Motor cohete

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En otra de las entradas de este blog se hablo de como poner en órbita un satélite y uno de los mayores inconvenientes es como llevar el satélite hasta su órbita ya que las antenas y medios de comunicación se pueden comprar por precios considerablemente económicos, solo basta con buscar en Internet en lugares como mercadolibre, ebay, amazon, etc. Lo mismo sucede con las cámaras a utilizar, en cualquier comercio o pagina de Internet podemos encontrar las cámaras como la gopro, nikon, o cualquier cámara utilizadas por ciclistas, motociclistas o deportistas para grabar sus recorridos. Ahora bien, el asunto es la propulsión y puesta en órbita del satélite ya que eso es algo muy caro si se considera pagar por ello. Por este motivo se explicara como funciona un motor cohete y sus partes principales así como las que lo mantienen en funcionamiento.

Lo primero es la combustión, se da en una cámara o en la misma tobera con la cual se logra una presión positiva en el interior de la cámara lo que propulsa la carga en dirección opuesta a la salida de los gases de combustión. La temperatura puede ir desde los 1000 °C hasta los 3000°C o mas, esto dependerá del combustible utilizado, y se controla de dos maneras:

Rodeando la cámara de combustión con una doble pared recorrida por el combustible en estado liquido que se calentara antes de entrar a la zona de combustión. Con esto se puede decir que el combustible hace de refrigerante previo a la combustión.

Fuente: http://aerospaceengines.blogspot.com.ar/

Fuente: http://aerospaceengines.blogspot.com.ar/

Fuente:http://almadeherrero.blogspot.com.ar/ En esta ultima imagen se puede apreciar la doble pared, es muy delgada y es lo que se necesita para que el motor cohete, mas bien el material del que esta hecho, no se funda por las altas temperaturas de la combustión.

Recubriendo la parte interna de la tobera y cámara de combustión con material cerámico o refractario. (Esta es una opción mas cara ya que estos materiales no serán fáciles de conseguir e implementar). Uno de los materiales que se puede utilizar es el Grafito, se pueden utilizar los crisoles de Grafito que se venden en cualquiera de las paginas mencionadas anteriormente, el único detalle es que habrá que retocarlos ya que se utilizan para fundición.


Combustibles y oxidantes.

Uno de los combustibles que se utilizaron en el Apollo XI fue el alcohol, por mas raro que suene es verdad, se lo utilizo por su bajo costo y fácil transporte. El alcohol (etílico por ejemplo) es un combustible muy estable y económico que se puede adquirir en cualquier comercio en cantidades de hasta un litro o mas, que son medidas justas para realizaciones caseras de un motor de cohete.

Muchos de ustedes dirán que en los cohetes se utilizan combustibles especiales, pero no siempre es así. En la segunda guerra mundial los cohetes famosos V-2 utilizaban alcohol llegando a altitudes de hasta 160 Kilómetros, muy considerables para su época. El combustible mas común también puede ser el Hidrógeno pero es muy difícil su almacenamiento ya que es muy reactivo y cara su obtención por eso no es recomendable para un experimento de tipo "casero".

Algo que hay que tener en cuanta es que para inyectar el combustible se suelen utilizar gases inertes o lo mas cercano a ellos posibles como el Nitrógeno almacenado a alta presión en tanque aparte.

Un artefacto famoso que utilizo el mismo principio del gas a alta presión para desplazar las sustancias es la mochila "jet pack" famosa en la guerra fría que funcionaba con Peróxido de Hidrógeno catalizado con Platino dando agua en forma de vapor y oxigeno a altas temperatura que proporcionaban empuje a su portador. El empuje duraba solo veinte segundos por lo que el proyecto se abandono pero algunos ejemplares siguen funcionando hoy en día.

Fuente: wikipedia, en la imagen se puede ver el catalizador enumerado con el numero 4, el numero dos corresponde al peróxido de hidrógeno y el numero 1 al nitrógeno a altas presiones.

