Nota: La descripción de la serie de motores Tango se ha dividió en dos partes, siendo esta la primera parte.


Introducción

La serie de motores Tango fue diseñada para impulsar a los Cohetes EMIT (ver Serie de Cohetes EMIT), con un apogeo de 1 Km., y cumplir así la primera etapa del plan Metas planteadas y Proyecto Integrador XTA . Utilizan combustible sólido a base de Dextrosa y Nitrato de Potasio (35/65).
Para presentar los motores Tango se brindan los datos generales de dos motores típicos de esta serie: Tango J 8-1 y Tango J 9-2.
En los mismos las toberas de distinto diseño dan distintas curvas de empuje, y distintos valores de empuje total. Tambien se ha realizado una version del motor Tango con la mitad de propulsante, llamada Tanguito. Se presentan tambien algunas de las ecuaciones y los criterios que fueron utilizados en su diseño.

                                                                                 Motores de la serie Tango

El primer motor de la serie, un Tango J 9-1, se ensayo estáticamente con éxito el 1 de Abril del 2002. Después se realizaron varios ensayos estáticos con distintas alternativas de diseño. Videos de dos de estas pruebas las puede ver aqui:
         Ensayo motor Tango J9-2. Prueba 9 (431KB, en mpg)
         Ensayo motor Tango J8-2. Prueba 13 (426KB, en mpg)
Nota: estas pruebas fueron realizadas con la colaboración de "Tito" Martinez, quien realizo las filmaciones.

Grado de éxito
A Mayo 2008 se han realizado 32 encendidos de este tipo de motor, en sus distintas versiones. No hubo una sola explosion ni rotura del motor!!!!!. Esto da una confiabilidad alta del motor. Las unicas pérdidas han sido debidas a la no recuperación del cohete donde iba el motor.

	Finalmente un motor Tango J 8-2 impulso al cohete EMIT- 1 el 26 de Mayo de 2002, al EMIT- 2 el 5 de Enero 2003, y al EMIT- 3 el 16 de Junio 2003; comportándose los motores perfectamente y dentro de los parámetros de diseño. En la foto de la izquierda el EMIT- 2 en vuelo.

Selección del material del tubo motor

Una característica importante de esta serie de motores Tango es haber seleccionado un diámetro interior del tubo motor que permitiese utilizar tubo de acero inoxidable estándar, o tubo de aluminio aleado o caño de PVC, todos obtenibles en plaza. Esto permite la intercambiabilidad de piezas, y los datos de diseño al tener un diseño básico bien caracterizado. La aplicación de los distintos tipos de tubos permiten variadas aplicaciones, como por ejemplo utilizando tubo de PVC hacer motores para un solo uso, con tubo de aluminio hacer un motor liviano de alta performance, etc.

En el desarrollo "base" se usa tubo de acero AISI 304L, lo cual permite tener un motor reutilizable y reducir los costos del desarrollo. Los dos motores preparados inicialmente fueron ensayados repetidas veces, probando distintas configuraciones de grano, diferentes sistemas de ignición, distintas toberas y se realizaron varios ensayos estáticos.


Diseño del Tubo motor

Para lograr un apogeo de 1 kilómetro se calculó el empuje total requerido (ver Diseño General de un cohete tipo C.E.A.), a partir de ahí se pudo calcular la longitud de diseño de la cámara de combustión (ya que estaba fijado el diámetro interior).

NOTA:
Este es un ejemplo de cálculo real, en el cual para llegar a un valor de diseño se asumen valores, como por ejemplo la densidad del combustible, el espesor del manguito inhibidor, el Impulso específico, etc. Al ir realizado el proyecto se obtienen datos de la práctica con los cuales se puede ir recalculando y ajustando el diseño en caso de ser así requerido. La fuente de información inicial suele ser, aparte de la experiencia propia, datos tomados de sitios de Internet o datos de ensayos exploratorios.

Peso requerido de propulsante (Wg):
          Wg = Ft / (Isp * g)                                                                                    Ecuación 1
          Wg = 330 N-seg / (130 seg *9,81 m/seg²) = 0,259 Kg =259 g
Donde:
         Ft : Empuje total, en Newton-seg.
         Isp : Impulso específico, en segundos. Valores típicos:125 a 140 seg. se adopta Isp = 130 seg.
         g : Aceleración de la gravedad (9,81 m/seg²).

Volumen de propulsante requerido (Vgc):
          Vgc= Wg / rho                                                                                         Ecuación 2
          Vgc=259 g / 1,81 g/cm³ = 143,1 cm³ =143.094 mm³
donde:
          rho: Densidad, en gramos/centímetros cúbicos. Valores típicos van de 1,78 g/cm³ a 1,89 g/cm³.
Se adopta: rho = 1,81 g/cm³.

El espesor del tubo se fija en e =1,5 mm. La presión de rotura del tubo con estas dimensiones y material AISI 304L, es superior a 20 MPa. Para una presión máxima de trabajo de 10 MPa se obtiene un buen valor de factor de seguridad:
     
      Factor de Seguridad = Presión de Rotura/ Presión de Trabajo                     Ecuación 3
      Factor de Seguridad = 20 MPa / 10 MPa = 2

Nota:   
En un diseño estándar el factor de seguridad para el cálculo de la resistencia del tubo es 1,5.

