Motores cohete de propulsante sólido

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Motores cohete de propulsante sólido 
 
Sistema de propulsión más sencillo que se ha ideado. Consiste en una 
vasija de presión rellena de una mezcla de componentes solidos 
energéticos, que reaccionan químicamente a ritmo rápido produciendo 
gases a alta temperatura y presión que son expelidos por una tobera que 
los acelera y produce la consiguiente fuerza de reacción (empuje). 
 Al producirse la ignición se consume paulatinamente formando un frente de combustión sobre la 
superficie, cuya geometría determina la respuesta propulsiva del sistema, pues controla directamente la 
masa liberada. La capacidad de variación de empuje (throttling by design) se anticipa en el diseño 
geométrico del propulsante, dimensionando adecuadamente el área expuesta al proceso de combustión. 
La simplicidad del sistema conlleva algunas deficiencias entre las que la imposibilidad de variar el nivel de 
empuje obtenido en operación y la intrínseca dificultad para articular arranques y paradas es evidente. 
Frente a los modestos valores de impulso especifico contrasta la alta densidad de los propulsantes que, por 
tanto, ocupan poco espacio y la facilidad y estabilidad del almacenamiento y utilización de estos motores. 
 
Actuaciones de motor 
El comportamiento del motor queda reflejado en la curva empuje-tiempo, que se 
puede obtener de forma teórica o experimental. Se distinguen, normalmente, varias 
fases diferenciadas, a saber: 
• Fase de arranque La fase de arranque es compleja. Normalmente el sistema de ignición consiste en un 
sistema que libera gran cantidad de gases a alta temperatura que originan la ignición del propulsante. Se 
trata de un periodo claramente no-estacionario en el que la presión en la cámara aumenta rápidamente 
buscando una situación de equilibro entre el gasto producido por la combustión del propulsante con el que 
sale por la tobera. 
 
• Fase permanente Es la fase principal de funcionamiento del motor. Esta fase puede ser de empuje 
constate, creciente o decreciente (combustión neutra, progresiva o regresiva) o puede englobar diversas 
fases que sean de interés para la misión a cumplir. 
• Fase de empuje de cola En esta fase el propulsante ha sido consumido casi totalmente y corresponde a 
la descarga de la cámara en un proceso también no-estacionario. A menudo, las geometrías de los 
propulsantes causan que al final del periodo de combustión queden restos de propulsante sin quemar 
(“sliver fraction”), cuya combustión (o no) tiene lugar durante la fase de empuje de cola. Así mismo, como 
la cámara queda al descubierto, los aislantes empleados en su protección pueden también sufrir procesos 
de descomposición/ combustión que da lugar a que el gasto desalojado pueda contener parte de estas 
sustancias. 
 
