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Diseño de Motores Cohete en 10 pasos, parte I

Este es la primera parte de dos artículos. La segunda parte es Diseño de Motores Cohete en 10 pasos, parte II.


Introducción
A la pregunta de cómo calcular los motor cohetes la respuesta típica es: Depende. O sea depende de si se desea lograr determinado empuje total ó si se desea usar determinado propulsante ó si se desea usar un tipo específico de tubo en cuanto material ó espesor del tubo motor ó determinado perfil de la curva de empuje ó sujeción de tapa y/o tobera con tornillos o con rosca, etcétera.
Las ecuaciones que se aplican para el cálculo de un motor cohete son siempre las mismas, pero hay muchas alternativas para definir el procedimiento de cálculo de un motor cohete.
La presentación de este método de cálculo simplificado en 10 pasos va dirigido a los que se inician en esta actividad. Para hacerlo sencillo se han simplificado muchos pasos, y puesto algunas restricciones. Con ello se puede calcular un motor cohete típico para la actividad C.E.A., tanto en sus dimensiones, materiales y propulsante.

Algunas de las simplificaciones pueden dar una merma en el rendimiento lo cual no es importante en este punto del desarrollo, aquí el objetivo es iniciarse en el cálculo de un motor cohete.


Complejidad del procedimiento presentado
Para quien se inicia en los procedimientos para calcular un motor cohete parece complicado el sistema. No puedo negar que así sea. Por tal motivo se ha preparado este procedimiento para hacerlo en diez pasos. Dominado este procedimiento la incorporación de mas información permitirá avanzar en la complejidad que tiene este tema.
Muchos de los elementos a diseñar requerirían un cálculo complejo e información sobre los materiales a emplear, para simplificar el procedimiento se han aplicado formulas de cálculo empírica de desarrollo propio.


Acrónimos utilizados
        C.E.A.: Cohetería Experimental Amateur
        NK: Nitrato de Potasio
        DX: Dextrosa
        SO: Sorbitol
        DX/ NK: Propulsante de Dextrosa y Nitrato de Potasio
        SO/ NK: Propulsante de Sorbitol y Nitrato de Potasio

        PVC: Polímero de cloruro de vi
nilo


Alcance

Se presenta aquí la forma de diseñar motores cohete en diez pasos partiendo de:
 
El tipo de tubo se fija a priori y dentro de lo que al diseñador le sea posible obtener. El material del tubo puede ser de aleación de Aluminio, ó Acero Inoxidable, ó PVC, ó Hierro, ó Acero S.A.E. 1020, o algún material equivalente a estos. No se contempla el uso de cartón, Polipropileno, Polietileno, etc.
 
La presión de rotura del tubo motor debe ser mayor a 3 MPa.
 
El tipo de propulsante es el obtenido por fusión de un 35% de Dextrosa, ó Sorbitol, y 65% de Nitrato de Potasio. En idioma inglés se los llama "Candy".
 
El Nitrato de Potasio debe estar molido con un tamaño máximo de partícula entre 70 a 100 micrones.
 
La Dextrosa, ó Sorbitol, y el Nitrato de Potasio deben estar íntimamente mezclados.
 
La configuración del grano es del tipo Bates, de aplicación típica para este tipo de propulsantes. La cantidad de segmentos puede ser hasta 5 unidades.
 
Tobera metálica de acero S.A.E. 1008/1010 (hierro común) o algún material equivalente a este.
 
Sistema de sello de tobera y tapa con "O" ring.
 
Sujeción de tobera y tapa mediante tornillos.
 
Ignitor de Pólvora Negra comercial.
 
Diámetro exterior de tubo motor de hasta 65 mm.
 
Manguito inhibidor de combustión, y aislante térmico del tubo motor, de papel o cartulina.
 
La presión de trabajo estaría situada entre 2 MPa y 8 MPa.


Pasos para el diseño del motor cohete

La secuencia de pasos para el diseño del motor cohete se presentan en el Cuadro nº 1.

