Propulsor = Combustible (Reductor) + Comburente (Oxidante)
"Propelente" proviene de una deficiente traducción del término inglés "propellant" y no está aceptado por la Real Academia Española. La palabra "propulsante" tampoco existe, siendo más adecuada a este concepto; propulsor.
La palabra de origen francés "propergol" está adoptada recientemente por la RAE y se ajusta perfectamente al concepto que buscamos.
CONCEPTO:
El propulsor o propergol es el encargado de aportar el impulso al cohete a través de las diversas transformaciones de su energía química.
Durante la combustión, la mezcla propulsora se descompone principalmente en gases que ocupan un volumen muchísimo mayor y por ello salen expulsados al exterior a gran velocidad, produciendo la fuerza de reacción que propulsa al cohete.
En un principio, el aficionado principiante busca la mayor potencia posible, entusiasmándose con elevados valores de ISP y con la intención de obtener las mayores prestaciones posibles. Es dificil no dejarse seducir por tan apasionante idea.
No es extraño encontrar quien quiere propulsar su cohete con los más potentes mezclas oxidantes y combustibles porque ha encontrado la información de cohetes militares o espaciales y desea dotar a su ejemplar de propulsores profesionales.
Pronto se comprende que de poco sirve un propulsor que funde todo lo que alcanzan sus varios miles de grados de temperatura. Las toberas, los tubos metálicos y otras partes del reactor requieren de tratamientos térmicos sofisticados que impiden al aficionado llevar a cabo su proyecto con éxito.
En la práctica es mucho mejor acceder a un propulsor seguro, predecible y que haya sido experimentado con anterioridad por otros aficionados. Esto evita posibles accidentes y facilita las cosas. Siempre estaremos a tiempo de introducir pequeñas variaciones o aditivos en su formulación si queremos añadir un valor de investigación a nuestro proyecto.
Puesto que la seguridad es el punto principal de la cohetería experimental, nuestro grupo renuncia desde este momento al uso de oxidantes de alta gama como el nitrato amónico y el perclorato amónico por entender que su mayor poder oxidante puede comprometer la seguridad.
Clasificación
Propulsores que se han experimentado.
Según su base combustible: SORBITOL, RESINA EPOXÍDICA , ERITRITOL.
Preparación del propulsor con base de sorbitol
Se elige el sorbitol (C6H14O6), porque aporta ventajas con respecto al azúcar común o sacarosa. Principalmente se evita la caramelización por exceso de temperatura o tiempo de fundido y las consecuencias de su degradación.
La temperatura de fusión del sorbitol es de sólo 117 º C, por lo que nos aleja de su temperatura de ignición durante el fundido.
El sorbitol aporta un mayor tiempo de manipulación que el azúcar común y permite un trabajo con el fundido y el encofrado, más esmerado y tranquilo.
El propulsor basado en sorbitol aporta una cierta estabilidad debido a su relativa dificultad de ignición, lo cual redunda en seguridad, pero requiere un sistema de ignición fiable.
Para la preparación del propulsor se cuenta con un hornillo eléctrico de placa con termostato y un cazo de acero inoxidable con gran espesor en la base. El calentamiento indirecto es por inmersión en baño de aceite refinado o parafina y se logra la fusión del propulsor sin puntos de calor elevado. La temperatura se controla termostáticamente y se verifica con un termómetro de inmersión. Se recomienda la participación de dos operadores para este punto crítico y un control constante de la temperatura.
Los elementos de protección se usan para manos, cara y resto del cuerpo siendo respectivamente, guantes de cuero, pantalla facial transparente y ropa de manga larga. También se usará una mascarilla para prevenir la inhalación de polvo.
Elementos como un extintor y varios cubos de agua están a mano durante el proceso. Véase SEGURIDAD.
Se cuenta con productos químicos de pureza elevada (99.9%), adquiridos a un proveedor especializado en suministros químicos.
