Introducción
La cohetería experimental es una emocionante actividad que requiere fundamentalmente de organización, paciencia y método.
Bajo el nombre "Proyecto Magallanes" se desarrolla nuestra labor de investigación, diseño, construcción y lanzamiento de cohetes experimentales con fines didácticos, lúdicos y científicos a través de una serie de misiones basadas en series de calibres iguales.
El "Proyecto Magallanes" tiene también por objeto la divulgación y el intercambio de información con otros grupos afines para el crecimiento y expansión de la cohetería experimental.
El proyecto comprende las labores que se distribuyen en cuatro secciones diferenciadas y comprenden; trabajos de laboratorio, adquisición de materiales, experimentación en campo (pruebas estáticas y lanzamiento de cohetes) y estudio.
El trabajo de laboratorio se divide a su vez en; taller de química y taller de mecánica. Junto con las restantes secciones, se forma un núcleo de actividades con sus ramificaciones y alcances indirectos sometido todo ello a los protocolos de seguridad.
Para desarrollar esta afición se precisa construir determinados moldes, herramientas y sistemas, lo que requiere tiempo y dedicación. También será necesario contar con un pequeño espacio y un lugar de trabajo.
Se deberá disponer de cajas o cajones para organizar el material, los productos químicos, las herramientas de corte, los moldes, tornillería, componentes y el resto de piezas. Algunas herramientas y utensilios como el taladro eléctrico, soldador de estaño, balanza de precisión, hornillo eléctrico y algunos más, resultan imprescindibles.
Al principio se necesita hacer un determinado desembolso económico adquiriendo productos químicos y otros materiales pero es necesario dejar claro que no se trata de una afición cara, más bien lo contrario. Con el tiempo encontraremos proveedores más económicos o nos organizaremos para comprar el material al por mayor.
Realmente si la cohetería experimental fuera algo sencillo y rápido de lograr, esta afición estaría mucho más difundida y veríamos grupos de aficionados y cohetes por todas partes. Es mejor así, de esta forma prevenimos accidentes al no ser una afición masificada.
Es fácil entusiasmarse con construir cohetes espectaculares que desarrollan elevadas velocidades, incluso supersónicas y que alcanzan hasta varios kilómetros de altura. Más fácil es desilusionarse al no conseguir los objetivos en el tiempo previsto y aun peor, ni siquiera llegar a lograr que vuele un sólo cohete por culpa de la precipitación o la impaciencia.
Diseñar y construir cohetes lleva su tiempo y no es raro fracasar en los primeros intentos. Sólo la perseverancia y el entusiasmo aseguran éxitos en la cohetería experimental.
Al principio de esta introducción se hacia unas recomendaciones que completamos con otras tres más. Entusiasmo, dedicación y perseverancia.
Hace falta una afición casi visceral para adentrarse con éxito en los cohetes experimentales. Si no te sientes con estos "síntomas", es preferible dedicarse a otros menesteres para, hablando sin ambages, no perder el tiempo.
G.C.C.E. (Grupo Científico de Cohetería Experimental)
Diseño
Los cohetes experimentales son dispositivos de prestaciones extremas que desarrollan elevados trabajos en su estricta definición física.
El diseño de cohetes está condicionado por los costes de desarrollo, la minimización del riesgo, la accesibilidad, la escalabilidad y la productividad. Se pretende, en definitiva, optimizar los costes de series basadas en el mismo calibre o diámetro.
Los modelos numéricos, los programas de diseño y los cálculos reiterativos, abaratan costes y ahorran tiempo. Todo estudio de un comportamiento, resulta siempre previsor y productivo, ahorrando esfuerzos inútiles hacia direcciones equivocadas.
Construcción de un cohete, paso a paso, aquí.
Metodología
El objetivo es establecer un enfoque rápido hacia el éxito. La superación y los nuevos objetivos llegarán como resultado del logro alcanzado en las misiones precedentes.
La continuidad del proyecto está sujeta al presupuesto y aun más, al tiempo dedicado. La superación engloba en sí misma la filosofía de las restantes directrices.
La síntesis de la metodología de trabajo es la optimización de todos los elementos implicados en el diseño y construcción de cohetes experimentales.