Cuadro nº 1- Flujograma para el diseño de un motor cohete en 10 pasos


Paso 1º- Seleccionar tipo de combustible (propulsante)

Las alternativas consideradas son utilizar Dextrosa o Sorbitol. Usar uno u otro depende de cual sea posible obtener y de algunas características que tiene cada uno, las cuales están descriptas en detalle en Propulsantes a base de azúcares, tipo "Candy".

Este método de cálculo se podría aplicar para usar propulsantes a base de Azúcar común. No se lo incluye ya que es posible obtener Dextrosa ó Monohidrato de Dextrosa (que luego se pasa a Dextrosa deshidratada), ó Sorbitol. Se prefiere estos ya que tienen mejores, y mas seguras, características para preparar un propulsante.

Las características que los diferencian son:
  DX/NK
-
Mayor temperatura de fusión que el SO/NK.
-
Curva "Empuje vs. Tiempo" mas plana.
  SO/NK
-
Menor temperatura de fusión que DX/NK
-
Mas tiempo para "endurecer" en el molde.
-
Curva "Empuje vs. Tiempo" poco plana.
-
Algo menos higroscópico que DX/KN.

De seleccionar Monohidrato de Dextrosa, la única precaución es considerar un 10% mas de Monohidrato de Dextrosa en el cálculo de la preparación del propulsante y ademas llevar a temperatura de fusión tal que se realice la deshidratación de la misma.
Los procedimientos para preparar estos propulsantes están explicados en Preparación de propulsantes por fusión de azúcares

  
Paso 2º- Definir material, diámetro y espesor de tubo motor

Se debe seleccionar el tipo de tubo a usar, y conocer sus características.

Las características que diferencian a los materiales considerados son:
  Aluminio o alguna de sus aleaciones
-
Material liviano.
-
En caso de rotura por sobre presión no tiende a fragmentarse sino que se "abre" y tiende a mantenerse en pocas piezas.
-
Tiene alta conductibilidad térmica.
-
Las aleaciones de aluminio llegan a tener buenas resistencias mecánicas.
-
No es fácil obtener tubos de aleaciones de aluminio.
-
Con el incremento de temperatura baja su resistencia mecánica, y por ello requiere un aislante térmico eficaz.
  Hierro, acero S.A.E. 1020, acero inoxidable
-
Material pesado.
-
En caso de rotura por sobre presión tiende a fragmentarse, sus partes son cortantes y tienen alta energía. O sea tienen mayores riesgos en su uso.
-
Los tubos de hierro son fáciles de obtener al igual que los de acero inoxidable. No así los de aceros aleados.
-
Tienen buenas resistencias mecánicas los aceros con tratamiento térmico.
  PVC
-
Material liviano.
-
Para espesores y diámetros estandarizados es fácil obtener tubos, pero en general no tienen espesores que permitan un uso amplio.
-
Permite su pegado y el uso de accesorios ya prefabricados.
-
En caso de rotura por sobre presión no tiende a fragmentarse sino que se "abre" y tiende a mantenerse en pocas piezas. Es el de menor riesgo en su uso.
-
Tiene baja conductibilidad térmica.
-
Con el incremento de temperatura baja su resistencia mecánica, y por ello requiere un aislante térmico. o un sobre espesor de pared del tubo.

En cuanto al diámetro a elegir tiene que ver con las restricciones del diseño que se desee hacer. Si se desea un valor de empuje determinado como guía se dan unos valores orientativos en Tabla nº 1.

Diámetro exterior tubo motor (mm)
10
15
25
40
60
Rango empuje total tipo (N- seg.)
2 - 8
6 - 26
34 - 140
150 - 760
1060 - 2650
Tabla nº 1- Guía orientativa de empujes típicos en función de diámetros de tubo motor.


La presión de rotura debe ser por lo menos 3 MPa. Para quien no haya manejado nunca estos materiales y no conozca a priori sus presiones de rotura, se dan estas tablas como guía orientativa (Tabla nº 2).

