Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
Cohetería Experimental                                 Motores                          Tutorial:                     Dise...
Prólogo    Por convicción personal asumo que el conocimiento es un bien social y, por lo tanto, dedominio público, es dec...
Tutorial: Diseño de un motor de propelente CandyResumen:       La idea del presente trabajo es buscar la forma de explicar...
¿Por qué empezamos por ahí? Porque es importante para no fracasar y frustrarse seguir unacurva lógica de aprendizaje que s...
Aclarado todo esto empecemos por el principio.¿Para qué quiero mi motor? Parámetros de diseño:       En primera instancia ...
Usaremos la siguiente fórmula:                                                    Vf 2                                  ...
Vayamos a nuestro ejemplo:1er intento variando solamente F, mr, D y Cd por los valores encontrados:                       ...
 Masa del propelente.       En nuestro Ejemplo:              E = 68 N.              I = 200 N s              mp = 185 ...
Por ejemplo conseguí este, de rezago.                                         Diám. Externo          Peso kg / m          ...
 En cuanto al combustible. La mayoría de los coheteros Argentinos y muchos delmundo están eligiendo usar Sorbitol (un edu...
¿Cómo hago para que en Dto (Es el diámetro de la garganta de la tobera) me aparezca elnúmero exacto que calculé?       De ...
Ahora sí, click en el botón grande que dice “Click para resolver Paso 1”.El gráfico se modifica y aparece:                ...
En este gráfico vemos la presión (en MPa) a lo largo del tiempo de combustión y datoscomo la presión máxima y el tiempo de...
De esta tabla usaremos más adelante las columnas 2 (Tiempo) y 3 (Empuje en N) paraprobar en OpenRocket nuestro diseño.Redi...
De        19,60 mm                                       De        18,37 mm         Masa del grano               0,197   k...
¿Cómo hago la tapa y la tobera? Diseño mecánico de tapa y tobera:       Debemos tener en cuenta algunas cosas:           ...
Cuando le demos el encargo al tornero, asegurémonos que entiende bien cuál es el trabajo arealizar. Qué nos pregunte todas...
Ejemplo del archivo .eng de un motor D de Condor Tec:      Utilizan el punto decimal, no la coma, y la información está co...
Para armar nuestro archivo:             Primero definimos nuestro encabezado, respetando los espacios normalizados y los ...
Reemplazar Nombre de usuario por el nombre de usuario que tengan en su computadora.       Ya podemos simular nuestro vuelo...
Vemos, en nuestra simulación, que el cohete vector CanSat con un motor diseñado pornosotros, alcanzó los parámetros de uso...
ANEXO       Velocidad de vuelo estable:       Nuestros cohetes son estabilizados aerodinámicamente por sus aletas y por un...
Recordemos que el peso de un cuerpo es su masa multiplicada por la gravedad (Un cuerpoen la Luna pesa menos que en la tier...
Planteo la sumatoria de fuerzas de un cohete y despejo el empuje.F  maE  P  maE  ma  PE  ma  m gE  m  (a  ...
Usando la fórmula de densidad despejo el volumen.                                        mp       mp  Volumen    Volum...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Tutorial: Diseño de un motor candy