En definitiva, la metodología de trabajo aplicada al proyecto es un componente imprescindible impregnado de filosofía científica que debe administrarse como un factor de seguridad constante. Dicha metodología condicionará los resultados y la propia supervivencia del proyecto. El lema que rige el proyecto es, "Entropia minorem complicationem dicit", es decir, “Entropía significa menor complicación”.
La metodología incluye aspectos relacionados con los puntos anteriores, como la seguridad y el diseño. También se apoya en la simulación por ordenador, los estudios de los lanzamientos, los procesos de construcción y las pruebas estáticas.
"Proyecto Magallanes"
Bajo este nombre se desarrolla este proyecto de cohetería experimental.
Además de la estructura de trabajo expuesta anteriormente como laboratorio, adquisición de materiales, experimentación en campo y estudio, el proyecto se expone a través de las siguientes partes.
Fenómenos. (Explicación y discusión de las leyes y principios implicados).
Procesos. (Elaboración de componentes y fases).
Misiones. (Desarrolladas en series de calibres iguales con reactores de tubo de aluminio).
Fenómenos
Concepto de cohete
En síntesis, un cohete es un vehículo autónomo capaz de ascender a una altura determinada impulsado por la fuerza de reacción que produce la combustión del propulsor en su reactor y que es transformada en energía cinética.
Dicho motor produce el empuje necesario gracias a la fuerza de reacción que resulta de la eyección de la masa de gases abandonando la tobera a elevada velocidad.
Las características estructurales del reactor de un cohete deben ser tales que soporten la presión, la temperatura y la erosión producidas por la combustión que genera el empuje.
Para que todo este conjunto de fenómenos físico-químicos se produzca de forma satisfactoria, es necesario optimizar una serie de parámetros.
La optimización de cada parámetro parte de un cálculo matemático que suele estar basado en un algoritmo y en una interpolación, constituyendo una aproximación al diseño definitivo.
Seguridad, predecibilidad, reproducibilidad y escalabilidad establecen la línea de actuación durante el diseño y desarrollo de las series de cohetes experimentales.
Combustión
La combustión es el punto de partida del grupo de fenómenos que tienen lugar durante el funcionamiento del reactor.
La velocidad de combustión del propulsor y su composición, determina cuantitativamente el empuje producido. La estequiometría de la reacción, la naturaleza de los compuestos químicos y sus proporciones, las superficies expuestas, el orden de combustión, las presiones de trabajo, así como la forma de iniciar la reacción, determinan la velocidad de la misma.
La forma y el volumen de la cámara de combustión, la propagación y disipación del calor junto con el diseño de la tobera y las pérdidas de rendimiento, condicionarán el empuje final.
La combustión en un modelo de propulsor sólido, se inicia sobre la superficie y avanza por capas de contacto y por radiación infrarroja hasta agotar el combustible o el comburente. La geometría del avance de la combustión en relación con la superficie de la garganta de la tobera, determina la curva de presión y empuje.
La combustión debería ser un proceso ideal pero siendo tantos los factores que influyen y tan difíciles de controlar, termina siendo, casi siempre, un proceso poco eficiente, pero lo bastante útil como para cumplir su función normalmente.
La combustión suele iniciarse por medios eléctricos aprovechando la elevada temperatura que alcanza un filamento conductor al ser atravesado por una corriente eléctrica en cumplimiento de la ley de Joule.
El sistema de ignición en los cohetes suele estar formado por una mezcla inflamadora que produzca una temperatura lo suficientemente elevada y sostenida como para propiciar la combustión de manera fiable e iniciar la presurización de la cámara de combustión.
Idealmente, la totalidad de la combustión se debería producir en la cámara que lleva su nombre pero debido a las elevadas velocidades de los gases eyectados, una parte importante del fenómeno sucede demasiado tarde. También son arrancadas partículas sólidas que inician su combustión tardía dentro de la corriente de gases expelidos o incluso en el exterior.
El calor radiado y el transferido por conducción fuera de la cámara de combustión, así como el que abandona la tobera, supone una pérdida de energía. También la combustión que sucede fuera del cohete y que abandona la tobera saliendo al exterior en forma de llamarada, no se aprovecha y constituye una merma en el rendimiento termodinámico.