Tabla nº 2- Presiones de rotura para distintos tubos

IMPORTANTE
Luego de preparado el motor cohete se debe realizar una prueba hidráulica para asegurarse que la presión de rotura sea por lo menos un 50% de la presión de trabajo. Si se inicia en esta actividad de la C.E.A. recomiendo que la presión de rotura sea el doble, o mas, de la presión de trabajo. Esto permite absorber errores y tolerancias de fabricación.


Paso 3º- Definir tipo de tornillos

Se debe definir por el tipo de tornillos que se opta y conocer sus características. Uno de los mas usados es el tornillo tipo Allen.

 3.1- Tipo de cabeza
La selección del tipo de cabeza es flexible ya que los tornillos trabajan principalmente al corte y no a la tracción. La elección del tipo de cabeza es un tema de diseño y alojamiento del motor dentro del fuselaje del cohete, por ejemplo tornillos de cabeza fresada permiten que queden embutidos y no sobresalgan del tubo motor. De no tener requerimientos especiales opte por un tornillo tipo Allen.

 3.2- Diámetro de los tornillos
Para seleccionar el diámetro de los tornillos se da en la Tabla nº 3 una guía. Estos diámetros podrán variar en función de su resistencia mecánica.

Diámetro tubo motor
10 - 15 mm
15 - 30 mm
30 - 50 mm
50 - 65 mm
Tornillos S.A.E
3/32" - 1/8"
3/32" - 5/32"
1/8" - 3/16"
3/32" - 1/4"
Tornillos métricos
M 2 a M 3,5
M 2 a M 4
M 3 a M 5
M 3,5 a M 6
Tabla nº 3- Diámetros de tornillos para distintos diámetros de tubo motor.

 3.3- Longitud del tornillo
La longitud bajo cabeza del tornillo debe ser tal que atraviese el tubo motor y se fije en la tapa, o tobera, en por lo menos dos veces el diámetro de su núcleo. El diámetro de su núcleo es el diámetro que tiene el tornillo en la parte roscada descontando la altura de la rosca en sus dos lados.

 3.4-  Resistencia mecánica
En caso de no tener certeza sobre sus características mecánicas, específicamente su resistencia al corte, se deberá hacer un control/ensayo de los mismos. Con esto se determina el valor de Resistencia al corte del tornillo:
Res.
Lo
ideal es hacer un ensayo para determinar la resistencia del tornillo al corte. De no tener esta posibilidad se puede tomar los datos del fabricante quien suele indicar la resistencia a la tracción del material. Se puede asumir en forma conservativa que la resistencia al corte es la mitad de la resistencia a la rotura. Tener en cuenta de tomar el diámetro del núcleo del tornillo y no el diámetro exterior de los filetes de la rosca.


Se recomienda hacer la prueba hidráulica del motor cohete completo armado y sin propulsante ni aislante térmico. De esta manera se verifica no solo la resistencia de los tornillos sino también la del resto de sus componentes: tubo motor, sello de "O" ring, tapa y tobera.
Importante: La presión de ensayo debe ser como mínimo un 50% mas que la presión de trabajo. Por ejemplo si la presión de trabajo se calcula en 4 MPa, la presión de ensayo debe ser como mínimo 6 MPa.


Paso 4º- Determinar presión de trabajo máxima admisible

Hay dos formas usuales para determinar la presión de trabajo máxima admisible:
       
Mediante cálculo teórico, descripto en el punto 4.1.
       
Determinando la presión de rotura mediante un ensayo práctico, descripto en el punto 4.2.

 4.1- Método de cálculo teórico de presión de trabajo máxima admisible
Una vez que se ha definido el material y características del tubo motor se utiliza la siguiente ecuación para calcular la presión de trabajo máxima teórica (Pmaxt):
                                   Pmaxt = ( 2 * e * Fty) / ( Do * Sd)                              Ecuación
1
Donde:
          e: espesor del tubo motor, en mm.
          Fty: límite de fluencia, en MPa.
          Do: diámetro exterior tubo motor, en mm.
          Sd: coeficiente de seguridad, adimensional.

