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 vinilo
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". |
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|
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. |
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|
Sistema de sello de tobera y tapa con "O" ring. |
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|
Sujeción de tobera y tapa mediante tornillos. |
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|
Ignitor de Pólvora Negra comercial. |
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Diámetro exterior de tubo motor de hasta 65 mm.
|
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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 |
|
|
|
|
Tornillos
S.A.E |
|
|
|
|
Tornillos
métricos |
|
|
|
|
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 nº
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
nº 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 nº
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: espesor 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/diámetro
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) |
|
|
|
42
- 53
|
|
Espesor
manguito inhibidor (mm) |
|
|
|
1,4
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
|
|
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
nº
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 nº
7
Ejemplo de cálculo para:
Dextgrano = 35 mm
Dintgrano = 14 mm
Aplicando la Ecuación nº
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
nº
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 nº
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
nº
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 nº
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
nº
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 nº
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
nº
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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