La suma integral del área inferior de la curva de combustión, está directamente relacionada con la curva de empuje y por tanto, con la aceleración. El resultado bajo condiciones reales debe corregirse con un coeficiente de rendimiento según la eficiencia de la tobera.
La energía química del propulsor es convertida en energía cinética por la tobera. Véase TOBERAS de cohetes.
Presión
La presión es consecuencia de la combustión. La reacción química produce gases que tienden a ocupar un volumen mucho mayor debido a su naturaleza y la temperatura.
Las paredes del cuerpo del motor deberán soportar la presión de la cámara de combustión que cumple con varias condiciones:
- La presión aumenta a medida que la combustión avanza porque existen más gases en la cámara de combustión y porque aumenta la temperatura, dilatando los gases presentes en la dicha cámara.
- La presión disminuye a medida que los gases van abandonando la cámara de combustión a través de la tobera. Véase TOBERAS.
- La presión disminuye a medida que los gases se enfrían por radiación o conducción.
- La presión está directamente relacionada con la superficie de propulsor que está en combustión en ese instante e inversamente relacionada con el área de la garganta de la tobera y otros parámetros de su diseño.
- Otras variables sin determinar.
Como se puede apreciar, algunas de las condiciones son contrarias, constituyendo un equilibrio dinámico, por lo que se debe estudiar su influencia en la simultaneidad de los fenómenos.
Los cálculos resultantes provisionales condicionan el diseño de las superficies de combustión, el cálculo de la tobera, el dimensionamiento estructural y la resistencia estructural y térmica de los materiales a elegir.
Las presiones de trabajo son superiores a las nominales de carga de rotura, pero aun así, debe tenerse en consideración si se trata de elementos desechables o reutilizables, debido a la fatiga física y térmica a la que se somete el material.
Temperatura
El incremento de temperatura es consecuencia de la reacción exotérmica del propulsor, aunque, también aparecen incrementos como consecuencia de la presión a que se someten los gases en la cámara de combustión y por el rozamiento turbulento y aerodinámico.
Los gases en movimiento fluyen en la tobera y en la cámara de combustión en régimen turbulento a pesar del esfuerzo de diseño, por lo que una parte importante de la energía cinética se pierde inevitablemente en forma de calor.
La temperatura se reduce por la emisión infrarroja y por la conducción térmica. Los incrementos en la temperatura debido al rozamiento aerodinámico, son despreciables habitualmente en este tipo de proyectos, pero se menciona por rigurosidad.
La temperatura debilita los materiales y facilita la erosión, especialmente en la tobera y en las paredes del tubo del reactor. Debe tenerse en consideración también cuando existen otros elementos sensibles o partes estructurales en la proximidad del reactor.
Al igual que sucede con la presión, las temperaturas de trabajo instantáneas son superiores a las nominales soportadas, pero aun así, debe considerarse si se trata de elementos desechables o reutilizables, debido a la fatiga térmica del material.
Aceleración
La aceleración del cohete es consecuencia de la segunda Ley de Newton y proviene de la tercera Ley de Newton, que es el principio de acción y reacción.
Una vez la potencial energía química se convierte en energía térmica y posteriormente en energía cinética, aparecen las fuerzas dinámicas de la mecánica clásica.
La tobera es la encargada de convertir energías adaptando las presiones y velocidades de los gases eyectados.
La tobera que usan los cohetes experimentales se denomina DeLaval y los flujos que recorren dicha tobera se consideran compresibles al moverse a velocidades supersónicas, por lo que, las diferentes secciones transversales, producen durante el avance de los gases, variaciones en la densidad y en la velocidad del fluido. Todo ello está supuesto para condiciones de flujo isoentrópico, es decir, condiciones adiabáticas y sin rozamiento. En la práctica, no existe la condición de flujo isoentrópico ideal, por lo que se aplica un coeficiente de rendimiento que ajusta el cálculo.
La ley de la conservación de la energía se encarga de aumentar la velocidad en el cono de salida, no por cumplimiento de la dinámica de fluidos, ya que aquí aparecen como compresibles, sino por la conservación del producto “Velocidad x Temperatura”, todo ello cuantificado con ecuaciones que caen fuera de los objetivos de este tratado.
La aceleración experimentada por el cohete como consecuencia de la segunda Ley de Newton, se aplica a su centro de masas de forma vectorial y normalmente, en sentido contrario a la aceleración de la gravedad y al rozamiento aerodinámico en el régimen de velocidad correspondiente.