El coeficiente de seguridad Sd debe ser superior a 1,5. Se sugiere adoptar como valores mínimos de Sd entre 1,8 a 2. Cuanto mayor incertidumbre se tenga sobre los valores del límite de fluencia, o se desee mayor margen de seguridad, se debe ir adoptando un valor mas alto (por ejemplo: 2 ó 2,5 ó 3).

 4.2-
Método práctico para determinar la presión de trabajo máxima admisible
Se realiza un ensayo hidráulico para determinar a que presión se produce la rotura del tubo
Prot. Luego se calcula la presión de trabajo máxima admisible (Pmaxr):
                                  Pmaxr = Prot / Sd                                                    Ecuación 2
Donde:
          Sd: coeficiente de seguridad, adimensional.

El criterio para definir el coeficiente de seguridad Sd es igual que en el caso del cálculo teórico: no debe ser menor a 1,5. Se sugiere 1,8 a 2.

Este método de ensayo práctico permite tener un valor real y confiable de presión máxima admisible.

4.3- Determinar valor de presión de trabajo máxima
Con el valor de Pmaxt, ó P maxr, se debe adoptar un valor de presión de trabajo máxima P max. Se pueden presentar los siguientes casos:
   Si Pmaxt, ó P maxr, es menor a 2 MPa se debe incrementar el espesor de la pared del tubo, bajar su diámetro, o usar un material con mayor valor del límite de fluencia.
   Si el valor de Pmaxt, ó P maxr, está entre 2 a 4,5 MPa se puede adoptar dicho valor o de lo contrario incrementar el espesor de la pared del tubo, bajar su diámetro, o usar un material con mayor valor del límite de fluencia.
    Si el valor de Pmaxt, ó P maxr, está entre 4,5 a 8 MPa se puede adoptar dicho valor .
   Si el valor de Pmaxt, ó P maxr, es mayor a 8 MPa se adopta 8 MPa o un valor menor a 8 MPa.

Valores mayores de Pmax dan una mayor presión de trabajo, a costa de un mayor peso del tubo. Valores menores de Pmax dan menores rendimientos del propulsante.
En caso de variar las características del tubo se debe volver a calcular de vuelta Pmax con los nuevos valores.
   

Paso 5º- Determinar Kn (Klemmung)

El Kn es por definición la relación entre el área de combustión y el área de la garganta de la tobera. La relación del Kn con la presión de trabajo es un parámetro importante que caracteriza a un propulsante en cuanto al diseño de un motor se refiere.
Para calcular el Kn aplicar:
                                   Kn = a + ( b * Pmax )                                              Ecuación 3
Donde:
          a, b: constantes determinadas en forma práctica.
         
Pmax: presión de trabajo máxima admisible, en MPa. Su valor se determinó en el paso nº 4.

Para la mezcla de Dextrosa 35% + Nitrato de Potasio 65% los valores de "a" y "b" se dan en la Tablanº 4 y para la mezcla de Sorbitol 35% + Nitrato de Potasio 65% se dan en la Tabla nº 5.

Rango de presiones
a
b
2 MPa a 2,8 MPa
0
+ 78,57/MPa
2,8 MPa a 6,3 MPa
+ 164
+ 20/MPa
6,3 MPa a 8 MPa
+ 8,52
+ 44,68/MPa
Tabla nº 4- Cálculo de Kn para DX/NK: valores de "a" y "b"

Rango de presiones
a
b
2 MPa a 3,6 MPa
0
+ 82,22/MPa
3,6 MPa a 6,8 MPa
+ 182,38
+ 31 ,56/MPa
6,8 MPa a 8 MPa
+ 38,23
+ 52,76/MPa
Tabla nº 5- Cálculo de Kn para SO/NK: valores de "a" y "b"
Fuente: Los datos de las Tablas nº 4 y nº 5 están calculados con información del WEB site de Ricardo Nakka (Gracias!!!)

Ejemplo de cálculo de Kn para una Pmax de 4 MPa y mezcla DX/NK.
Reemplazando valores en la Ecuación nº 3 se tiene:
                    Kn = 164 + (20 / MPa * 4 MPa)

                                                Kn = 244

Hay factores que varian los valores de las Tablas nº 4 y nº 5, como por ejemplo la temperatura inicial del grano, los efectos de erosión durante la combustión del propulsante, etc. Para tener simplicidad de calculo no se los considera.

