsky, formulada en 1903, resume esta lógica: la velocidad final depende de la velocidad de escape de los gases y de la relación entre la masa inicial y la final. Volar, para un cohete, es gestionar esa relación con precisión.