Se estima un 15-20% de exceso y se pesa los porcentajes 65% y 35% de KNO3 y sorbitol respectivamente. Se realiza la pesada con báscula de precisión (+/- 0.1 gr.) con control de tara para descontar automáticamente el peso del recipiente.
El KNO3 se muele finamente en un molinillo de café que se usará sólo para este producto debido a que partículas del mismo quedan en el interior del motor, cuchillas y eje, pudiendo combinarse con otros elementos combustibles.
Después de molido, se tamiza con un colador para detectar grumos, que vuelven a incorporarse después una nueva molienda. Ambos procesos se realizan minuciosamente y en el último momento, para evitar que el KNO3 vuelva a apelmazarse. El KNO3 ya habrá sido previamente molido, por lo que este proceso es de afinamiento.
El sorbitol o el combustible que se elija, se muele del mismo modo en otro molinillo de café diferente o con mortero y maza, por el motivo anteriormente señalado, siguiendo un proceso análogo. Nunca se debe volver a moler la mezcla una vez realizada.
Si el sorbitol presenta una granulometría fina, no es necesario molerlo.Se vierte el polvo obtenido en un recipiente. Primero el KNO3 y luego el sorbitol y tras hacer un contacto a masa para descargar posibles cargas estáticas, se mezclan los dos componentes en un recipiente hermético de plástico con tapa.
A partir de este momento se observará el protocolo de seguridad descrito en cuanto a protección pasiva y manipulación. Se prestará especial atención a la posibilidad y prevención de descargas estáticas, realizando frecuentes contactos a masa tocando, por ejemplo, un grifo o tubería con la mano.
El polvo de ambos productos se mezcla por agitación y volteo mediante medios mecánicos o manuales descartando aquellos que pudieran provocar chispas eléctricas cercanas como motores o piezas metálicas en fricción o percusión. Se debe evitar la inhalación del polvo, por lo que se usará una mascarilla “ad hoc”.
Se realiza el fundido del propulsor en baño termostático estabilizado y controlado.
Se procede con el encofrado del grano, para lo que se habrá dispuesto del molde y papel encerado (o vegetal) recubriendo el interior y la base del molde.
Se obtiene la mínima viscosidad (para el caso del sorbitol) durante el fundido, si la mezcla se lleva a 117º C en el baño termostático. Para otros combustibles como la dextrosa o la sacarosa, la viscosidad mínima suele alcanzarse a temperaturas superiores, hasta un máximo de unos 140º C. Con práctica este proceso se vuelve intuitivo.
Se dispondrá de un sistema de centrado y de sujeción para el núcleo y antes de insertarlo, este se habrá recubierto de algún producto de naturaleza antiadherente para facilitar su extracción dada la característica adherente del propulsor.
Se recomienda un recubrimiento helicoidal de la superficie del núcleo con cinta de Teflón empleada en fontanería. También debe obturarse el extremo del núcleo con objeto de evitar que penetre en su interior el propulsor y el consiguiente desperdicio de producto.
Se liberará tanto el núcleo como el grano de propulsor cuando se haya enfriado ligeramente, desprendiendo más tarde el papel que lo recubre antes de que se adhiera demasiado, pero no antes de que pueda mantener por si mismo su forma sin doblarse.
Cuando el conjunto se ha enfriado, se guarda durante un tiempo en posición vertical hasta su endurecimiento total y después en una pequeña caja con tapa hermética o en un plástico sellado debido a la higroscopicidad del producto obtenido.
El grano de propulsor se protege de la humedad alojando en el mismo recipiente un desecante a base de sales de cloruro cálcico o gel de sílice (Sílica gel).
El grano de propulsor se debe alojar con una holgura suficiente e impregnado de pólvora negra para facilitar la ignición de aquellas superficies donde no se presenta inhibido. La imprimación se aplica amasando la pólvora con alcohol isopropílico o metílico de alta pureza en el que previamente se ha diluido unas escamas de goma-laca.
