INTRODUCCIÓN
En enero del 2008 comienza el proyecto "Cormorán III".
La formulación de NEPOX sigue pendiente de una revisión ante la posibilidad de añadir a la mezcla un tensioactivo o un lubricante, con objeto de facilitar el moldeado y permitir una mejor evacuación de las burbujas de aire en esta fase crítica.
Las estimaciones se han realizado suponiendo un coeficiente aerodinámico de 0.7. Dicho coeficiente es variable en función de la velocidad y se ha sobreestimado para obtener un valor promedio en el rango de velocidades que desarrollará el cohete en su vuelo.
El reactor que impulsará al "Cormorán III" de denomina A50-N6 y es el resultado del desarrollo y evolución de modelos precedentes de la serie A50.
La misión "Cormorán III" aporta entre otros desafíos técnicos, el grano trazador de humo, sin precedentes en nuestras misiones.Seguidamente se expone paso a paso la construcción del reactor A50-N6 y del resto del cohete Cormorán III.
EL COMIENZO
El proyecto comienza con un sencillo dibujo
Todo cohete se comienza a diseñar a partir de un "tubo" que condicionará en gran medida el resto de componentes y parámetros.
Este tubo es el de mayor longitud empleado hasta ahora por nuestro grupo en la construcción de un reactor. Por ello, también mostramos el "tubo" de aluminio de 50 mm de diámetro externo, 650 mm de largo y 2 mm de espesor.
Tubo para el reactor A50-N6
El Cormorán III, al igual que el Cormorán II, llevan el fuselaje de cartón recubriendo el tubo de aluminio.
El ajuste es perfecto y al ir pegado con resina epoxi, refuerza al propio tubo de aluminio. Fue una casualidad encontrar un tubo de cartón de 50 mm de diámetro interno (Justo el diámetro externo del tubo de aluminio).
Esta vez se hará los agujeros del tapón y de la tobera después de insertar el fuselaje, taladrando a través del cartón y así se simplificará el proceso, que fue bastante complicado en la anterior misión.
Para continuar con la didáctica iniciada en el tema, se expone un grano de propulsor de los seis que montará el reactor, de proporciones reales.
La longitud (altura) del segmento será de 75 mm y su diámetro externo de 40 mm
FUSELAJE
El Cormorán III cuenta con un sistema autoportante de "reactor-fuselaje" formado por pegado del reactor al interior de un tubo de cartón.
Como el ajuste es perfecto, el cartón y la resina de unión aumentan la resistencia del reactor a las presiones solicitadas.A partir de esta unión, se trabaja como si fuera un elemento único, taladrando el conjunto en vez de hacerlo de manera independiente.
El tubo del fuselaje lo componen dos secciones debido a que la longitud no era suficiente. Una de las secciones se impregna externamente con resina epoxídica con el objeto de formar una base de fibra de celulosa sólida donde se encolará el sistema de estabilización aerodinámica, que lo formarán tres aletas trapezoidales de madera contrachapada de 3 mm.
Cuerpo del cohete: Cormorán III
La ojiva también está basada en el mismo sistema que la misión precedente, una copa de "Campán" desechable terminada con masilla epoxídica y acabada con lija.
Aspecto de la ojiva para el Cormorán III
El cohete Cormorán III ha sido diseñado para alcanzar el rango transónico de velocidades, comprendido entre 0.7 Mach y 1.2 Mach.
Para dimensionar correctamente las aletas y el resto del fuselaje, se recurre al software AEROLAB. Si son demasiado grandes, además de añadir peso y resistencia aerodinámica innecesaria, podrían arrancarse por su propia inercia en el despegue y tambien producir desvíos por sobre estabilización (por acción del viento).
Si las aletas son muy pequeñas, el cohete pierde la estabilización aerodinámica, o al menos en gran parte.
Según el gráfico, encontramos el segmento del CDP (en color verde) detrás del CDG, que aunque no aparece marcado, está en el centro del cuerpo cilíndrico, entre las cotas verticales azules que miden el diámetro del tubo.
Para guiar los primeros metros de ascenso, se coloca unos tubitos cortos de aluminio pegados al fuselaje. La idea es que puedan correr por una guía lubricada de acero inoxidable de 6 mm. La guía se lubrica con spray de teflón seco para evitar que se adhiera la suciedad.
El interior de estos pequeños tubos tiene una luz de 6.5 mm y se colocan con pegamento epoxi sobre el fuselaje.
Con una herramienta de corte especial para tubos, se puede hacer este tipo de piezas y otras como los núcleos para moldear el grano.
Herramienta "cortatubos"
Guías (tubos de aluminio) para el lanzamiento
Guías de aceleración para el Cormorán III (Diámetro interior 7 mm.)