Conociendo el diámetro externo del tubo (Dext ) y su espesor (e) se determina el diámetro interior (Dint), luego restándole los espesores del manguito inhibidor del grano, el juego libre del grano dentro del tubo y la ovalización del tubo (en nuestro caso se asume que el total es 0,9 mm), se obtiene el diámetro exterior del grano (Dgrextr):
          Dint = Dext - ( 2 * e )                                                                                Ecuación 4
          Dint = 38,1mm - ( 2 * 1,5 mm) = 35,1 mm
          Dgrextr = Dint - 0,9 mm = 34,2 mm                                                        Ecuación 5

El diámetro de la perforación central (dint ) se fijó en 14 mm. Este valor se fija luego de analizar que los diámetros menores a 14 mm (por ejemplo 12 mm), con toberas de diámetro de garganta 8 mm o 9 mm, y un solo grano en configuración Bates generan una diferencia de presiones "inicial a final" excesiva, dando al inicio un bajo empuje y al final una presión de trabajo demasiado alta.

La longitud del grano (Lg), asumiendo un solo grano en configuración Bates, con diámetro interno dint = 14 mm, es:
          Lg = Vgc/ Atg                                                                                                                  Ecuación 6
          Atg = ( Dext² - dint² ) * pi / 4 = (( 34,2 mm)² - ( 14 mm)² ) * pi / 4 = 765 mm²                Ecuación 7
          Lg= 143.094 mm³ / 765 mm² = 187 mm

donde:
         Atg : Area transversal del grano
         Dext : Diámetro externo del grano
         dint : Diámetro interno del grano

La longitud de diseño de la cámara de combustión (Lcc), se obtiene al agregar una tolerancia de 3 mm sobre la longitud del grano, es:
          Lcc =Lg + 3 mm                                                                                        Ecuación 8
          Lcc= 187mm + 3 mm = 190 mm

Conociendo la longitud de la cámara de combustión (Lcc) , la requerida para alojar la tapa (Latapa = 20,5 mm) y para alojar a la tobera (Latobera = 23,5 mm ) se determina la longitud del tubo motor (Ltubmot):
          Ltubmot= Lcc + Latapa + Latobera                                                           Ecuación 9
          Ltubmot= 190 mm +20,5 mm+ 23,5 mm = 234 mm

Tapa

El material de la tapa es acero SAE 1010, o SAE 1008, seleccionado por ser de bajo costo y fácil adquisición. La retención de la tapa se realiza mediante 6 tornillos pasantes autoaterrajantes MA3 trilobulares, con cabeza Torx nº 10.
Los tornillos son autoaterrajantes para evitar realizar el roscado del agujero con un macho. Esta es una operación que requeriría un macho de pequeñas dimensiones (y ademas caro), y mucha destreza para evitar la rotura del mismo, en especial en agujeros ciegos como es el caso de algunas toberas.
Los tornillos son de acero S.A.E. 1038, con un tratamiento térmico para obtener un torque de rotura de 2,4 a 3,6 Nm. Lamentablemente se ha visto que muchas veces los tornillos comprados en el mostrador de un negocio tienen muchas fallas de calidad, dispersión de valores de rotura, etc. Para conocer y asegurarse de los valores de rotura se procedió a montar un sencillo dispositivo consistente en una palanca y una cuchilla donde se ponían los tornillos para determinar su valor de resistencia al corte. Luego de la palanca se colgaba un peso conocido, el cual se desplazaba a intervalos regulares hasta tener la rotura del tornillo por corte (tipo cizallamiento). El valor de la rotura se obtenía del cálculo del peso por la relación de palanca.
Luego estos valores se pusieron en un gráfico de uso en estadística, un gráfico de Weibull, para ver cual era la dispersión que tenían los valores de rotura, y cual es el valor que se podía tomar como valor mínimo de rotura dentro del 99,9% de los tornillos del lote. Esta aproximación puede tener un margen de error por utilizar un sistema de medida poco preciso, pero da una idea del comportamiento de los tornillos.

Los agujeros en el tubo para sujetar la tapa son del diámetro para alojar el diámetro de la cabeza del tornillo, de manera tal reducir el diámetro exterior total y facilitar las operaciones de montaje del motor dentro de los fuselajes de los cohetes.

Las tapas utilizadas tienen mecanizado un agujero central roscado (rosca 1/8" BSPT) que permite:

         Conexión a un sistema de medición de presión en la cámara de combustión. Uso típico para ensayos
           estáticos.
         Instalar un sistema pirotécnico de retardo del sistema de eyección del paracaídas. Posible uso para un
          cohete de alta performance donde se elimine el sistema de temporizador electrónico y así reducir el peso
          del cohete.
         Poner un iniciador para ignición del motor con la conexión eléctrica saliendo por la parte superior. Uso
          previsto para segunda o tercera etapa.

Nota:
Las dimensiones del mecanizado inicial en la tapa y tobera para alojar los "O" ring se definieron en función de las especificaciones del fabricante del "O" ring, las cuales tuvieron que ser luego ajustadas en la práctica para un buen cierre y armado del motor.