Cuando se adquiere práctica, puede fundirse el propulsor directamente en un cazo con amplio espesor en la base. La viscosidad se controlará también, con la práctica, sin necesidad de medir la temperatura, la mezcla con base de sorbitol permite calentar y enfriar las veces que sea necesario sin riesgo de caramelización.
Algunas versiones de este propulsor, como la usada en el motor A-50/A, incluyen un 0.3% de Fe2O3 para estabilizar la combustión, acelerar ligeramente la misma y evitar una irregularidad que se forma en la curva del exponente de presión que tiene el propulsor basado en sorbitol.
Para facilitar la ignición de las caras circulares laterales, se conifican ambos extremos mediante una herramienta de corte o mejor, directamente se moldea con esta forma sirviéndose de moldes apropiados.
También se debe impregnar con pólvora pirotécnica estas superficies, ya que presentan cierta inercia a la combustión y dicho retardo deforma la curva de quemado neutral del sistema BATES. Esto se realiza disolviendo la pólvora en alcohol isopropílico con goma laca.
La goma laca se adquiere en forma de escamas doradas y se disuelve en el alcohol isopropílico para la imprimación.
La preparación de la pólvora de imprimación del grano, constituye la última parte de la confección del sistema propulsor y se explica más adelante.
Desde el momento del fundido, el grano necesita de un día o más antes de su endurecimiento completo y por tanto de su uso.
Preparación de propulsores con base epoxídica
EPOKSAL
Los propulsores de base epoxídica tienen muchas ventajas y también algunos inconvenientes, frente a los propulsores basados en azúcares o poli alcoholes.
En su preparación no se requiere fundir la base, con la ventaja de la facilidad del proceso y la seguridad que ello representa, pero la mejora cualitativa radica en las superiores características mecánicas del grano resultante.
La resistente característica de la resina epoxídica hace muy recomendable este propulsor para formar cuerpo con el tubo que lo encierra. También es más resistente a los golpes, aceleraciones, fragmentaciones, etc.
Muchos propulsores se han desarrollado con esta base de combustible y varios nombres han sido atribuidos para diferenciarlos.
La formulación recientemente desarrollada para el EPOKSAL es provisional y podría incorporar más adelante otros componentes como carbón vegetal o azufre.
56.00 % KNO3
14.00 % KCLO4
28.50 % Resina Epoxídica
(Seguridad laboral)
0.50 % Fe2O3
1.00 % Al
Previamente se hace una estimación de la masa proporcional de todos los componentes mediante un cálculo volumétrico considerando una densidad de 1.7 más un exceso del 15% que siempre resulta desperdiciado.
Por un lado se mezcla el KNO3 y el KCLO4 junto al Fe2O3. Por otro lado se añade el polvo de Al a la resina, la cual puede diluirse ligeramente, si se desea, con alcohol isopropílico, con el objeto de reducir la viscosidad.
Es importante realizar pruebas preliminares disminuyendo progresivamente la proporción de agente endurecedor hasta lograr que la resina cure más lentamente. Puede conseguirse una proporción casi la mitad de la recomendada por el fabricante.
El KNO3 debe desecarse en un horno a 100º C durante un par de horas. Esto eliminará la humedad residual que podría reaccionar con la resina y generar burbujas de gas. Las burbujas producen irregularidades en la combustión y debe eliminarse o minimizarse este problema.
Se recomienda hacer vibrar o golpear el grano de propulsor cuando se acaba de encofrar y la mezcla es más fluida. Esto elimina parte de las burbujas del interior. Si fuera posible, también se provocará el "vacío" con una máquina prevista para ello.
El propulsor con base epoxídica es estable pero a partir de este momento se observará el protocolo de seguridad en cuanto a protección pasiva y manipulación.
Se vierte la resina que incorpora el polvo de Al sobre el polvo resultante de la primera mezcla formada por KNO3, KCLO4 y Fe2O3.