Tipos de propulsante 
 
Propulsantes homogéneos (doble base) 
También denominados de doble base, son mezclas a nivel coloidal de sustancias cuya formulación 
molécular contiene elementos de carácter oxidante y reductor. Ejemplos de sustancias de esta naturaleza 
son la nitroglicerina y la nitrocelulosa. En definitiva, todos los propulsantes homogéneos conocidos, 
independientemente de su denominación comercial son una mezcla de nitroglicerina, nitrocelulosa y 
aditivos para mejorar sus características de combustión, de resistencia o de vida. Los propulsantes 
homogéneos son de difícil manejo y almacenamiento. 
Propulsantes heterogéneos (compuestos) 
Están formados por una mezcla de una sustancia oxidante y otra reductora. Por sustancia oxidante se 
entiende toda sustancia cuya molécula contiene elementos de carácter oxidante en exceso como, por 
ejemplo, las sales NO3NH4 (AN) y ClO4NH4 (AP); mientras que en una sustancia reductora ocurre lo 
contrario. Ejemplos de sustancias reductoras son aquéllas cuya molécula contiene C, H, O y N y las 
podemos encontrar en polímeros, resinas, gomas, cauchos, etc. Como el oxidante suele ser un sólido 
granulado, los propulsantes compuestos no son microscópicamente homogéneos, presentando una 
estructura de partículas de oxidante dispersas en el reductor. Obviamente, tanto la resistencia mecánica 
como las características energéticas y de combustión dependen de la relación en peso reductor/oxidante. 
Son más fáciles de manejar y almacenar que los de doble base y en general presentan mejores 
características propulsivas. 
Aplicaciones 
Lanzadores (“boosters”,1ª y 2ª escalón) 
Primeros y segundos escalones en misiones de inyección en orbita de cargas de pago (satélites, 
tripulaciones ISS, etc.) o misiles balísticos. Esbeltez alta (2 a 7), altura de operación baja, toberas con baja 
relación de áreas (6 a 16) con largos tiempos de operación (60 s. a 120 s.) 
Aplicación espacial (“upper stage”) 
Segundas o terceras etapas de lanzadores o misiles. Misiones de maniobra espacial. Propulsantes de alto 
impulso, relaciones de áreas grande (20 a 200), esbeltez pequeña (1 a 2), tiempos de operación grandes 
(40 s. a 120 s.) 
Cohetes de sondeo 
Primeras (“booster”) y segundas (“sustainer”) de cohetes de sondeo (alturas de operación de 30 a 200 km). 
Tamaño moderado, esbeltez alta. 
Misiles tácticos 
Todo tipo de misiles de corto alcance de alta aceleración (antitanque) o medio alcance de moderada 
aceleración (aire-aire, guiados, etc). Alta esbeltez (5 a 15), diámetro pequeño, cortos tiempos de 
combustión (incluso <1 s.), estabilización por giro, restricciones de signatura amplio, rango de 
temperaturas de utilización. 
JATO (o RATO) 
Sistema obsoleto (para aviación en general) se sigue utilizando en aplicaciones especiales (misiones muy 
concretas como lanzamiento de UAV’s) 
Misiles de defensa 
Utilizados como protección ante misiles balísticos. 
Generadores de gas 
Todo tipo de aplicaciones como actuadores pirotécnicos, generadores de gas en tubos de lanzamiento, 
válvulas, suministro de potencia en sistemas de arranque, airbag, etc. Usualmente el objetivo es generar 
gran cantidad de gas a baja temperatura. 
EJEMPLOS: Space Shuttle (NASA),Inertial upper state, Misiles estratégicos (icbm), Misil Minuteman, Serie 
STAR: Star 48GV y 37GV 
Sustancias y Función 
Oxidantes y Combustibles (Oxidizers and fuels) 
Son los ingredientes principales reaccionan entre si liberando gran cantidad de energía. El oxidante mas 
habitual es AP, presenta buenas características (compatibilidad con otras sustancias, buenas características 
propulsivas (bajo peso molecular de productos y alta temperatura de combustión), no es higroscópico, 
detonabilidad aceptable, precio razonable, etc.) También se usan AN y KN que con prestaciones 
propulsivas inferiores pueden ser mas baratos y presentan gases de salida sin humo ni toxicidad. 
Como combustibles se encuentran algunos metales (como por ejemplo, Al y Bo). El mas usado con 
diferencia es el aluminio en forma de partículas de pequeño tamaño (5-60 mm) que en proporciones de 
hasta el 20% produce un aumento considerable de densidad, temperatura e impulso especifico. 
Por otra parte, un numero apreciable de sustancias pueden actuar como oxidantes o reductores, como la 
NC. 
Ligantes (Binders) 
Los ligantes proporcionan una base estructural que caracteriza el comportamiento del propulsante solido 
en la respuesta mecánica, el proceso de fabricación y el envejecimiento. Sustancias habituales son HTPB, 
CTPB y NG, cuyo papel energético es el de combustibles que se recombinan con el oxidante. 
Eventualmente, se utiliza, GAP, también como ligante energético. 
Catalizadores (Burning-rate catalyst) 
Se utilizan catalizadores que modifican el ritmo de reacción de la superficie del solido para adaptarlo a las 
necesidades del diseño. Sustancias como el oxido de hierro incrementa el ritmo de velocidad de recesión 
de la superficie, mientras que el fluoruro de litio la disminuye, por ejemplo. 
Plastificantes (Plastidizers) 
A menudo se facilitan los procesos de fabricación añadiendo sustancias que contribuyen a mejorarlas 
características y que como en el caso de emplear NG, GAP o DEP, contribuyen de forma apreciable en las 
reacciones de combustión. 
Agentes de curado (Curing agents or crosslinkers) 
La misión de los agentes de curado es la de inducir la formación de largas cadenas y las uniones 
intermedias entre estas que desembocan en la estructura final de los polímeros empleados en 
propulsantes solidos. En proporciones muy bajas, tienen un efecto importante en las propiedades físicas 
finales, así como en los procesos de conformación o en el posterior envejecimiento. 
Otros aditivos 
Además de los productos enumerados se emplean gran cantidad de ingredientes con funciones diversas. 
Opacidizadores que impiden el calentamiento interior del propulsante por radiación. Agentes adhesivos 
que facilitan el pegado del propulsante con la cámara del motor. Desensibilizadores que aumentan la 
resistencia a la ignición haciendo la manipulación más segura. Etc. 
 