Paso 6º- Calcular dimensiones y cantidad segmentos grano Bates

6.1- Diámetro exterior del grano

Teniendo definido el diámetro exterior del tubo motor Do (en paso nº 2), se determina el diámetro exterior del grano Dextgrano. Para ello se debe restar al valor de Di los valores de ovalización del tubo, el espesor del manguito inhibidor del propulsante, el huelgo para montaje y el espesor del aislante térmico del tubo motor.
                                 Dextgrano = Di - (Jmont + Ovt + Emh + Aist)                          Ecuación nº 4
Donde:
          Dextgrano: diámetro exterior del grano, en mm.
          Di: diámetro interior del tubo motor, en mm.
          Jmont: huelgo para montaje y absorber tolerancias de montaje, en mm.
          Ovt: ovalización del tubo, en mm.
          Emh: espesor del manguito inhibidor de propulsante, en mm.
          Aist: espe
sor del aislante térmico del tubo motor, en mm.

6.1.1- Huelgo para montaje
Una aproximación para determinar el valor del huelgo es:
                                          Jmont = Di * J                                                 Ecuación nº 5
Donde:
          Jmont: huelgo para montaje y absorber tolerancias en los materiales, en mm.
          Di: diámetro interior del tubo motor, en mm.
          J: factor de huelgo J= 0,01 a 0,02, adimensional.

Ejemplo:
Para tubo con Di = 35 mm es
                                          Jmont = 35 mm * 0,02 =  0,7 mm        

6.1.2- Ovalización del tubo.
Si la ovalización del tubo Ovt es significativa se la debe considerar. La forma práctica para determinarla es midiendo el tubo. La ovalización es la diferencia entre las mediciones del diámetro máximo y del diámetro mínimo del tubo medidos en su parte interior..

6.1.3- Espesor del manguito inhibidor del propulsante
La función del manguito inhibidor del propulsante es evitar que haya combustión en el área cilíndrica exterior del grano. Se considera el uso de papel o cartulina y se dan en la Tabla nº 6 los valores recomendados de espesores. Estos son función principalmente del tiempo de combustión, el cual esta ligado a la presión de combustion y al espesor delpropulsante, el cual es a su vez función del diámetro interior del tubo motor/d
iámetro exterior del grano.
Una vez realizadas la primeras pruebas del motor cohete se podrá replantear y ajustar el valor del espesor del manguito inhibidor Emh.
Diámetro interior tubo motor Di (mm)
8 - 17
17 - 30
30 - 42
42 - 53
53 - 63
Espesor manguito inhibidor (mm)
0,2 mm
0,5 mm
0,9 mm
1,4 mm
2 mm
Tabla nº 6- Espesor del manguito inhibidor del propulsante según diámetro interior tubo motor Di

Ejemplo: Para un diámetro interior del tubo motor Di de 38 mm el valor del espesor del manguito inhibidor del propulsante es de 0,9 mm.


6.1.4- Espesor del aislante térmico del tubo motor.
La función del
aislante térmico del tubo motor es evitar que suba la temperatura del mismo (en contacto con los gases de combustión) ya que la resistencia mecánica del tubo disminuye con la temperatura. Su cálculo es función de una serie de variables. Para simplificar se considera como aislante térmico el uso de papel, o cartulina, y se dan unos valores mínimos recomendados en Tabla nº 7.

Material del tubo
Diámetro tubo motor (mm)
10 - 25
25 - 40
40 - 55
55 - 65
PVC
0,7 mm
1,2 mm
1,5 mm
2,2 mm
Aluminio
0,5 mm
0,7 - 1 mm
1,2 - 1,5 mm
1,4 - 2,2 mm
Hierro, Acero inoxidable
0,2 - 0,5 mm
0,5 - 0,7 mm
0,7 - 1,2 mm
1,2 - 1,4 mm
Tabla 7- Espesor del aislante térmico del tubo motor para distintos diámetros de tubo motor.