Al principio, la mezcla de todos los componentes, parece imposible por lo seca y apelmazada que resulta, pero progresivamente, la resina va “mojando” la totalidad del polvo y resulta en una masa de consistencia plástica similar a la arcilla.
La proporción de agente endurecedor de la mezcla ha de ser inferior a la recomendada con el objeto de extender el tiempo de manipulación, el cual también se reduce a medida que la cantidad de propulsor que procesamos es mayor, debido a la reacción termo catalítica curativa de la resina.
El amasado debe prolongarse lo suficiente para hacer plástica y homogénea la mezcla. Se recomienda el uso de una espátula de madera y un recipiente o bandeja de polietileno.
Los restos de propulsor curados se retiran fácilmente del polietileno si este no está rayado. La espátula puede limpiarse, si se desea, con disolvente específico para resina epoxídica. También puede limpiarse sobre un trapo viejo y lijarse si fuera necesario.
El inconveniente principal de este tipo de propulsor suele ser un coste ligeramente superior debido al coste de los componentes que intervienen en la formulación.
La proporción cuantitativa de la fórmula descrita no es invariable y puede ajustarse al gusto y necesidad, debido a que las granulometrías de los componentes sólidos influyen en el exponente de presión y en la velocidad de combustión.
El exponente de presión es el resultado empírico trazado en forma de curva. Las velocidades de combustión aparecen crecientes en función de la presurización progresiva de la cámara de combustión. Se produce una realimentación que puede desembocar en fallo estructural por sobre presurización.
Este propulsor aporta además una mayor energía propulsora (ISP). En el diseño del reactor también se ha de tener en cuenta su mayor temperatura de combustión por la presencia de aluminio y perclorato potásico.
Puede considerarse la posibilidad de un grano de geometría regresiva para compensar el elevado exponente de presión. Este tipo de propulsor es muy apropiado para un dispositivo de retardo pirotécnico, como los usados para la eyección del paracaídas o en cohetes de varias fases.
No debe ser empleado hasta su curado y endurecimiento total que puede durar varios días.
Prueba de combustión EPOKSAL
Ventajas:
- No hay que fundir ni calentar en su preparación.
- No experimenta retracción durante el enfriado.
- Mayor tiempo de trabajo con la mezcla antes de solidificar.
- Se adhiere al inhibidor con mucha fuerza.
- Características mecánicas inmejorables.
- Mayor Isp por la presencia del polvo de aluminio y el KCLO4.
- No es quebradizo ni sensible a golpes o aceleraciones fuertes.
- La velocidad de combustión es más lenta incluso que el eritritol.
- El humo grisáceo denso facilita el seguimiento del cohete.
- Fácil de mecanizar sin fracturarse o quebrarse.
- Mayor densidad relativa del grano resultante.
- No es higroscópico.
NEPOX (RNX-42)
COMPOSICIÓN INICIAL:
KNO3 66%
Epoxi 25%
Fe2O3 7%
Al 2%
Resina epoxídica
Polvo de aluminio
Encofrado de los granos propulsores de NEPOX
Richard Nakka desarrolló la gama de propulsores RNX basados en la resina epoxi y el KNO3.
Ambos compuestos son fáciles de obtener en comercios especializados o a través de internet.
Tras varios años de experimentación, R. Nakka probó en el verano del 2002, un propulsor para cohetes con características muy interesantes al que denominó RNX-42. (Basado en la resina epoxídica East Systems).El problema es conseguir la marca estadounidense de resina epoxídica con la que se experimentó y caracterizó el RNX-42.
La mejora específica del RNX-42 con relación a la familia RNX precedente y otros contemporáneos, radica en la posibilidad de funcionar a relativa baja presión de la cámara de combustión. El RNX-42 funciona bien a partir de 400 PSI con Kn 800.
