Como funciona un motor cohete para modelismo espacial
Autores: Jorge Bonanno y Roberto Muller
Lo primero que debemos mencionar es que el funcionamiento de todos los motores cohete se basa en la 3º ley de Newton:
3ra Ley o Ley de Acción y Reacción
“Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce otra fuerza sobre el primero, tales que tienen el mismo valor, la misma dirección y sentidos contrarios”.
A esas fuerzas se las llama Acción y Reacción para diferenciarlas, pero surgen de la interacción entre dos cuerpos, de modo que ambas actúan simultáneamente.
Un ejemplo de esto podemos apreciarlo al inflar un globo. Mientras la boquilla permanezca cerrada el aire estará a presión, al mismo tiempo que, todas las paredes internas del globo reciben una fuerza debida a la presión del aire.
Si soltamos la boquilla, el aire comprimido por las paredes del globo empuja hacia atrás al aire expulsado por la boquilla (fuerza de acción A), esta masa de gas ejerce sobre el aire en contacto con las paredes internas del globo, otra fuerza (fuerza de reacción R) igualmente intensa pero opuesta, la que hace desplazar al globo hacia delante. La trayectoria del globo será errática ya que él mismo no cuenta con aletas estabilizadoras como los cohetes.
Dentro de un motor cohete se generan gases a alta presión y temperatura, estos gases comprimidos se ven empujados por el motor y salen por la parte posterior donde existe un orificio o conducto de escape (tobera), que mediante una forma apropiada permite su expulsión. Al mismo tiempo, la masa de gases calientes que es expulsada ejerce una fuerza opuesta sobre el motor cohete que pone en movimiento al modelo (fuerza de empuje). Es decir se transforma la energía química en movimiento.
Tengamos en cuenta que:
- La fuerza que impulsa al cohete es la correspondiente reacción a la fuerza que el motor ejerce sobre los gases.
- Cuanto más rápido salgan los gases mayor será la aceleración del cohete.
- Cuanto menor sea la masa del cohete, para una misma fuerza generada por el motor, mayor será la aceleración y por lo tanto alcanzará una mayor altura.
Propelentes:
Se llama así a los productos químicos que reaccionarán entre sí para producir la combustión y fundamentalmente está constituido por un combustible y un oxidante.
Dentro a lo que a cohetería se refiere, podemos clasificarlos en 3 grandes grupos: sólidos, híbridos y líquidos, siendo estos últimos muy complejos y de uso muy limitado en cohetería experimental.
En los motores híbridos el oxidante puede estar en estado líquido o gaseoso, mientras que el combustible se encuentra en estado sólido. Son bastante comunes los que utilizan óxido nitroso (N2O3) como oxidante y algún tipo de polímero (PVC) como combustible.
De todas formas los más utilizados en cohetería son los motores de combustible sólido en donde, entre otros podemos mencionar, los de pólvora negra, los conformados por Nitrato de Potasio y Azúcar o Sorbitol (Candy´s), combustibles compuestos o propelentes de doble base.
Como el título lo indica, detallaré a continuación el funcionamiento de un motor cohete de pólvora negra (BP, por “Black Powder” de sus siglas en inglés), este es el impulsor más comúnmente utilizado para cohetes de baja potencia, es decir en lo que llamamos modelismo espacial.
Constitución del motor:
1- Carcaza: Constituye el cuerpo del motor cohete. Generalmente está formada por un tubo de cartón con paredes gruesas capaz de soportar sobradamente las presiones que se generan en su interior.
2- Tobera: Dispuesta en un extremo de la carcasa y construida con materiales refractarios, es la responsable de transformar la presión de los gases en velocidad de salida de los mismos. Tiene una determinada forma para cada motor.
3- Carga de impulsión: Es el combustible del motor. Está constituido por una pólvora especial que en su primer tramo tiene una perforación central llamada aguja. Esta perforación tiene como objeto aumentar el área de quemado en la parte inicial, dando un máximo empuje que le sirve al modelo para ganar altura rápidamente en el despegue.