Falta perfilar los bordes de ambos extremos en sendos tubos con lija fina. Esto se hace para mejorar la aerodinámica debido a que e cohete está proyectado para alcanzar el régimen transónico.
Después de afilar los bordes, se redondean ligeramente, tanto el vértice como el extremo que enlaza con la cara plana.
Las aletas se impregnarán con resina epoxídica, la cual es absorbida en parte y aumenta la rigidez a la torsión.
La veta de la madera visible del contrachapado está orientada en el sentido del avance, lo cual aumenta el módulo de elasticidad (elasticidad en el sentido físico estricto) en esa misma dirección (longitudinalmente).
Esta orientación de la veta de la madera visible supone la mayor parte del material del contrachapado y optimiza la estabilidad en caso de torsión en los ejes perpendiculares al avance del cohete.Se expone seguidamente el comienzo de la preparación de los granos propulsores o "BATES".
El molde dentro de cual se verterá la mezcla propulsora, es una sección de un tubo de cartón. Dicho tubo se mide, se marca y se corta partiendo de los datos del diseño. Es fácil encontrar tubos de distintas medidas en papelerías. Estos tubos se usan para transportar documentos, planos, proyectos, etc.
Tubo medido y marcado, listo para ser cortado
El sistema autoportante reactor-fuselaje, requiere de un avellanado en los orificios previstos para los remaches. Al no existir espacio entre el tubo de aluminio del reactor y el fuselaje de cartón, se debe practicar el avellanado para enrasar los apoyos de los remaches y nivelarlos con el fuselaje de cartón.
Para el acabado final se requiere el uso de masilla y lija fina.
Sistema de retención mediante 8 remaches en el exterior de la tobera
PROPERGOL
Para preparar los granos propulsores y el grano trazador, es necesario hacer antes la mezcla oxidante. En el caso del NEPOX dicha mezcla está compuesta de un 66% de KNO3, un 7% de Fe2O3, un 0.5% de Al y un 26.5% de resina epoxídica.
Se ha modificado la fórmula original reduciendo el porcentaje de Aluminio (Al). Esta decisión se toma debido al importante aumento de viscosidad que produce añadir Al a la resina epoxídica.
La dificultad para el moldeado de los granos cuando la viscosidad es elevada, no compensa el aumento de ISP.
Se pretendía estudiar la adicción de un tensioactivo de alto rendimiento denominado TRITON X-100 para intentar facilitar el moldeado o encofrado pero no ha sido posible su localización en España.En la misión precedente se elaboró primeramente un grupo de tres granos y después los otros tres. Esto permitió trabajar más relajado al no tener el tiempo tan limitado como cuando se elaboran los seis granos en una tanda.
Cuando se elaboraron los primeros tres granos,se usó la fórmula original del NEPOX, que incluye un 2% de aluminio.
El moldeado de los granos fue muy difícil y desaconsejó esta fórmula para los granos restantes, de manera que se empleó un 0.5% de aluminio en los siguientes granos.
Los granos se alternaron en el interior del reactor con la idea de promediar los tiempos de combustión y parece que se ajustaron bastante al modelo de predicción del SRM.
La experiencia anterior aconseja variar la formula original:
KNO3 66%
Fe2O3 7%
Al 2%
Epoxi 25%
Empleando en su lugar:
KNO3 65%
Fe2O3 7%
Al 1%
Epoxi 27%
Esta variación favorecería el moldeado por descenso de la viscosidad y muy probablemente suponga una variación de la velocidad de combustión, aunque esperemos que dentro de los márgenes de seguridad previstos.
Esta modificación de la fórmula no se ha experimentado estáticamente, por lo que aportará a la misión, un interés científico experimental añadido.
Estimando una masa de propulsor de 800 gr (contando que siempre se desperdicia una parte) quedan las proporciones así:
KNO3: 528 gr.
Fe2O3: 56 gr.
Aluminio: 4 gr.
Resina: 212 gr.
El primer paso es moler y tamizar el KNO3 que previamente habremos desecado al horno durante un par de horas a 90ºC.
Molido con maza de madera
Tamizado con colador de malla fina
Ya se puede hacer la mezcla con el catalizador Fe2O3. Durante horas de agitará de forma enérgica esta mezcla oxidante (KNO3 + Fe2O3), o se usará un molino de bolas.
Aquí tenemos la mezcla oxidante que formará parte del propulsor del Cormorán III. Está compuesta por un total de 584 gr.
KNO3 + Fe2O3 (Mezcla oxidante)
Este fino polvo oxidante se mezclará en su momento con la resina epoxídica y el polvo de aluminio.