No siempre se cuenta con la posibilidad técnica o económica de construir reactores que soporten 1000 PSI (7 MPa o 70 Bares) y podríamos correr el riesgo de que explotaran si el propulsor empleado funciona a elevada presión o tiende a la realimentación al presurizarse.
Los propulsores con base epoxi que incorporan perclorato potásico funcionan bien a bajas presiones pero tienden al aumento de la velocidad de combustión a causa de la realimentación y debe diseñarse granos propulsores de combustión regresiva para compensarlo.
Con respecto al exponente de presión "n", hay una ecuación empírica para la velocidad de combustión, la ley de Saint-Robert:
V = bp^n, donde "p" es la presión, "n" una constante (exponente de presión) y "b" un coeficiente que es función de la temperatura inicial del grano propulsor. Valores de n>0.7 hacen que el propulsor sea difícil de manejar.
El propulsor RNX-42 incorpora un 7% de Fe2O3 que, aun tratándose de un catalizador, en dosis elevadas "frena" el aumento de la velocidad de combustión. Esto se descubrió después de probar con distintos porcentajes de Fe2O3 en cámaras presurizadas.
Por otro lado, la adición de un 2% de polvo de aluminio, actúa como estabilizador de la combustión al elevar la temperatura de llama y aporta algo más de impulso específico (Isp) al conjunto.
Con respecto al Kn, podemos definirlo como la relación matemática entre el área de quemado instantánea del propulsor y la superficie de la garganta de la tobera. A mayor Kn, mayor presión en el reactor y viceversa.
Recubrimiento aluminizado antitérmico
RECOMENDACIONES:
- La proporción de la mezcla epoxi resina/endurecedor ha de ser inferior a la recomendada por el fabricante, debiéndose emplear la cantidad mínima de endurecedor que permita curar a la resina.Para determinar la proporción es necesario realizar pequeñas pruebas de curado con distintas proporciones de estos dos componentes. Una relación 9:1 parece ser suficiente pero tarda más de una semana en curar completamente.
- El Fe2O3 ha de ser del tipo "rojo" descartando otros tipos como el "amarillo" o el "marrón".
- El polvo de aluminio no es necesario que sea de grado pirotécnico (por seguridad se desaconseja). Puede emplearse la "carga" metálica para resinas epoxídicas.
- El nitrato potásico tiende a absorber humedad por su naturaleza higroscópica por lo que es necesario desecarlo en un horno durante una hora a 90-100ºC. Este procedimiento evita la formación de burbujas de gas amoniaco durante la mezcla posterior.
- La mezcla de KNO3 y Fe2O3 no es explosiva y puede manejarse con seguridad.- El polvo de aluminio se añade por separado diluido en la resina epoxi.
- No debe ser empleado hasta su curado y endurecimiento total, el cual que puede durar varios días.
CONCLUSIÓN:- Debido a la dificultad de conseguir una resina epoxídica fabricada en Estados Unidos, se recurre a una marca nacional (Feroca) con buen precio y prestaciones.
- Al variar uno de los componentes principales de la fómula, se debe caracterizar nuevamente el propulsor mediante pruebas estáticas sucesivas y se renombra el propulsor (De RNX-42 a NEPOX) para evitar confusiones y por tener características propias.
- El resultado de la formulación descrita es un propulsor de combustión larga, controlada y con pocas exigencias en cuanto a resistencia estructural del tubo que lo contiene.
La fórmula cuantitativa del NEPOX se reestablece nuevamente a partir del cohete Cormorán III, quedando provisionalmente así:
KNO3 = 65%
Fe2O3 = 7%
Aluminio = 1%
Resina Epoxídica = 27%
Grano propulsor de NEPOX terminado
KENAL-N
Bajo esta denominación se comienza el desarrollo de un nuevo propulsor basado en los oxidantes NaNo3 (Nitrato sódico) y KNO3 (Nitrato potásico).
Los combustibles (reductores) serán la resina epoxídica y el polvo de aluminio en pequeña proporción.