Estructura química de los propulsantes 
Propiedades físico-químicas 
Los materiales energéticos están constituidos por componentes reductores y oxidantes dentro de su 
estructura química. Los componentes reductores incorporan átomos de carbono e hidrógeno mientras que 
los oxidantes, como el NO2, incorporan átomos de carbono, nitrógeno u oxígeno en hidrocarburos para 
formar grupos como C-NO2 , N-NO2 o O-NO2. La rotura de los enlaces N-N u O-O genera gran cantidad de 
energía formando CO2 y N2. 
El proceso de combustión de los propulsantes solidos depende de las características físicas y químicas de 
los componentes, de la proporción en que aparecen en la formulación del propulsante, de como están 
mezclados, de la presencia de aditivos y catalizadores, así como, de la presión a la que tiene lugar el 
proceso y la temperatura inicial a la que se encuentran. 
Balance de oxígeno 
El índice de oxigeno de un propulsante es la cantidad de oxigeno 
(porcentaje en peso) que resulta liberado cuando se produce la 
conversión completa de C, H, S, Al, y otros, en productos como CO2, 
H2O, SO2, Al2O3 y otros. Si se produce un exceso de oxigeno el 
balance es positivo, por el contrario si para formar los productos se 
consume oxigeno adicional, el balance es negativo. 
Ejemplo 
RDX (C3H6O6N6) 
Para calcular el IOX utilizamos los átomos: 
3C produce 3 CO2, necesita 6 átomos de oxigeno 
6H produce 3 H2O, necesita 3 átomos de oxigeno 
6N produce 3 N2, necesita 0 átomos de oxigeno 
El RDX necesita 9 átomos de oxigeno y cuenta con 
6, dando un balance negativo de 3X15,9994=47.998 
gramos de oxigeno frente a los 222.117 gramos de 
peso molecular de la sustancia, dando un indice de 
oxigeno BO = -22.61 %. 
 
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Características deseables 
El propulsante solido de un motor cohete juega un papel primordial en las actuaciones del sistema. A 
diferencia de los propulsantes líquidos, que permanecen almacenados a la espera de ser utilizados, los 
propulsantes solidos conforman la cámara de combustión en la que son consumidos con responsabilidades 
que exceden las de cualquier otro elemento del motor. Participa en el proceso de sumisito de propulsante 
y su control por medio de sus propiedades balísticas y el área de combustión, determina directamente la 
presión de funcionamiento de la tobera, participa en la integridad estructural del sistema, aísla 
térmicamente grandes zonas del motor, participa en la dinámica y estabilidad aerodinámica del vehículo. 
Por estos motivos la lista de requisitos es larga: 
 
•Temperatura de combustión alta. 
•Bajo peso molecular de productos. 
•Alta densidad. 
•Buenas propiedades mecánicas. 
•Buenas propiedades de adherencia. 
•Resistencia al envejecimiento. 
•Características adecuadas de ignición. 
•Seguridad en la manipulación y fabricación. 
•Comportamiento reproducible. 
•Bajo coeficiente de expansión térmica. 
•Baja producción de humo. 
•Ausencia de productos tóxicos. 
•Baja absorción de agua. 
•Baja sensibilidad a la temperatura inicial. 
•Bajo exponente de presión. 
•Fenómeno de combustión erosiva moderado. 
 
Clasificación 
Propulsantes homogeneos 
El solido es homogéneo, oxidante y reductor se combinan a nivel molecular de tal forma que, en principio, 
se trata de una única sustancia como la nitrocelulosa (NC), aunque lo mas habitual es la mezcla a nivel 
coloidal de nitrocelulosa y nitroglicerina (NC y NG) denominándose propulsantes de doble base. 
–Single-base propellant: El ingrediente principal es NC disuelta en alcohol etílico. Se suelen añadir 
pequeñas cantidades de estabilizadores y supresores de llama, así como, otras sustancias que mejoran su 
proceso. 
–Double-base propellant: El propulsantes solido homogéneo más utilizado, combinando NC y NG (a veces 
se sustituye esta última por TMETN o DEGDN). La nitroglicerina, liquida a temperatura ambiente, se 
gelatiniza y estabiliza por medio de la nitrocelulosa resultando en propulsantes de moderadas 
características propulsivas y baja emisión de humos en los productos de combustión. 
–Triple-base propellant: Se puede añadir NQ a la convencional composición de NG y NC para obtener un 
propulsante que produce mas cantidad de átomos de hidrogeno disminuyendo el peso molecular de los 
productos y mejorando, en consecuencia, el impulso especifico. 
 