4- Carga de retardo: Está constituida por otro tipo de pólvora que prácticamente no produce empuje, sólo genera humo permitiendo al modelo llegar al apogeo.
5- Disco de separación: Separa en forma de compartimiento la carga de retardo de la carga de eyección. El disco tiene una perforación en el centro a través de la cual se produce el encendido de la carga eyectora.
6- Carga de eyección: Está formada por granos de pólvora dispersos que al encenderse generan gases para activar el sistema de recuperación.
7- Tapa: Contiene la carga de eyección y sella el motor cohete.
Funcionamiento
El motor cohete es encendido eléctricamente mediante un control de disparo que pone incandescente un alambre ignitor; este enciende la carga de impulsión que como tiene un gran área de quemado debido a la perforación central (aguja) genera gases a alta presión que escapan por la tobera dando el máximo empuje que hace despegar al cohete de la rampa
Cuando se termina de quemar la carga de impulsión se enciende inmediatamente la carga de retardo (etapa 2) produciendo un empuje casi nulo, el modelo sólo sigue con la velocidad que consiguió ganar durante el quemado de la carga de impulsión hasta que la acción del peso del modelo y el roce con el aire lo va frena, llegando así al apogeo. Luego de ese punto se termina de quemar la carga de retardo y se enciende la carga eyectora a través del disco de separación (etapa 3) generando gases que mueven la tapa protectora y empujan al sistema de recuperación hacia fuera del fuselaje originándose así la apertura del mismo.
Nomenclatura de los motores cohete:
Los motores cohete vienen identificados con 1 letra y 2 números, según los códigos internacionales. En el caso particular de los motores nacionales, tienen además, un código de color para su rápida identificación.
La letra indica el rango de impulso en que se encuentra el motor, a mayor número de orden de letra mayor empuje. Ver tabla adjunta:
El primer número expresa el Empuje Promedio expresado en Newton.seg.
El segundo número expresa el tiempo que demora en quemarse la carga lenta o delay, en segundos. Esto determina la trayectoria que realice el modelo, ya que en el caso de cohetes livianos 4 segundos de delay posiblemente no alcancen para realizar un apogeo completo; pero si lanzamos un cohete más pesado con este motor, seguramente este sea un tiempo excesivo y el modelo descienda unos cuantos metros antes de abrir el paracaídas. Por lo que independientemente del empuje del motor debemos elegir el tiempo de retardo del mismo de acuerdo al modelo que queremos lanzar.
Curva de empuje
Las mismas se obtienen colocando los motores cohete en un banco de pruebas que consiste básicamente en una celda de carga que registra la fuerza que el motor ejerce durante su combustión en función al tiempo de quemado del mismo.
La forma de estas curvas depende fundamentalmente del tipo de combustible utilizado y de la configuración interna del grano, lo que determinará el tipo de quemado en el que básicamente podemos hablar de 2 grandes grupos:
- Independientemente de esto en una curva de empuje podemos visualizar los siguientes parámetros:
Los motores de Pólvora negra (B-P) que poseen una aguja para aumentar la superficie de quemado inicial pero que el resto de la combustión la realizan en forma de “cigarrillo”. - Los motores de combustible compuesto, que poseen un agujero central (core) que puede tener distintas configuraciones geométricas y que harán que el motor combustione de “adentro hacia afuera”.
Empuje máximo: Es el llamado pico de empuje (patada) que se da normalmente en el inicio de la combustión y se mide en Newtons.
Empuje promedio: Es el promedio del área que representa el empuje. Se mide en Newtons.
Tiempo de quemado: Es el tiempo que dura el quemado de la carga de impulso. Se mide en segundos.
Empuje total: Es el producto del empuje promedio por el tiempo de quemado. Se mide en Newtons-segundos.
Delay: Es el tiempo que se demora entre que terminó el tiempo de quemado y se produce el encendido de la carga de eyección.
Otros parámetros que se pueden calcular son el Impulso específico y el Impulso total, en los que interviene el peso del propelente y que definen básicamente la calidad del propelente y la eficiencia del motor.