El catalizador es, como en anteriores ocasiones, el Fe2O3 (óxido de hierro) y actúa como estabilizador de la combustión a partir de un cierto porcentaje.
Las distintas proporciones entre oxidantes se probarán en sucesivos experimentos de combustión tanto al aire libre como sometido a "kn" en reactores.
La letra "N" se reserva para numerar la formulación en cada caso, adquiriendo sucesivos valores que identificarán la muestra correspondiente.
Preparación del propulsor con base de eritritol
Eritritol Xilitol Manitol Sorbitol Maltitol Isomalt Lactitol Sucrosa Nº de Carbonos 4 5 6 6 12 12 12 12 Peso Molecular 122 152 182 182 344 344 344 342 P. de Fusión (°C) 121 94 165 97 150 147 122 190 TºC. de trans. (°C) -42 -22 -39 -5 47 34 33 52 Solub. (kcal/kg) -43 -36.5 -28.5 -26 -18.9 -9.4 -13.9 -4.3 Estab. a la Tº. (°C) >160 >160 >160 >160 >160 >160 >160 <150 Estab. acidez pH 2-10 2-10 2-10 2-10 2-10 2-10 >3 hidroliza Solubilidad(25°C) 36 66 18 72 60 28 58 67 Higroscopicidad MuyBaja Baja MuyBaja Alta Baja Baja Media Media
Al conocer algunos datos de este poliol que mejorarían tanto la elaboración del grano como las características generales del reactor, se decide desarrollar un propulsor basado en el eritritol.
El eritritol tiene un número de edulcorante E968 y número de CAS 149-32-6. Al ser un producto de reciente homologación en la Unión Europea, existe cierta dificultad para su adquisición en España. (Escrito a 25 de Junio de 2007).
El C4H10O4 utilizado tiene el nombre comercial C* Eridex 16954, proviene de Italia, tiene una pureza del 99.5% y es de grado alimentario.
Presenta una apariencia de polvo cristalino blanco inodoro de granulometría inferior a 200 micrómetros. Se descompone por combustión en dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua.
El eritritol mezclado con el KNO3 funde con consistencia ligeramente fluida a diferencia de las anteriores mezclas propulsoras de mayor viscosidad. Esta característica redunda en una mayor densidad y facilidad de encofrar el grano, evitando burbujas y grietas ocultas que podrían provocar consecuencias desastrosas durante la combustión. Para verter el propulsor fundido puede usarse un cacito con mango.
El propulsor basado en eritritol se elabora del mismo modo que el propulsor basado en sorbitol. La diferencia está en el encofrado, ya que aquí, gracias a la menor viscosidad mencionada, se vierte el propulsor fundido y casi no se usa la espátula.
La temperatura a la que hay que llevar la mezcla es de 125-135ºC y debe ser controlada por un termómetro de inmersión.
Desde el punto de vista de las prestaciones, se debe aumentar la relación "area de combustión/garganta de la tobera" (Kn). La combustión es más lenta y la curva de empuje práctica se ajusta mucho a la teórica, evitandose picos y falta de horizontalidad.
Se aprecia mayor dificultad que en otros propulsores para iniciarse la combustión, por lo que se debe impregnar con un recubrimiento de pólvora negra las áreas expuestas de los granos.
La prueba de combustión es bastante lenta a una atmósfera, aunque siempre queda la opción de añadir un catalizador como el Fe2O3.
La tasa de quemado aumenta, obviamente, tras la presurización del reactor. Se requiere de un kn=400 o mayor, para no comprometer la estabilidad de la combustión. Si se añade un catalizador como el Fe2O3, debe disminuirse consecuentemente el valor de Kn.
Prueba de combustión KNER
Preparación de la pólvora de imprimación
Una vez terminada la preparación del propulsor y después de solidificar totalmente el grano, se debe dar una imprimación de pólvora comercial o manufacturada.