6,881 views

Published on

  • Be the first to comment

Tutorial: Diseño de un motor candy

  1. 1. Cohetería Experimental Motores Tutorial: Diseño de un Motor con Propelente Candy Condiciones del copyleft. Todos los derechos otorgados. Bajo las sanciones establecidas por laética, queda rigurosamente permitida y sugerida, la reproducción total, parcial y el mejoramiento deesta obra por cualquier método, medio o procedimiento, comprendidos la fotocopia y el tratamientodigital. Se pide que se informe y se haga referencia al autor en todo uso que se le dé a la misma.
  2. 2. Prólogo  Por convicción personal asumo que el conocimiento es un bien social y, por lo tanto, dedominio público, es decir todos sabemos y todos debemos compartir lo que sabemos. Estecompartir, lo vivo, no como una obligación sino como un derecho; con el objeto de crear, pulir ymagnificar el conocimiento. Haciendo que todos seamos transformados en este devenir. Espero que este trabajo nos ayude a crecer y comunicarnos, a tentarnos en investigar y endescubrir, a entusiasmarnos con el compartir.  También por convicción creo que no podemos crecer solos. La cohetería es una tarea para trabajar en grupo, para que si uno está desanimado el resto loapoye, para que todos podamos alegrarnos, crecer juntos y desarrollar algo que en solitario nopodríamos, algo más grande y mejor. Por esto les recomiendo que: se asocien a la ACEMA(Asociación de Cohetería Experimental y Modelista de Argentina, www.acema.com.ar), formen susgrupos de trabajo, participen en el foro (www.coheteriaamateur.com.ar), comenten esta actividadentre sus amistades, vivan el placer de un hermoso lanzamiento en familia y con amigos. Por último tres pedidos:  Trabajen siempre extremando la seguridad; que esta actividad sea fuente de placer y no de malos ratos causados por “accidentes” evitables.  Si bien el trabajo fue hecho de corazón, es posible y hasta inevitable que se hayan deslizado algunos errores. Por favor háganmelos saber, escríbanme y entre todos mejoremos esto.  Participemos. Nadie es dueño de la verdad, todos tenemos nuestro granito de arena para aportar. Espero escuchar de sus experimentos y de sus éxitos así como de sus fracasos, siempre con el ánimo de aprender. Entre todos hagamos que la cohetería modelista y experimental crezca. Un abrazo y Buenos vuelos Javier Esteban Fernández quimeifc@yahoo.com.ar “Más rápido, más lejos, más alto”
  3. 3. Tutorial: Diseño de un motor de propelente CandyResumen: La idea del presente trabajo es buscar la forma de explicar el proceso que realizo cuandoestoy creando un motor, con el fin de poder transmitirlo y contestar a las personas que siemprepreguntan cómo diseñar un motor. Partiendo de la base (el cohete) hasta llegar al diseño teórico definitivo, veremos cuáles sonlos puntos a analizar y que herramientas podemos ir aprendiendo a manejar. Vamos a responder diversas preguntas:  ¿Para qué quiero mi motor? Parámetros de diseño.  ¿Qué forma tendrá nuestro motor? Geometría del grano.  ¿Cómo se comportará este motor, andará bien? Uso de la planilla SRM.  ¿Cómo hago la tapa y la tobera? Diseño mecánico de tapa y tobera.  ¿Cómo hago una simulación de lanzamiento con el motor que diseñé? Archivos eng.  ¿Y ahora qué hago? Puesta en marcha del proyecto. Al final en el anexo se verá una recopilación de fórmulas y tips de diseño Este es un documento en desarrollo que se enriquecerá con la ayuda de todos los que aportenideas, nuevas formas y métodos para el diseño y también por supuesto con las nuevas preguntas quevayan surgiendo. Ojalá este trabajo ayude a las personas que no saben cómo empezar. Qué de alguna manerales sirva de punta del hilo para ir desenrollando este hermoso mundo que es el diseño yconstrucción amateur de un cohete.Prólogo: Muchas veces en el foro (www.coheteriaamateur.com.ar) preguntan cómo se diseña unmotor. La respuesta rápida que damos es: leete el foro y luego con la planilla SRM traducida alcastellano por Guillermo Descalzo y viendo con que materiales contás. En pocas palabras: Estudiá ydespués volvé a preguntar las dudas. Me ha quedado la sensación que por precaución y para evitar frustraciones y accidentessomos, en nuestras respuestas, muy escuetos. Estamos desaprovechando la oportunidad detransmitir y crecer junto con otra persona en este maravilloso desafío del diseño. Por eso estoyplanteando otro tipo de respuesta más larga y que sirva como principio de un camino posible. Esta manera que describo no es la única para planear un motor, como siempre en nuestravida y en nuestras soluciones tecnológicas aplicamos las ideas que tenemos más frescas o mejorevaluadas (sin llegar al extremo, como dice Guillermo Descalzo, de si nuestra única herramienta esun martillo todo lo que vemos son clavos). Existen diversos caminos para llegar a diseñar un motor,en todos ellos usamos los instrumentos que mejor manejamos y aprendemos a usar algunos nuevos. El comienzo de la respuesta larga serían otras preguntas. Debemos ir más atrás, debemossaber: ¿Para qué querés construir un motor? ¿Cuál es tu objetivo? ¿Tenés experiencia construyendocohetes? ¿Ya poseés tu modelo armado o diseñado?