Propulsantes mixtos (cmdb, emcdb*) 
Se puede incrementar la energía liberada en los propulsantes de doble base (NG + NC) añadiendo 
partículas de AP, HMX o RDX, (CmDB) o añadir ligantes elastoméricos que mejoran las características físicas 
y permiten añadir mas nitramidas (EMCDB) o añadir particulas de solidos cristalinos como AP o Al 
incrementando el impulso y la densidad (CMDB) resultado en un propulsante cuyas características caen a 
medio camino entre un propulsante homogéneo y otro heterogéneo. 
 
Propulsantes heterogeneos (composite propellant) 
Los propulsantes heterogéneos (propulsante compuesto) se consiguen mediante la mezcla de partículas de 
oxidantes cristalinos y un ligante (binder) de matriz polimérica. Los oxidantes habituales son AP y AN por su 
alta capacidad de producir oxigeno en su descomposición. Típicamente se utilizan hidrocarburos como 
HTPB, CTPB y PBAN. Para incrementar la energía desplegada se pueden añadir partículas de Aluminio o 
Boro que aumentan apreciablemente el impulso especifico. 
–El propulsante compuesto mas utilizado en AP-HTPB y a menudo aluminizado AP-HTPB-Al. En el caso de 
no utilizar aluminio los productos de combustión está presente un humo blanco producido por la hidrólisis 
con la humedad ambiente del HCL. Cuando se añade aluminio la situación se agrava por la presencia de 
partículas sólidas de oxido de aluminio. La situación anterior se evita utilizando AN en vez de AP que 
elimina el cloro. 
–Es posible la utilización como ligante de DEGN. Por otra parte, se ha ensayado la utilización de explosivos 
cristalinos como RDX y HMX. Es posible añadir NC o NG mejorando las características propulsivas, haciendo 
la manipulación más segura, etc. 
 
Existe una terminología propia para definir las diferentes familias de propulsantes, EDB: extruded double-
base, CDB: cast double-base,CmDB: Cast-modified double-base, EMCDB: Elastomeric-modified cast double-
base, CMDB: Composite modified double-base propellant. 
 
Proceso de combustión 
Objetivos del análisis/experimentación 
•Describir los fenómenos que tienen lugar (para poder modelarlos). 
•Determinar las variables de las que depende la velocidad de recesión. 
•Obtener la velocidad de recesión. 
 
Determinación de rb 
 
 
 
Actuaciones 
•Identificar los fenómenos más relevantes que tiene lugar durante las distintas fases de combustión. 
•Identificar las diferentes fases de combustión. 
•Analizar el carácter estacionario o transitorio de los procesos 
•Determinación de la historia temporal de presión. 
•Análisis de la cinemáticade las superficies de combustión. 
•Análisis de transitorios. 
•Determinación de la cola de empuje. 
 
Ensayo de motor 
La caída del empuje al 90% del máximo se considera como un posible indicativo de que el propulsante ha 
sido agotado (se destruye la geometría de combustión quedando restos de propulsante, “sliver fraction”). 
En la fase de cola de empuje (tail-off period) se consumen los restos de propulsante y parte de los inertes 
que componen los aislantes, materiales de tobera, etc. 
Evaluación del gasto másico pesada antes y después del ensayo 
Determinación de puntos característicos se recurre a la intersección con la bisectriz de las tangentes. 
• Tiempo de combustión (burning time) Es el tiempo que transcurre desde que se alcanza el 10% de 
empuje máximo hasta que éste cae al 90% del valor máximo. Se debe utilizar para los cálculos que 
impliquen masa de propulsante consumida 
• Tiempo de funcionamiento (action time) Es el tiempo de funcionamiento definido como el que 
transcurre desde que el empuje alcanza el 10% del máximo hasta que cae nuevamente al 
10%. Se debe utilizar calculando actuaciones (impulso total, etc..) 
 