El motivo de esta último paso es facilitar la combustión de manera sincronizada para que el comportamiento de la combustión sea lo más parecido al teórico. La pólvora ayuda a iniciar la combustión en aquellos puntos alejados del frente de llama que produce el inflamador.
Se mezcla un 75% de perclorato potásico, un 15% de carbón vegetal en polvo y un 10% de azufre (no cristalino). Deben pulverizarse los componentes por separado y mezclarse con agua desmineralizada o destilada.
ATENCIÓN: Bajo ningún concepto se usará clorato potásico debido a su elevada inestabilidad y riesgo de accidente.
Se formará una pasta fluida y se seguirá mezclando hasta conseguir una papilla totalmente homogénea a la vista. Con ayuda de una cuchara de madera o plástico se extiende sobre una cartulina y se deja secar al sol.
ATENCIÓN: Una colilla de cigarrillo mal apagada puede ser arrojada por un descuido y provocar un incendio al contacto con la pólvora. En cualquier caso la zona de secado debe estar controlada y ser totalmente segura.
Transcurridos unos días de exposición al sol, se habrá formado una costra que se debe retirar con una espátula. Estos grumos de costra deben ser molidos a mano con maza de madera y mortero, sin aplicar percusiones ni presiones extremas.
La preparación de la pólvora debe realizarse con extremo cuidado, siguiendo las directrices de seguridad en la preparación del propulsor, debido a que es de muy fácil inflamación.
Nunca se debe preparar, almacenar o transportar cantidades grandes, debiéndose limitar como máximo a 100 gr cada vez.
La pólvora se almacenará el menor tiempo posible, en botes de plástico herméticos, de paredes delgadas y debidamente etiquetada.
Tipos de grano
BATES (BAllistic TESt)
El documento NASA/SP-8076 del año 1972 denominado "Solid propellant grain design and internal ballistics" fue desclasificado por la NASA en las últimas décadas del siglo pasado y aporta una información muy valiosa sobre geometrías de combustión y diseños de granos propulsores para cohetes de propulsión sólida.
Una parte de dicho documento explica el funcionamiento del llamado sistema BATES. Se expondrá seguidamente el fundamento y la práctica de este sistema para aplicarlo a nuestros proyectos de forma concreta.
Este sistema sigue empleándose actualmente tanto en diseños militares como en proyectos para aficionados.Lo forma un determinado número de segmentos con medidas optimizadas.
El acrónimo BATES está formado por BAllistic TESt y constituye uno de los más importantes diseños para controlar la combustión en el interior de un reactor cohete de propulsión sólida.
En la práctica, llamamos BATES a cada uno de los segmentos cilíndricos de los granos propulsores. Cada grano se forma mediante moldeo, está inhibido de la combustión en su parte cilíndrica externa y tiene un núcleo axial hueco también cilíndrico.
El inhibidor externo es el propio molde que lo forma y queda adherido definitivamente al grano rodeando su diámetro externo y protegiéndolo de la combustión como parte del diseño del BATE. Se recomienda el tubo de cartón forrado de aluminio como material inhibidor.El inhibidor puede ser de tubo de cartón con el espesor suficiente para resistir la combustión.
También habrá que recubrir con Teflón de fontanería los núcleos que formarán el alma o corazón de cada segmento o BATE. Esto es necesario para poder retirarlos posteriormente con facilidad.
El sistema BATES está inhibido externamente y produce una curva de empuje teórica con forma de arco convexo suave.
La relación geométrica optimizada entre los diámetros y las longitudes de los granos inhibidos, produce una suma de superficies de quemado relativamente constante a lo largo de la combustión.
Para facilitar la ignición se impregna con la imprimación de pólvora las superficies laterales y en ocasiones, el conducto central. Debe observarse cierta separación entre los granos intercalando segmentos separadores o conificando los granos convenientemente.
El avance de la combustión progresa por capas desde el interior hacia el exterior en forma concéntrica y desde los extremos hacia adentro recorriendo el eje axial del grano.
