El propelente “clásico” para la cohetería experimental en la base de Azúcar de mesa
como el combustible y binder y Nitrato de Potasio como el oxidante se ha propuesto en
el comienzo de los años 60 en el famoso libro de B. R. Brinley: ” Rocket Manual for
Amateurs”(USA), aunque fue inventado en el año 1943 y renombrado como "TF-1", por
W. Colburn también de USA. Una gran parte de los estudios teóricos y experimentales
del combustible KNSu han sido desarrollado por el grupo NEAR (Norwegian
experimental amateur rocket) y ingeniero aeronautico Richard Nakka de Canadá
Según de R. Nakka: ”Although not high performance propellant,
KN - Sucrose delivers a fair specific impulse. Its main advantage over many other
amateur formulations is a relative ease and safety of preparation and usage. Another
factor that makes this propellant popular is the ingredients, both of which are commonly
available.”
La ecuación teórica y los parámetros del propelente KNSu mezclado en la
formulación estándar - 65% de Nitrato de Potasio y 35% de Azúcar en masas, en
combustión de 68 atmósferas (1000 psi) son:
C12H22O11 + 6.288 KNO3 -> 3.796 CO2 + 5.205 CO + 7.794 H2O + 3.065 H2 + 3.143
N2 + 2.998 K2CO3 + 0.274 KOH;
sucrose solid C12H22O11
potassium nitrate solid KNO3
carbon dioxide gas CO2
carbon monoxide gas CO
steam gas H2O
hydrogen gas H2
nitrogen gas N2
potassium carbonate liquid K2CO3
potassium hydroxide gas KOH
Equipo y procedimientos de producción.
Para preparar el propelente KNSu usan en la mayoría de los casos la técnica de
fundir los componentes previamente bien secados y molidos (solo KNO3) a un polvo
fino con el tamaño de las partículas alrededor de 100 mm y mezclados en la proporción
típica: 65% de Nitrato de Potasio y 35% de Azúcar de mesa en masas. Los elementos
del propelente llamados como cuerpos o granos tienen la forma cilíndrica con un canal
hueco también cilíndrico. Una muestra de grano del combustible de KNSu se demuestra
en la Foto 1.
de uno de los componentes, moliendo el Nitrato de Potasio (calidad técnica) en un
molino eléctrico tal como se demuestra la Foto 2. Después de 20-30 segundos de
tratamiento el producto inicial se transforma a un polvo fino con el tamaño de las
partículas de 50 – 100 mm. Como material de combustible se puede aplicar el azúcar
granulado blanqueado de alta calidad (p. e. Ledesma S.A. Ind. Argentina).
en masas dentro un recipiente de tamaño adecuado utilizando una balanza digital con
escala fina tal como se demuestra en la Foto 3.
Después de haber pesado la cantidad necesaria (siempre de 25 a 30% mas
compenzando la probable perdida mientras se funden los componentes) para preparar un
grano de la masa predeterminada por el diseño del motor los polvos se agregan a un
contenedor cerrado donde estos se mezclan bien agitando o girando. Durante todos losprocesos del pesado y mezclado de los componentes hay que controlar y mantener el
nivel de la humedad en el orden de 30-50% teniendo en cuenta la naturaleza
higroscópica del combustible en todas las fazes de su preparación y uso.
La formación de los granos se hace mejor utilizando los cartuchos anteriormente
preparados de papel o cartón y algún pegamento sobre los moldes de tamaño adecuado
del diámetro y longitud de la cámara de combustión de motor. Estos cartuchos
simultáneamente sirven después como termoaisladores. Se puede hacer el canal hueco
en el grano con la ayuda de una varilla de madera del diámetro adecuado, lisa y
lubricada con aceite de silicona. Para lograr alta densidad del grano, evitar las burbujas
y facilitar el proceso de relleno de grano se usan un plato caliente de laboratorio (hasta
300º C) con el vibrador installado (Foto 6).
La parte más importante del equipo es la fuente del calor y el medio donde este calor
se distribuye para calentar uniformemente el crisol con componentes ya bien mezclados
hasta la temperatura de la fusión igual a 175º C. Una herramienta tradicional para eso es
un baño de aceite silicona. Pero este dispositivo tiene unas claras desventajas que
complican su uso en el proceso de fabricación de granos. Por lo tanto se ha diseñado el
complejo en la base de un calefactor eléctrico de aire caliente – “heat gun” de 1600 -
2000 W de potencia conectado a través de un filtro de malla metálica - uniformador de
flujo de aire caliente, con un barril metálico agujeriado y aislado térmicamente. Encima
de este barril se ubica el crisol semiesférico de chapa de cobre 1.5 mm. El cobre se usa
por razones de su alta termodifusividad. El control de la temperatura se hace con una
termocupla instalada dentro el barril (Foto 4). Un transformador variable se usa para
controlar con la precision la temperatura y el proceso.
También podría instalarse un controlador electrónico que mantenga la temperatura
necesaria. El calefactor de este tipo permite fundir cuidadosamente sin pasar a
caramelizarse los componentes del propelente en cantidades entre unos gramos hasta 1
kilogramo alcanzando alta calidad mecánica y poder calorífico de los granos. En la Foto
5 se presenta el complejo – calefactor y en la Foto 6 el equipo completo de fabricación
de los granos de KNSu.
KNSu.
Es importante que el grano del combustible KNSu después de su fundición y
enfriamiento debe ser protegido con un recubrimiento - inhibitor de resina epoxy o laca
nitrocelulosica y colocado en una bolsa de plástico con silicagel y guardado en una
refrigeradora para que no absorbiera la humedad. De esta manera los granos mantienen
su poder calorífico durante semanas.
Cámara de combustión (motor case).
Es el punto clave del diseño mecánico de un SRM. La cámara de combustión no
solo contiene un grano de combustible sólido pero también sirve como estructura de alta
resistencia mecánica con el peso muerto minimizado. La cámara de combustión con el
grano de combustible y la tobera normalmente esta constituida en funcion de la forma y
dimensiones de fuselaje del cohete. Para el propelente KNSu la geometría típica de la
cámara de combustión es un cilindro hueco de material adecuado aislado del interior y
que sostiene también la tobera y el bulkhead tal como se presentan en la Fig. 2 y la Foto
11.
Los distintos diseños de la cámara de combustión de un motor cohete sólido de
combustible de KNSu. (Grupo CoheX).
gracias