Propulsantes 
• Sustancias, funciones, naturaleza. 
• Formulación, estructura química 
• Índice de oxigeno 
• Características deseables 
• Clasificación, familias de propulsantes 
• Impulso-densidad 
• Velocidad de recesión 
• Ejemplos de formulación. Valores típicos 
• Procesos de combustión 
Presion cámara 
Análisis fenomenológico 
Queda determinada por el proceso de alimentación y la “limitación” que impone la sección 
critica de la tobera. El gasto que ingresa tiende a aumentar la presión, mientras que el que 
fluye por la tobera a bajarla, de tal forma que el proceso puede ser estable o no dependiendo 
de los parámetros involucrados (al margen de las inestabilidades de combustión en los que la 
respuesta dinámica del proceso de combustión juega un papel central). 
 
Volumen de control Establecemos un volumen deformable que ocupe toda la cavidad de la cámara de 
combustión hasta la garganta. 
• Superficie de la garganta (Ag): Superficie fija, permeable por la que fluye el gasto que atraviesa la 
garganta. 
• Superficie impermeable fija (Aw): Superficie fija, sobre las paredes inertes del interior del motor. Gasto 
nulo. 
• Superficie de combustión (Ab): Superficie deformable, que se establece sobre el área de combustión y 
que se mueve con ésta a la velocidad de recesión. En lo que respecta a la ecuación de continuidad es 
irrelevante si la superficie se establece en el interior del solido o en el exterior, siempre que el proceso sea 
cuasi-estacionario. 
 
Configuraciones 
- Combustión frontal 
Es la configuración mas sencilla posible en la que el propulsante llena completamente la cámara de 
combustión cilíndrica y se consume frontalmente: El área de combustión es constante. 
Wired propellant: Es posible insertar uno o mas hilos conductores a lo largo del propulsante para 
intensificar la velocidad de combustión. 
 
- Combustión lateral 
Cilindrica: La configuración mas sencilla es la de combustión interna a lo largo de un cilindro. 
Generalizaciones de esta configuración se consiguen con secciones transversales de diferentes formas: 
•Combustión interna-externa. 
•Star(estrella), wagon wheell, dendrite, anchor, dogbone, etc. 
Axilsimétricas: Se puede configurar el área de combustión mediante ranuras que adquieran diversas 
formas que dan nombre a las geometrías, conservando simetría de revolución que facilita el análisis: 
•Conocyl, slots and tube. 
Mixtas: Es habitual combinar diferentes configuraciones para obtener evoluciones del área de combustión 
concretas (booster & sustainer, progresive + regresive = neutral, etc). 
•Finocyl, segmented, radial slots, etc. 
Tridimensionales: A esta categoría responden algunas de las 
anteriores y completa la clasificación 
 
 
 
Dis
eño 
del 
áre
a de 
com
bust
ión 
Consideraciones de diseño geométrico 
•La presión de cámara interesa lo mas constante posible. En caso 
contrario hay que diseñar estructuralmente para la máxima presión 
alcanzada. Por otra parte el volumen ocupado por el motor debe ser lo 
mas pequeño posible (peso y costo). 
•Son fundamentales la “web fraction” y el “volumetric factor” pues 
describen la capacidad de alcanzar (alto) y mantener (tiempo) el empuje y 
con que eficacia se esta utilizando el espacio disponible. 
•A priori surgen conflictos como el tener suficiente sección de paso (“port 
area”) con uso eficiente del volumen (web fraction” y “volumetric 
factor”). 
•También es importante la “sliver fraction” es decir el propulsante no 
utilizado en fases convencionales y que se quema en condiciones 
deficientes en la fase de empuje de cola. 
 
Ejemplo: Estrella convencional 
Se ve como aumentar la fracción ocupada por la punta de la estrella (e) 
mejora el perímetro utilizado (aumenta) e incrementa la “web fraction” 
aumentando el área de combustión y la profundidad de penetración de la 
coordenada de avance. Como contrapartida al aumentar la fracción de 
punta se incrementa el área “sliver” y se disminuye el área de paso inicial 
(aumentaran los efectos de combustión erosiva). Al aumentar el numero 
de puntas empeora la “web fraction” y el perímetro disponible para igual 
fracción de punta pero mejoran las otra dos variables disminuyendo la fracción perdida (“sliver”) y 
aumentando el área de paso inicial.