La aceleración debe tenerse en consideración en el diseño estructural del fuselaje, órganos anexos y características de la carga útil.
La energía química del propulsor es convertida en energía cinética por la tobera. Véase TOBERAS.
Aerodinámica
La aerodinámica se deberá tener en consideración como coeficiente de arrastre pasivo.
No intervienen fuerzas de sustentación, aunque existen perfiles que trabajan como elementos de dirección y en algunos casos pueden imprimir un giro compensador para estabilizar la trayectoria. El propio coeficiente aerodinámico es una función variable y se distingue entre vuelos subsónicos y supersónicos (también existe el régimen transónico).
La resistencia estructural del conjunto será acorde a la velocidad del vuelo. La simulación mediante programas facilita el diseño.Un estudio serio de la aerodinámica tendrá en cuenta el diseño del cono de ataque y de los estabilizadores.
La geometría del cono es frecuentemente objeto de un análisis complejo, especialmente cuando se trata de alcanzar el régimen supersónico.
La forma cónica es la menos recomendada debido a la transición brusca que se produce entre superficies y las turbulencias que genera pero suele recurrirse a esta por la facilidad de construcción.
Formas de revolución derivadas de tangentes ojivales u otras funciones matemáticas suelen emplearse para mejorar las prestaciones aerodinámicas.
Fuselaje
Cuando diseñamos un fuselaje, nos enfrentamos al dilema de dimensionar las aletas estabilizadoras. Solemos dejarnos llevar por nuestra intuición o imitamos otros diseños para aportar seguridad y éxito a nuestro proyecto.
Básicamente existen dos parámetros para dimensionar y posicionar los estabilizadores. Se trata de una optimización que se puede realizar sin demasiadas complicaciones.
- 1ª ) CENTRO DE GRAVEDAD (CDG)
Es el punto geométrico donde se presume agrupada toda la masa del cohete y sobre el cual, dicho cohete puede estar en equilibrio. La idea de centro de gravedad es bastante intuitiva. Hay que tener en cuenta que el centro de gravedad varía a medida que el propulsor se va consumiendo.
En la práctica, encontramos el centro de gravedad del cohete, colocándolo en posición horizontal y completamente terminado, sobre un punto, en el que permanece en equilibrio.
- 2º ) CENTRO DE PRESIONES (CDP)
El cálculo del centro de presiones en los cohetes resulta menos intuitivo.
Imaginemos que un cohete es una veleta. Lo suponemos en posición horizontal y atravesado por un eje sobre el que puede girar libremente. Esta situación se simula sujetándolo con unas agujas, alambres o hilos.
Una veleta pivota sobre un eje y se orienta contra el viento siempre que esté bien diseñada y libre para girar.
Si el eje donde pivota este "cohete-veleta" lo fueramos adelantando, el movimiento en busca del viento se va haciendo más acusado. Si lo vamos retrasando, llegamos a una situación de equilibrio (CDP), donde el "cohete-veleta" es indiferente a la dirección del viento. Retrasándolo más allá de este punto el "cohete-veleta" girará 180º y apuntará hacia donde va el viento en vez de a su procedencia.
En el CDP (centro de presiones) se llega a un equilibrio. Este equilibrio se alcanza porque la superficie expuesta al viento a un extremo del eje compensa la del otro extremo. (Expuesto de forma simplificada).
Físicamente es algo más complicado de demostrar a través de vectores y momentos rotacionales, en los que no vamos a entrar.
Para que un cohete sea estable, el centro de gravedad ha de estar situado por encima del centro de presiones. Se recomienda una distancia equivalente a dos o tres veces el diámetro de fuselaje.
Paradójicamente se piensa que el cohete ha de tener más peso en la parte baja (zona de las aletas o caña) y realmente es lo contrario.
La caña de un cohete pirotécnico no estabiliza el vuelo por aportar peso en su parte baja, (bajar el centro de gravedad) sino por rebajar el centro de presiones. De hecho, cuanto más ligera sea la caña, mucho mejor (no quiere decir que deba ser más corta).
Para añadir estabilidad a un cohete durante su ascenso, se debe añadir peso al cono superior. Esto se hace para elevar el baricentro (centro de gravedad).