Granos propulsores de NEPOX y grano trazador de humo sin núcleo
Aspecto de los granos una vez liberados los núcleos que forman el hueco central
Se aprecia que el aspecto es aun muy tosco, ya que están recién moldeados y no se han lijado.
El grano trazador de humo es el más corto y carece de hueco central. Este grano forma parte del tapón superior ya que irá encajado y sellado en la parte superior del cohete. Detrás van las capas de epoxy, cemento y arandela.Se ha completado la primera fase de la imprimación que se aplica sobre las caras laterales de los BATES y en el interior de los espaciadores.
La imprimación es una mezcla de perclorato potásico, resina epoxi y óxido de hierro en la proporción 70/29/1. Esta imprimación cumple una triple función:
1) Facilita la ignición y arranque del propulsor NEPOX debido a que solo con pólvora no arranca.
2) Produce una velocidad de combustión mayor que compensa la escasa velocidad de combustión inicial por falta de presurización.
3)Produce una rápida presurización para estabilizar la combustión del reactor lo antes posible.
La imprimación se aplica con pincel y sobre ella se aplicará más tarde, otra imprimación de pólvora negra con alcohol isopropílico y goma laca. Este sistema de doble imprimación o imprimación bifásica, permite un arranque rápido y fiable del propulsor NEPOX según demuestran las pruebas y misiones anteriores.
El exceso de imprimación aplicada en el interior de los espaciadores ayuda a compensar geométrica y termodinámicamente todo el sistema propulsor.
Vista de los espaciadores, granos propulsores y grano trazador
ORGANIZACIÓN DEL REACTOR
El interior del reactor también debe distribuirse. Se debe conocer con antelación el espacio que ocupará para dimensionar la pantalla térmica y el resto de componentes que formará el tapón superior.
Los granos propulsores se alternan con los espaciadores y por primera vez se incluye un grano trazador de humo.
El conjunto se presenta en el suelo en el orden de montaje y se mide para su verificación.
La tobera también ocupa un espacio dentro del tubo y debe tenerse en cuenta.
Pequeñas variaciones en las medidas pueden llegar a ser significativas porque cada vez que se elabora una pieza se comete siempre un error por lo que con la ayuda de una cinta métrica flexible siempre tendremos actualizado y presente el espacio que nos queda dentro del tubo.
La longitud útil que queda dentro del tubo es de 570 mm.
Conjunto de granos propulsores, grano trazador y espaciadores
El uso de una pantalla térmica es imprescindible para evitar el debilitamiento del tubo por la acción del fuego.
El aluminio es especialmente sensible a este tipo de debilitamiento por el calor, por lo que se dispone una doble pantalla que recubre el lateral de la superficie cilíndrica interior.
Al igual que en la precedente misión Cormorán II, se usa dos capas de junta aceitada para automoción. La pantalla se coloca por capas individuales con adhesivo de barra.
Vista del reactor con la pantalla térmica en el interior
Una pieza fundamental en todo reactor es el tapón superior. En el Cormorán III se dispone en primer lugar una arandela metálica para hacer frente al fuego generado.
Arandela obturada que forma parte del tapón del reactor
Esta pieza se basa en una arandela zincada en la que se obtura el centro mediante soldadura de electrodos. La pieza no permite el paso del conductor eléctrico a diferencia del precedente Cormorán II, ya que ahora la ignición se efectúa a través de la tobera.
El inflamador alcanza la parte superior del reactor, que es la más distante de la tobera. Esto se logra atravesando con el cable eléctrico todos los granos a través de sus núcleos.
ESTABILIZADORES
El fuselaje autoportante del Cormorán III lleva tres aletas dispuestas a 120º y es el segundo cohete de nuestro grupo en adoptar esta geometría aerodinámica.
Están realizadas en contrachapado, son de diseño trapezoidal y el espesor es de 3 mm. Como se puede comprobar, tienen los bordes de ataque y salida afilados para mejorar sus prestaciones aerodinámicas.
Aletas de estabilización pasiva. Se montan tres unidades a 120º alineadas con el eje del cohete
Para asegurar la alineación de las aletas, se usa un sistema de libros que fijan el tubo y dan la altura necesaria hasta alcanzar la mitad de dicho tubo.
En una primera operación se fijan las aletas una a una con Nural 21 u otro pegamento epoxi de alta viscosidad, invirtiendo un día para cada aleta. A partir del tercer día, podemos realizar el refuerzo en las bases de unión de las aletas con el tubo.
Colocación de una aleta mediante la ayuda de un soporte que alcance a la mitad de la altura del tubo
Una vez colocadas las tres aletas, se barnizan con resina epoxídica. Este tratamiento es absorbido en parte por la madera debido a su porosidad, la cual habrá sido previamente lijada hasta obtener un acabado fino.
