Introducción

Un "Banco de Ensayo de Motores Cohete" (BEMCO), o "Test Stands" en idioma inglés, es un elemento donde se colocan los motores cohete para su ensayo y caracterización. Es un elemento esencial para el desarrollo de un motor cohete.
Si se pone un motor sin probar en un cohete se corre el riesgo que no tenga la potencia suficiente para tener un vuelo estable o puede llegar a explotar. Obviamente es mejor que explote o falle en un banco de prueba y no en un cohete montado en una rampa de lanzamiento, es un concepto de SEGURIDAD.
En este artículo (dividido en dos partes) se brinda información general para guiarlo en la selección, diseño y uso de un BEMCO.


Acrónimos utilizados

Para simplificar la escritura se usan los siguientes acrónimos:
     "BEMCO" es Banco de Ensayo de Motores Cohetes.
     "C.E.A." es Cohetería Experimental Amateur.
     "AD" es Analógico Digital.
 
Forma, materiales y diseño de un BEMCO

Forma, materiales y diseño de un BEMCO
La forma, materiales y diseño de un BEMCO no es crítico y se suele realizar en función de los materiales y habilidades que se tenga disponible. Dado que esto es variable no se define un tipo específico de construcción de BEMCO, sino que se presentan conceptos, e ideas, constructivas para que el entusiasta de la C.E.A. pueda diseñar y armar el suyo en función de sus necesidades y posibilidades.

En cuanto a complejidad se puede partir desde BEMCOs elementales hasta sistemas que son típicos a nivel C.E.A. en los cuales se mide el empuje y la presión de trabajo en función del tiempo, aparte de filmar el ensayo.
Se puede medir también otros parámetros como ser temperaturas en las diversas partes del motor, vibraciones, tensiones mecánicas, etc.

Se puede ensayar un motor cohete armado como para vuelo o uno que tenga la configuración interna igual al de vuelo pero con sus partes mecánicas reforzadas y con sistemas de seguridad por sobre-presión para evitar su rotura. Este tipo de motor cohete se lo llama en la jerga cohetera profesional Argentina con un simpático nombre: "la chancha".

Partes que componen un BEMCO
Las partes que integran un sistema BEMCO de uso típico en la C.E.A. son:
            1º  Un dispositivo donde va montado el motor cohete.
            2º  Elementos de medición de los parámetros que se ensayan: presión empuje, etc.
            3º  Elementos de registro de los parámetros del ensayo y registro visual del ensayo.
            4º  Un sitio físico donde se realiza el ensayo y que tenga los necesarios requisitos de seguridad.

Condiciones particulares que debe tener un BEMCO
Cuando diseñe y construya un BEMCO debe tener en cuenta:
El BEMCO debe ser rígido y fuerte para soportar las fuerzas que desarrolla el motor cohete. Y esto es válido también usando madera para la estructura!
El motor cohete debe estar firmemente sujeto al BEMCO, en caso de usar medición de empuje el motor se debe mover libremente por sus guías y estas deben asegurar que el motor no quede libre.
Las partes delicadas deben estar protegidas en caso de explosión del motor cohete. La calibración debe ser fácil de realizar.


Materiales constructivos de la estructura del BEMCO

Cualquier material con el cual se obtenga una estructura rígida es apto para hacer un BEMCO. Los materiales típicos son:
           Madera
           MDF (la marca registrada en Argentina "Fibrofacil"),
           Metales: Hierro, Aluminio, etc.

Un material que recomiendo es el ángulo de hierro que se utiliza para las estanterías metálicas y que esta perforado, teniendo también ángulos de refuerzo y tornilleríia estándar. Su obtención no es difícil y ya vienen pintados. Esto permite armar fácilmente estructuras bastante rígidas y livianas; basta cortar y armar!.
También permite su reutilización ya que se desarma por tener tornillos. Con ello se va adaptando el diseño a las necesidades de dispositivos para la práctica de C.E.A.

Fig. nº 1- Ángulos y elementos usados para armados de estanterías metálicas.		Fig nº 2- Ejemplo de aplicación de los ángulos y elementos usados para el armado de estanterías metálicas.

Clasificación de los bancos de prueba

Una forma de clasificar los BEMCO es por la forma de ubicar el motor cohete, que puede ser:
                   Motor cohete en posición horizontal, ver figura nº 3.
                   Motor cohete en posición vertical, con la tobera hacia arriba, ver figura nº 4.
                   Motor cohete en posición vertical, con la tobera hacia abajo, ver figura nº 5.

                                                           Fig. nº 3- Horizontal

                                                              Fig. nº 4- Vertical con la tobera hacia arriba.

                                                         Fig. nº 5- Vertical con la tobera hacia abajo.

En la forma vertical con la tobera para arriba la fuerza que ejerce el motor es transferida contra el suelo. En los otros casos se debe prever una masa o un apoyo rígido para soportar la fuerza que ejerce el motor cohete. En el caso de ubicación vertical con la tobera para abajo se debe prever un deflector de la llama para que la misma no impacte en el suelo.


Banco de pruebas estáticas elemental

La forma mas simple de un BEMCO es poner el motor sostenido de alguna forma y realizar su encendido para ver si funciona o no, conocer su velocidad de combustión, evaluar la efectividad de los sellos, etc.
Se lo puede poner semi-enterrado o sujeto a alguna base sencilla. Decir que esto es un BEMCO es un poco pretencioso pero formalmente no deja de serlo a pesar de tener poca o ninguna elaboración. Conviene filmar su funcionamiento y así se puede obtener más información útil.