Esta paradoja no es una idea intuitiva y puede causar cierta resistencia para ser aceptada.
También la superficie del fuselaje ha de cuidarse para que no presente irregularidades. El lijado y posterior pintado será casi siempre una buena solución.
Las aletas estabilizadoras deben anclarse perfectamente alineadas con el eje del cohete o adoptar una ligerísima inclinación que producirá una rotación compensadora de la trayectoria. Así mismo deberán estar afiladas en su borde de ataque y salida.
En diseños poco elaborados o construcciones mal terminadas, las aletas estabilizadoras suelen arrancarse nada más iniciarse el despegue debido a la aceleración. Otras terminan de despegarse a consecuencia del esfuerzo aerodinámico. Es por ello que se insiste en integrarlas a través de ranuras en el cuerpo del cohete y establecer varios puntos de unión.
No se debe subestimar la fuerza del viento a la altísima velocidad de vuelo de un cohete. Para evitar torsiones o aleteos, los estabilizadores aerodinámicos o aletas, deben presentar la suficiente rigidez estructural y un bajo coeficiente aerodinámico.
Erosión térmica
El fenómeno erosivo térmico se produce por la circulación de gases a alta velocidad y temperatura. Se presenta con especial importancia en la tobera, influyendo en el rendimiento en la misma medida en que se deforma el diseño original.
La garganta de la tobera es la parte más expuesta a la erosión y la acción deformadora agranda el orificio inicial. También se deterioran los conos convergentes y divergentes creando turbulencias en el flujo de gases que los recorre, disminuyendo el rendimiento general.
Los materiales resistentes, tales como el acero, grafito o cerámicas, experimentan la erosión en muy baja proporción, siendo incluso nula o despreciable.
Materiales como el cemento sufren las consecuencias de forma más acusada y se debe disminuir sus efectos colocando piezas de acero en la garganta y tratamientos o imprimaciones sobre la superficie de ambos conos.
También se produce combustión erosiva en las capas superficiales de combustible expuestas a la acción de los gases, arrancándose partículas de propulsor antes de que se inicie su combustión, disminuyendo el rendimiento por pérdida de masa de propulsor.
Procesos
Preparación del cuerpo (cilindro) y tobera de cemento
Los tubos para los motores de la serie A32 se adquieren precortados a 200 mm con cortatubos de rodillos, herramienta que se recomienda para todo corte de tubo, bien sea de PVC o de aluminio. Para trabajar con comodidad y eficacia se construye una bancada de madera que inmoviliza el tubo al taladrarlo.
A partir de esta serie, se cuenta con este sistema de corte para tubo redondo.
Se marca con rotulador indeleble las circunferencias donde irán los tornillos de retención tanto de la tobera como del tapón. Se mide y marca la circunferencia a la distancia donde quedará la garganta con las arandelas si las hubiera. Seguidamente se marcan los puntos de taladro y finalmente se taladran.
Los tornillos de la tobera se enroscan en su posición definitiva y esto se hace antes de verter el cemento de anclaje que forma la tobera.
El cemento de anclaje se elige por su dureza y es de fraguado rápido acompañado de reacción exotérmica, por lo que si lo preparamos con agua muy fría dispondremos de unos minutos más para usar la mezcla fluida, lo cual es apropiado para realizar correcciones y ajustes de los moldes.
En los cohetes de la serie “Piraña”, la tobera se forma por fraguado de dos masas cónicas negativas enfrentadas por el vértice. Se realiza en dos etapas, permitiendo que el segundo molde encapsule, si así se decide, las arandelas previstas para reforzar la garganta de la tobera y evitar la erosión.
Es conveniente comenzar la construcción por el cono de salida, sellando con silicona o plastilina la junta del molde con el tubo para evitar que filtre el cemento al verterlo. Se debe prestar atención al diámetro de la garganta para que no sea invadido por el cemento durante el vertido y fraguado del cemento.
Cuando termina el proceso, la tobera queda retenida por los tornillos a la altura de su garganta y si se colocan arandelas, resultan aprisionadas en el centro del molde. El 95% del endurecimiento del cemento se logra en torno a los 40 días y pequeños porcentajes adicionales de endurecimiento se logran en los meses posteriores.