La resina impregna la madera y la refuerza, aumentando su resistencia a la flexión con la intención de minimizar el aleteo durante el vuelo. Dicho aleteo, es un movimiento armónico resonante que aparece a elevadas velocidades en los estabilizadores poco rígidos.
También se debe barnizar el área entre aletas y especialmente, los puntos de unión de estas con el cuerpo del tubo. Si se desea, se puede dar una segunda y tercera capa, usando entre ellas lija fina de agua.
Barnizado con resina epoxídica para mejorar la resistencia mecánica.
TOBERA
La tobera tiene un cono interior (convergente) de 90º y uno exterior (divergente) de 30º.
La garganta están actualmente calibrada a 6 mm. Con el secado y la cocción, se contrae el espesor de arcilla que la circunda y aumenta el diámetro.
El porcentaje total en el incremento del diámetro, puede estar en torno al 8% por lo que el acabado se realiza con lija de agua.
Las superficies cónicas interiores y la garganta que las une, se pulen con lija de agua una vez cocidas las piezas.
La garganta medirán finalmente 7 mm de diámetro y se calibra con una broca para hierro de 7 mm.La tobera va masillada con resina epoxi para que encaje y para retenerla. En ningún momento se taladra.
En el exterior se ponen tornillos pero no contactan con la tobera sino que quedan detrás. Por último se vuelve a poner resina entre esos remaches o tornillos, de forma que queda un anillo de epoxi armado con tornilos justo detrás de la tobera.
Tobera del Cormorán III
Es necesario sellar perimetralmente la tobera para después verter la resina epoxi y completar el sellado, evitando que esta se filtre. Con pegamento epoxi y una espátula se logra tapar el espacio que queda entre la tobera y el tubo.
Sellado perimetral de la tobera
Después se introducen los remaches que ayudarán a retener la tobera, para los que ya se ha previsto los orificios avellanados.
Remaches de retención de la tobera
Vista general de la tobera una vez fijada, a falta del sellado final
La tobera ha quedado definitivamente sellada por su circunferencia externa y el reactor está listo para su cierre superior, una vez se introduzcan los granos propulsores.
Después de introducir la pieza cerámica en el tubo, existe una holgura entre el tubo de aluminio y la superficie cilíndrica de la tobera que hay que sellar en dos fases:
- La primera fase garantiza la estanqueidad para que al verter la resina por las paredes interiores del tubo (2ª fase) no filtre.
- La segunda fase es posiblemente la fase más crítica durante la construcción del reactor debido a que hay que introducir la resina por el otro lado que se encuentra más distante.
Posteriormente, una vez firme la tobera en su lugar, los remaches quedarán sumergidos en resina como parte final del proceso y formarán un sólido sistema de retención que refuerza la adherencia entre el cilindro cerámico y el de aluminio.La preparación para el sellado final consiste en un cono de papel que se adhiere al cono divergente con pegamento de barra. También se coloca cinta adhesiva rodeando la circunferencia de remaches debido a que podría filtrarse resina a través de ellos.
Preparación para el sellado final de la tobera
Una vez realizado este paso preliminar, se vierte la resina entre el cono de papel y el espacio que queda hasta el tubo de aluminio. La baja viscosidad inicial de la resina permite que se nivele por si misma por la acción de la gravedad.
Se aprecia que el cono de papel se ha "mojado" algo con la resina debido a la porosidad del papel. Posteriormente habrá que eliminar este cono de papel despegándolo de la resina moldeada y si fuera necesario lijándolo.
Tobera completamente sellada
Por último se retira el cono de papel que sirvió de molde interno al sellado final y la cinta adhesiva. Al ser transparente la resina epoxídica, se aprecia perfectamente a través de ella, los remaches de retención.
El reactor ya está listo para alojar en su interior los segmentos del propulsor
IGNICIÓN
La modificación del sistema de ignición prevista en el Cormorán III hace necesario modificar el inflamador comercial.
Inflamador comercial original
Inflamador comercial modificado para el Cormorán III
Los espaciadores que separan los granos (BATES) sirven para mejorar la sincronía de combustión de las caras laterales. Estos anillos se recortan del mismo material que los inhibidores y normalmente son rodajas de tubo de cartón.
También se ha recubierto con teflón blanco de fontanería los núcleos que formarán el alma o corazón de los BATES.
No está de más recordar la importancia de este sistema antiadherente, ya que sin él, resulta imposible extraer el núcleo cuando se trabaja con determinados propulsores, aunque en realidad, se recomienda usar teflón siempre.
Cormorán III
LANZAMIENTO
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