Este método también puede ser utilizado para propulsar un satélite pero el peróxido es muy inestable, peligroso, y no es para nada económico y fácil de conseguir por lo que no se aconseja para proyectos caseros. Aun que si desean fabricar un jet pack solo deben seguir la imagen teniendo en cuenta que las tuberías y los tanques manejan altas presiones y altas temperaturas en el caso de las toberas coloreadas en rojo, los tanques ademas deben ser químicamente estables para el peróxido por lo que no se aconseja que sean metálicos y de serlos deben estar recubiertos en su interior de un material mas inerte o no catalizador como puede ser el Teflon.

En el caso de utilizar combustibles sólidos, lo mas conveniente es carbón vegetal y azufre (50 % - 50%) previamente triturados y prensados en forma de cilindro hueco por donde permite la entrada del oxidante. Pero se tiene que tener en cuenta que un cohete de esta clase no permite órbitas altas por su alto peso comparado con su rendimiento.Se los conoce con el nombre de cohetes híbridos y suelen utilizar toberas de grafito como las mencionadas al principio. Este cohete es mas seguro que el motor cohete solido en su totalidad ya que el oxidante y el combustible están separados disminuyendo una posible ignición accidental ya que el oxidante estará regulado por la válvula del tanque.

El contenedor del combustible solido puede ser de acero y no tendrá problemas con las altas temperaturas ya que el mismo combustible funciona como aislante térmico.

Fuente: investigadores.uncoma.edu.ar

Como oxidante se puede utilizar Oxigeno o simplemente aire filtrado comprimido pero este solo tiene un porcentaje del 20 % de oxigeno por lo que hay que tomarlo en cuanta a la hora de realizar cálculos de rendimiento ademas de tener en cuenta que se llevara el peso de los demás gases en el cohete restando rendimiento y retirando la posibilidad de una carga útil (satélite) mayor.
Como la manera mas económica es la segunda, aun que se reste carga útil es la mas recomendada, solo se necesitara un tanque para comprimir el aire que se consiguen en cualquier pagina de Internet o en las grandes ferreterías.

Fuente: mercadolibre.com

Estos tanques son una muy buena opción para encarar pruebas y prototipos de un proyecto de esta clase, ademas, traen partes para su agarre que se pueden utilizar como partes de fijación a la hora de armar la estructura del cohete portador.
Para reducir el tamaño del tanque de oxidante y de los costos del mismo, se puede aprovechar los gases atmosféricos presentes hasta los 30 kilómetros de altitud. Tengan en cuenta que esto se esta realizando actualmente y no deberán utilizar prototipos realizados por otras entidades ya que se encuentran sujetos a patentes y podrán estar expuestos a una demanda por derechos y propiedad intelectual.
Una manera simple y económica de aprovechar estos primeros 30 kilómetros es utilizando un pulsorreactor, este tipo de motores esta ampliamente difundido en el aeromodelismo actual y es un motor económico y fácil de hacer que solo consta de una tubería principal utilizada como tobera y cámara de combustión en la cual se coloco una válvula que regula la entrada de aire en su parte delantera. Esta válvula es accionada por la presión de la combustión y luego por la presión externa del aire atmosférico dando como resultado un ciclo de combustiones que le da el nombre de pulsorreactor. Estas combustiones son iniciadas por una bujía.

Fuente: radiocontrolvenezuela.es 

Fuente: espacial.org

Este motor se uso ampliamente, también, durante la segunda guerra mundial impulsando las bombas volantes V-1 que transportaban cargas explosivas de 500 kg con lo que nos da un amplio rango de carga cuando se habla de transporte satélite (siempre teniendo en cuenta que solo sera útil en las capas mas densas de la atmósfera que solo llegan hasta aproximadamente los 30 kilómetros de altitud, luego es conveniente que se deseche el motor para que el motor cohete transporte menos carga aumentando su rendimiento como ocurría y ocurre con los cohete de varias etapas o el transbordador espacial)