Introducción

La oscilación acústica durante el funcionamiento de un motor cohete es una forma típica de combustión inestable debido a oscilaciones en la presión de la cámara de combustión y es frecuentemente acompañada en cambios en la velocidad de combustión. En casos extremos sus consecuencias pueden llegar a producir la falla del motor. A nivel de los ensayos realizados dentro del ámbito de la C.E.A. no suele ser detectada o identificada.
En la fig. 1 se presenta un gráfico típico de Presión (pressure) versus Tiempo para el caso de una combustión estable (Stable Burning) y el caso de una combustión con oscilaciones (Oscillatory Burning).

Fig. 1.- Gráfico Presión versus Tiempo para combustión estable y con oscilaciones

Alcance y bibliografía

En este escrito se presenta en forma general este tipo de fenómeno y a quien desee profundizar el tema se recomienda recurrir a bibliografía específica.
En casi todos los principales libros sobre cohetería sobre diseño, e investigación, de motores cohetes de propergoles sólidos, este tema es tratado. Por ejemplo:
       Rocket Propulsion Elements; autores Sutton y Biblar; séptima edición capítulo 13.4
       Rocket Propulsion; Autores Barrere y otros; primera edición en idioma ingles capítulo 6.8.

Aparte de estos libros, donde se no se trata en extenso este tema, recomiendo la lectura de:
       Combustión Inestabilities in Solid Propellant Rocket Motors; cuyo autor es F.E.C. Cullick.

Este libro tiene una extensión de unas 160 páginas y tiene también una serie de referencias muy amplias. Altamente recomendable!!!!.
Menciono esta información por si alguien desea profundizar el tema ya que a nivel amateur me parece que no es imprescindible manejar tanta matemática e investigación, en particular por no ser común este tipo de fenómeno. Lo que si me parece necesario es conocerlo para poder identificarlo en caso de que se presente.
También puede encontrar información en Internet.


Antecedentes y características

Hay referencias que este tipo de problemas ya fue encontrado al inicio de las investigaciones sobre motores cohetes en los principios de la Segunda Guerra mundial en Gran Bretaña, y muy especialmente en Alemania y Unión Soviética; alli fueron observados en motores de combustible sólido y liquido.
En los cohetes de combustibles líquido pueden acoplarse las oscilaciones de baja frecuencia con las vibraciones estructurales de baja frecuencia y los sistemas de alimentación del combustible. Un ejemplo de ello fue caso de las Apollo. En la primer etapa el motor central de las cinco motores era detenido antes que los otros para prevenir el incremento de las vibraciones que llegaban a amplitudes tales que los astronautas no eran capaces de leer los instrumentos. En el caso de los motores de combustible sólido se realizó considerables estudios sobre este tema luego que en tres ensayos de la tercer etapa del cohete Minuteman II (en E.E.U.U., a fines de la década de 1960) el mismo comenzara a fallar.

En el caso de los motores híbridos el tema es mucho mas grave y ha frenado el desarrollo de grandes motores por este tipo de problemas, estamos hablando de motores con empujes de 1.112.000 N y ensayos realizados en el año 1993 por la American Rocket Company. Debido a que ha estado presente en muchos desarrollos se han hecho un gran cantidad de experiencias y estudios teóricos sobre este tipo de fenómenos.
Sin ser una lista exhaustiva algunas de sus características son:
       El valor de la amplitud de las oscilaciones acústicas es variable.
       La presencia o no de las oscilaciones acústicas puede ser intermitentes o esporádica durante el curso de la combustión.
       Tiene una dependencia fuerte con la geometría del grano, las condiciones de trabajo y la formulación del propergol.
       Durante la oscilaciones acústicas se puede modificar la forma de combustión del propergol.

Un ejemplo práctico

Durante el transcurro del desarrollo del combustible para el motor cohete Vettor en banco de pruebas apareció este tipo de inestabilidad. En la figura nº 2 se presenta el gráfico de presión versus tiempo registrado en el ensayo para validar el Kn, ensayo nº 080501.

Fig. 2.- Registro de presión versus tiempo, ensayo para validar el Kn para el combustible del motor cohete Vettor, ensayo 080501.

Luego del pico inicial de presión, debido al sistema de ignición, se observa un comportamiento irregular en la presión.
Se podría pensar en algún problema de inestabilidad o ruido en el sistema de adquisición de datos el cual consiste en un trasductor de presión, un conversor A/D de 10 bit y una notebook para almacenar la información.
Si bien esto es posible, y de hecho existe, su magnitud es muy baja y no explica el tipo de comportamiento observado.
La confirmación de ser generado por oscilaciones acústicas esta dado por el registro del video del ensayo. Se presentan los fotogramas, prácticamente en forma secuencial donde si se observa con detalle sube y baja la presión; evidenciado por el ángulo de la pluma de humo y la presencia de mayor o menor zona "roja".

Fig. 3.- Primer fotograma. Estado "pico"		Fig. 4.- Segundo fotograma. Estado "valle"
Fig. 5- Tercer fotograma. Estado "pico"		Fig. 6.- Cuarto fotograma. Estado "valle"
Fig. 7.- Quinto fotograma. Estado "pico"		Fig. 8.- Sexto fotograma. Estado "valle"
Fig. 9- Séptimo fotograma. Estado "pico"		Fig. 10.- Octavo fotograma. Estado "valle"

Fig. 11.- Ejemplo de grano de caras paralelas utilizado en ensayos de banco de prueba.

Soluciones al problema de las oscilaciones acústicas

La aparición y necesidad de corregir este tipo de problema me parece que no es usual a nivel de la C.E.A. Una de las razones es que los motores son pequeños, con muy breves tiempos de combustión y no se llega a dar lugar a la aparición de este tipo de fenómeno. Cuando el tamaño de los motores va creciendo, como por ejemplo un motor Vettor con casi 10 Kg. de combustible puede darse lugar a este tipo de fenómenos.
En caso de presentarse estos fenómenos de oscilaciones acústicas las correcciones tradicionales son de dos tipos:
      Cambios en el diseño del motor cohete.
      Cambios en la composición del propergol.