Una vez realizadas la primeras pruebas del motor cohete se podrá replantear y ajustar el valor del aislante térmico. Se menciona esto pues se tomaron valores conservativos de espesor del aislante térmico del tubo motor.

Los valores de la Tabla nº 7 son válidos para valores del Sd (coeficiente de seguridad, paso nº 4.1) igual a Sd = 2. Para valores de Sd = 1,5 a 2 incrementar en un 50% el valor del aislante térmico del tubo motor.

Ejemplos:
   Para un tubo motor de PVC, con diámetro interior Di de 38 mm, y Sd = 2,2 el valor del espesor del aislante térmico del tubo motor es de 1,2 mm.
   Para un tubo motor de Aluminio, con diámetro interior Di de 57 mm, y Sd = 1,6 el valor del espesor del aislante térmico del tubo motor debe estar entre 1,8 mm a 2,1mm.


Nota: Tanto la hoja de papel como la cartulina debe estar arrollada en forma "apretada", o sea no debe estar "suelta".
Como dato menciono que una hoja de papel marca Ledesma, de 80 g/m2, "Autor" tiene un espesor de 0,1333 mm. Estando arrollado su densidad típica es 0,74 g/cm³

6.2- Diámetro interior del grano Dintgrano
El diámetro interior del grano es función de una serie de variables y compromisos. Su determinación excede el nivel de complejidad que se pretende dar a todo el sistema de cálculo presentado. Para simplificar se propone usar la siguiente formula de cálculo empírica de desarrollo propio:
                                   Dintgrano = Dextgrano * m                                         Ecuación 6
Donde el valor de m (adimensional) es:
         
Propulsante base Dextrosa: m = 0,4.
         
Propulsante base Sorbitol: m = 0,55.

El valor calculado de
Dintgrano se lo puede redondear al valor inmediato superior. Por ejemplo: si el valor de cálculo de 11,873 mm es conveniente adoptar 12 mm, o si se dispone de un mandril de diámetro 12,5 mm
se puede adoptar dicho valor.

6.3- Longitud de un segmento de grano Lg

La curva de presión versus tiempo para una configuración de grano tipo Bates no es plana sino cóncava para abajo. Para que sea lo mas plana, o uniforme posible, conviene que las presiones iniciales y finales sean iguales; para ello el valor de la longitud de un segmento de grano Lg debe ser:
                                   Lg = (1,5 * Dextgrano) + (0,5 * Dintgrano)                   Ecuación 7
Ejemplo de cálculo para:
          Dextgrano = 35 mm
          Dintgrano = 14 mm
Aplicando la Ecuación 7:
                                Lg = (1,5 * 35 mm) + (0,5 * 14 mm) = 59,5 mm

Nota sobre el comportamiento del Sorbitol
Este modelo teórico coincide bastante bien en la práctica para los
propulsantes base Dextrosa. Para el Sorbitol la formula teórica es igual al caso de utilizar Dextrosa, sin embargo el Sorbitol presenta características anormales que se pueden corregir en alguna medida variando su longitud (reduciendo la longitud del segmento). Básicamente el fenómeno que se presenta es que se funde el Sorbitol y es expulsado sin quemar, como si fuese un fenómeno de erosión. Para el Sorbitol la longitud óptima depende de una serie de factores como ser cantidad de segmentos y diámetro interior del grano. Para no complicar los cálculos no se introducen modificaciones, las cuales se pueden realizar luego de hacer los ensayos en banco de prueba.
Es conveniente para los propulsantes a base de Sorbitol tratar de utilizar la mayor cantidad de segmentos de granos posibles y el mayor Dintgrano posible.
 