Fig. nº 6- Motor Tango en sus primeras pruebas, semi-enterrado.	Fig. nº 7 y 8 - Motor Tola en su primer prueba, semi-enterrado.

Cálculo de la velocidad de combustión
Conociendo el espesor del propulsante y teniendo el tiempo de combustión se calcula la velocidad de combustión.

                                                                                                           Ecuación nº 1

 Donde:
         r: velocidad de combustión promedio, mm/s.
         web: espesor propulsante, mm.
         t: tiempo de combustión, segundos.


Cálculo del valor del empuje (valor estimado)
Se puede estimar el empuje asumiendo un valor de Impulso Específico:

                                                                                                          Ecuación nº 2
Donde:
          E: empuje, Newton
         :impulso específico, seg.
          t: tiempo de combustión, seg.
         : peso del propulsante, Kgf.


Banco de pruebas estáticas simple

Aumentando el nivel de complejidad del BEMCO, (respecto a semi enterrarlo...) se puede ubicar el motor en una base fija y medir la presión de la cámara.
Conociendo la presión en función del tiempo se evalúa el funcionamiento del motor y si hay que realizar correcciones en la relación del Kn, que es la relación entre el área de combustión y el área de la garganta de la tobera.

Básicamente el punto es que es crítico que el motor opere dentro de los límites de presión de diseño. O sino:
          Si es alto se corre el riesgo de explosión.Lo usual es aumentar el área de la garganta de la tobera.
          Si es bajo se pierde eficiencia (menor empuje). Lo usual es reducir el área de la garganta de la tobera.

Cálculo del valor del empuje (valor estimado)
Si se mide solo el valor de presión se puede estimar el empuje asumiendo un valor de rendimiento de la tobera (coeficiente de empuje):

                                                                                                       Ecuación nº 3

 Donde:
         E: empuje, Newton
         : presión de la cámara de combustión, MPa.
         : área de la garganta de la tobera, m².
         : coeficiente de empuje, adimensional.

Los valores típicos de para los propulsantes a base de azucares y nitrato de potasio ("Candy") son:
         Motor con tobera con buen rendimiento: 1,4 a 1,5
         Motor con tobera con buen mediocre: 1,3 a 1,4
         Motor con tobera con bajo rendimiento: 1,0 a 1,3

Nota: en caso de registrar el valor de "Empuje versus Tiempo" con la ecuación nº 3 se obtiene un valor de empuje instantáneo. Si se desea se puede promediar todos los valores instantáneos del empuje y así obtener un valor promedio de empuje. También sumando el resultado de multiplicar el empuje por el intervalo de tiempo en el cual este se registra se obtiene el empuje total.

Sistemas modulares

Un concepto que he aplicado es hacer BEMCOs del tipo "modular". Esto se refiere a que diseño los bancos de prueba para un rango de motores y con algunos cambios y agregados me sirven para otros rangos de potencia de motores. Con esto minimizo la cantidad de material y trabajo. Este concepto lo recomiendo.

Como ejemplo menciono el BEMCO que prepare para motores del tipo Tango que se modifica para usar con motor tipo Tola.

Ejemplo de BEMCO modular para motores de propulsante sólido. La configuración es motor vertical, tobera para "arriba". Esta montado un motor de la serie Tango, listo para su ensayo, con ignitor ya montado. Consta de una base en "H" con una columna para soporte y guía del motor. La presión se mide directamente con un manómetro a través de una línea con fluido hidráulico. El empuje se mide transformando la fuerza en presión mediante un pistón. En la parte superior tiene una manija para facilitar su transporte. Se observan las patas de apoyo que son regulables e intercambiables; ahí donde van fijadas permite tomar la base para ponerlo en una mayor base de apoyo.

Fig. nº 9- Banco de Ensayo de Motores Cohete BEMCO-EM6

El BEMCO para motores del tipo Tango se modifica para usar con motor tipo Tola. La configuración es motor vertical, tobera para "arriba". En el caso que presento como ejemplo se ve el BEMCO para un motor Tango, luego cambiando la torre de guía del motor (para acomodar al motor Tola que es de mayor tamaño), agregando unas patas de soporte (para tener una mayor base de apoyo) y cambiando el pistón del medidor de empuje (para adecuar el manómetro existente al nuevo rango de trabajo) tengo un BEMCO para el motor mas grande. Fig. nº 10- Banco de Ensayo de Motores Cohete BEMCO-EM7. Con motor Tola instalado.

Al hacer los BEMCO modulares también es conveniente hacerlos desarmables para facilitar su transporte y reducir el espacio ocupado para guardarlos. Fig. nº 11- Banco de Ensayo de Motores Cohete BEMCO-EM7, desarmado.

BEMCO-EMH1 mío para motores híbridos. Su construcción es desarmable para facilitar su transporte y que sea modular. La configuración es motor vertical, tobera para "abajo". Para motores híbridos de mayor tamaño basta cambiar las guías del motor, agregar una extensión a la torre y adecuar los sistemas de medición. Fig. nº 12- Banco de Ensayo de Motores Cohete Hibridos BEMCO-EMH1

     
Fotos
Fotos Fig. nº 7, 8 y 9 fueron tomadas Raúl "Tito" Martínez, Gracias!