La progresiva superficie cilíndrica de quemado que avanza hacia el exterior del grano se corrige acortándose los extremos de este al progresar el quemado desde las caras laterales circulares hacia el centro de su longitud.
Variando la longitud de los granos obtenemos distintas geometrías de combustión, siendo los granos más cortos de quemado regresivo y los más largos de quemado progresivo.
Durante el funcionamiento del reactor, la combustión alcanza al núcleo y a las caras laterales de cada grano (o BATE), quedando fuera de este alcance la superficie cilíndrica externa al estar recubierta por un material adherido a la misma que llamamos inhibidor. Este inhibidor forma por moldeo el grano propulsor o puede adherirse a él posteriormente.
El núcleo cilíndrico va aumentando su área de quemado durante la combustión. Por otro lado, las superficies laterales van disminuyendo su área resultando cada vez estos anillos más estrechos.
Bajo una determinada relación geométrica del grano entre su diámetro interno, el externo y su longitud, se produce una compensación y como resultado aparece una curva en forma de arco relativamente "estable" que produce un empuje propulsor "constante", siempre que la combustión también lo sea.
Si acortamos los BATES aparece un empuje decreciente o regresivo. Si por el contrario alargamos los BATES, obtenemos un empuje creciente o progresivo. Todo ello sin variar el resto de los parámetros.
Este interesante artificio nos permite decidir y dosificar geométricamente y de forma sencilla el empuje propulsor del cohete.
Posiblemente nos interese un mayor empuje en el despegue para estabilizar el vuelo o nos convenga una combustión regresiva para compensar un alto exponente de presión en un determinado propulsor o bajo determinadas condiciones.
Existe una relación entre los diámetros del grano y su longitud que produce una situación de equilibrio siempre que la velocidad de combustión sea uniforme.
Lo / Do=1.7 (aproximadamente); siendo Lo=longitud del grano y Do=diámetro externo del grano.
Grano irrestricto
Este grano de propulsor arde por capas cilíndricas concéntricas de fuera a dentro y viceversa. También suele arder por sus extremos.
Produce, cuando se inhiben los extremos, un quemado neutro por compensación de una superficie que crece y otra que decrece.
La tasa de quemado, cuando no se inhiben los extremos, es ligeramente decreciente. Esto se acusa en mayor medida cuanto más corta es la longitud de los granos. Cuando se trabaja con elevados exponentes de presión puede ser conveniente emplear granos con geometrías regresivas para compensar el incremento de velocidad de combustión.
Es necesario tener en cuenta que las caras laterales presentan cierto retraso en comenzar a quemar y por ello, se impriman con pólvora.
Se trata de un tipo de grano muy fiable y de rápida combustión. Ha de apantallarse muy bien el interior del tubo que lo contiene porque la superficie externa entra en combustión generando elevadas temperaturas y podría debilitar la resistencia mecánica del tubo que lo contiene.
Esta configuración de grano es de sencilla elaboración y produce un empuje muy violento aunque de corta duración.
Otros tipos de grano
Dependiendo de la geometría del núcleo que recorre el grano longitudinalmente, encontramos distintas curvas de superficies de quemado con un valor de empuje a lo largo del tiempo de combustión.
Admitiendo la idea teórica de una combustión por capas, se debe elegir la forma de grano apropiada a cada diseño, en función del resto de parámetros implicados. Los siguientes gráficos representan distintas geometrías del grano propulsor y muestran el empuje del reactor en función del tiempo.
Las imágenes descritas cuentan con la superficie externa inhibida, estando en contacto la misma con el tubo del reactor o la pantalla térmica que lo protege.
Ignición del propulsor
La ignición del propulsor en cualquiera de sus configuraciones de grano, está confiada al inflamador. Véase INFLAMADORES.
La energía química del propulsor es convertida en energía cinética por la tobera. Véase TOBERAS.
INDEX
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