6.4- Determinación de la cantidad de segmentos

6.4.1- Determinación del peso de un segmento de grano                                                   

Teniendo definidas las dimensiones de un segmento de propulsante se calcula su peso Wg:
                                 Wg = ((Dextgrano)² - (Dintgrano)²) * Lg * rho * 7,854 / 10.000             Ecuación 8
Donde:
          Wg: peso de un segmento de grano, en gramos.
          Dextgrano: diámetro exterior del grano, en mm. Calculado en punto 6.1.
          Dintgrano: diámetro interior del grano, en mm. Calculado en punto 6.2.
          Lg: longitud de un segmento de grano, en mm. Calculado en punto 6.3.
          rho: densidad del propulsante, en g/cm³. Ver Tablan nº 8.

Valor de densidad del propulsante: si ya se ha preparado propulsante tomar el valor de densidad que se haya obtenido. Caso contrario tomar un valor típico de densidad obtenido en la práctica y presentado en Tabla nº 8.
Propulsante
Densidad ideal del propulsante
Densidad usual obtenida (rho)
Dextrosa/NK
1,879 g/cm³
1,79 g/cm³
Sorbitol/NK
1,841 g/cm³
1,75 g/cm³
Tabla nº 8- Valores de densidad para mezclas 35% / 65% de DX/NK y SO/NK

Ejemplo de cálculo para:
          Dextgrano = 35 mm
          Dintgrano = 14 mm
          Lg = 59,5 mm
          rho de DX/NK = 1,79 g/cm³
Aplicando la Ecuación 8:
                             Wg = ((35 mm)² - (14 mm )²) * 59,5 mm * 1,79 g/cm³ * 7,854 / 10.000
= 86 g

6.4.2- Cálculo del impulso que genera un segmento
Teniendo el peso de un segmento de grano se calcula el impulso Itgr que este generaría:

                        Itgr = Wg * Isp * g                                                              Ecuación 9
Donde:
        Itgr: impulso total de un segmento, en N-seg.
        Wg: peso de un segmento de propulsante, en Kilogramos.
        Isp: impulso específico, en segundos. Ver Tabla 9.
        g: aceleración de la gravedad ( 9,81 m/seg²).

Los valores de impulso específico son 164 seg. para ambas mezclas, en la práctica se obtienen valores menores (ver Tabla nº 9).
Propulsante seleccionado
Impulso específico
Dextrosa / NK
135 seg.
Sorbitol / NK
125 seg.
Tabla nº 9- Valores típicos de impulso específico para mezclas 35% / 65% de DX/NK y SO/NK

Ejemplo de cálculo para:
          Wg = 0,35 Kg.
          Isp = 125 seg
Aplicando la Ecuación 9:
                                Itgr = 0,35 [Kg.] * 125 [seg] * 9,81[m/seg²] =  429  N-seg


6.4.3- Determinación de la cantidad de segmentos

Para calcular la cantidad de segmentos Segm se aplica:
                       Segm = It / Itgr                                                                            Ecuación 10
Donde:
        Segm: cantidad de segmentos de propulsante, en unidades (valor entero sin decimales).
       
It: impulso total requerido, en N-seg.
       
Itgr: impulso total de un segmento, en N-seg.

La cifra obtenida del cociente de la Ecuación 10 se redondea en general para arriba. O sea que los valores posibles son 1, ó 2, ó 3, ó 4, ó 5. Si el valor es superior a 5 segmentos se debe volver a calcular con un diámetro de tubo mayor o aceptar un valor de impulso menor. De esta forma se obtiene Segmd: cantidad de segmentos de propulsante según diseño.

6.5- Cálculo del impulso total, acorde al diseño realizado
El valor de impulso total Itd acorde al diseño que se ha realizado, y que van a dar todos los segmentos del propulsante es:

                         Itd = Segmd * Itgr                                                                       Ecuación 11
Donde:
        Itd: impulso total acorde al diseño realizado, en N-seg.
        Segmd: cantidad de segmentos de propulsante según diseño, en unidades.
       
Itgr: impulso total de un segmento, en N-seg. (calculado en el punto 6.4.2)
Este cálculo se realiza ya que el valor de
Itd caracteriza al motor cohete.

 

 

 

 

 

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Primera emisión:25 de Octubre 2004
Ultima modificación: 25 de Mayo 2016
Diseño de Motores Cohete en 10 pasos, parte II
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