Las superficies de la tobera (negativos cónicos) se tratan en superficie con una imprimación que, inicialmente será de varias capas de resina epoxídica cargada con polvo de aluminio. Si se tuviera oportunidad, en vez de polvo de Al se optará por trióxido de molibdeno pero con las precauciones debidas, ya que es muy tóxico.
El tramo de cuerpo entre la tobera y el tapón puede reforzarse, si es necesario, con cabo de poliéster arrollado helicoidalmente e impregnado con resina epoxídica.
La confección de las toberas basadas en gargantas torneadas y toberas cerámicas se desarrollará a partir de series de calibres mayores, esto implica todo un sistema de diseño y elaboración específico. Para más información, ver TOBERAS.
Toberas torneadas en acero
Se ha encargado para la misión Cormorán I un juego de toberas torneadas y se han repasado a mano con lija, obteniendose el acabado final que se aprecia en las fotografías.
Toberas epoxídicas
Se puede construir una tobera con resina o masilla epoxídidica usando moldes cónicos de papel.
Es imprescindible colocar arandelas en su garganta para evitar la erosión. Algunos modelos pueden encontrarse en la galería de fotos de toberas.
Tras el funcionamiento de un reactor provisto de este material en la tobera, se aprecia la degradación del mismo pero al menos produce un cierto empuje adicional hasta que se degrada.
Pantalla térmica
Independientemente de la configuración geométrica del grano de propulsor, se debe optar por una protección térmica del tubo que lo aloja. Esta protección disminuye las fugas térmicas por conducción y evita o retrasa la pérdida de resistencia mecánica del tubo por influencia de la temperatura.
Se recomienda usar cartulina como protección térmica por la facilidad de uso y porque cumple correctamente su función. También puede usarse una lámina de PVC (No debe ser transparente) porque absorbe calor mientras se descompone. Ambos sistemas pueden combinarse o usarse redundantemente aumentando el número de capas adheridas al interior del tubo.
En algunas series de cohetes se usa lámina de aluminio como elemento reflector y disipador de calor trabajando simultáneamente con cartulinas u otros inhibidores térmicos.
El sellado del extremo opuesto a la tobera se realiza por vertido y curado de resina epoxídica. Para ello se usa cartón, fieltro o madera para que forme un depósito y no filtre resina al interior del reactor.
Previamente al vertido de la resina, se fijan los tornillos de retención para que el conjunto resista la presión de la cámara de combustión. En series posteriores se usa arandelas o "rodajas" de tubo calibrado para garantizar el sellado.
También se habrá colocado formando parte del tapón y antes del sellado, el dispositivo inflamador que iniciará la puesta en marcha del reactor por medio de una corriente eléctrica y una mezcla inflamadora, véase INFLAMADORES.
En motores grandes, especialmente, debe añadirse una pantalla térmica a este tapón de sellado debido a que la resina se degrada e incluso entra en combustión.
Los tubos de acero están desaconsejados debido a que la relación entre el peso del tubo y su resistencia es más favorable al aluminio.
Un factor decisivo para la elección del material del tubo es la seguridad. Mientras que el acero suele fragmentarse en caso de explosión, el aluminio se “abre” o se desgaja con una deformación que mantiene el material unido sin tendencia a fragmentarse. También se desaconseja el empleo de PVC de fontanería por el mismo motivo.
Como nota de seguridad se advierte que en ocasiones, el aluminio también puede fragmentarse.
Preparación del propulsor
El siguiente proceso es la preparación del propulsor. Le dedicamos una sección completa denominada PROPULSORES.
La tercera y última parte del Proyecto Magallanes son las misiones. Entra desde el menú o haz clic aquí; MISIONES.
Lanzamientos
La última etapa de la misión es el lanzamiento del cohete. Está muy relacionado con la seguridad y comprende además la recuperación de restos así como la grabación en video para el posterior estudio y elaboración del informe.
Inserción de la guía en el cohete para el lanzamiento
Preparación del cable para la ignición de los cohetes
Conexionado eléctrico del inflamador
Para ver nuestro campo de lanzamiento haz clic aquí.
GALERÍAS DE FOTOS
Fuselajes
Tubos
Reactores
Inflamadores
Propulsores
Toberas
Lanzamientos
INDEX
.jpg)