  4. 4. ¿Por qué empezamos por ahí? Porque es importante para no fracasar y frustrarse seguir unacurva lógica de aprendizaje que siempre recomendamos a todos los que empiezan:Trabaje con máxima seguridad y siguiendo la secuencia correcta, que es la siguiente: primero se aprende construyendo modelos de cohetes, y luego se diseñan cohetes propios. Si usted puede hacerlo y en su región puede obtener partes comerciales, le recomendamosque primero aprenda a hacer cohetes usando SIEMPRE motores manufacturados comercialmente;sólo cuando se domina A LA PERFECCIÓN el conocimiento de técnicas de estabilidad y se halogrado gran habilidad constructiva, se puede comenzar a diseñar cohetes. Por último, sólo quiencuente con AÑOS de experiencia puede comenzar a pensar en diseñar motores. NUNCA invierta esta secuencia. Fuente: http://www.acema.com.ar/SEG_Seguridad.html ¿Por qué diseñar un motor? Cada quien puede tener sus razones, puede haber muchasrespuestas válidas:  Por necesitar una cierta potencia y no conseguirla en el mercado actual.  Por falta de motores comerciales en mi país o zona.  Por el desafío que este diseño y su construcción implica.  Por motivos económicos, “No poseo dinero para un motor comercial”. De todas ellas con la única que no estoy de acuerdo es con la última. El costo en: estudio,desarrollo, mecanizado, maquinarias, herramientas, productos, tiempo sin volar (que debería sernuestro objetivo final), etc. hace que los motores amateurs no sean el camino más económico(aunque les parezca que sí) ni más veloz, comparado con la compra de un motor comercial. Parahacer un buen motor cohete, seguro, fiable, con consistencia y repetitividad en sus resultados,debemos cuidar mucho su fabricación y la hechura de sus granos combustibles. Diseñar y construir un motor no es difícil, pero exige estudio, ensayos, rediseños, tiempo,inversión de dinero y seriedad. Por esto pensemos bien si queremos encarar esta aventura. Y hablando de nosotros, los aficionados, más tarde o más temprano nos llega la hora dehacer un motor... el gran misterio!!! Es un gran desafío hacer nuestro primer motor, y llegado a estepunto y por razones de simplicidad y práctica, lo seriamente recomendable es encarar el diseño oconstrucción de un motor de combustible sólido, ya que son los de fabricación más sencilla.- Estono quiere decir que hacer motores amateur y usarlos sea más fácil o más barato que usar motorescomerciales... Inclinarse por el uso de motores autoconstruidos es MUCHO más caro y máscomplejo que ir y comprar un motor comercial (en aquellas zonas en las cuales estén disponibles), yademás es mucho más difícil encontrar lugares para volar un cohete con este tipo de motores declase amateur. Por eso, una de las mejores recomendaciones que podemos hacer a un cohetero estáreferida a eso, al uso de un lugar: cuando le presten un campo apto para hacer sus pruebas y vuelos,CUÍDELO... y nunca se enemiste con el dueño!!! Fuente: http://www.gdescalzo.com.ar/motores-cohete.htm
  5. 5. Aclarado todo esto empecemos por el principio.¿Para qué quiero mi motor? Parámetros de diseño: En primera instancia hay que saber que vamos a motorizar. Un cohete por supuesto, peroque tipo de aparato: peso, forma, uso, etc. Y como lo vamos a lanzar. Usaremos rampa: tipo y sobre todo largo. Con estas respuestas empezaremos a diseñar. Vamos a ver los distintos pasos ejemplificándolos con el siguiente proyecto: Uso: Diseñaremos un cohete con función de vector para un experimento CanSat. Este deberá transportar una carga útil de 200 g a una altura mínima de 500 m y deberá poderalojar en su bahía una carga de 45 mm de diámetro y 180 mm de largo. Forma y peso: Utilizaremos un caño de pvc de 63 mm exterior y 2 mm de pared comocuerpo principal. El cohete estará proyectado acorde a los tips de construcción y diseño comunes atodos. Como herramienta de diseño aconsejo e insisto en usar una plataforma gratuita. Puede sersencilla como Aerolab o más completa como OpenRocket, ambas de descarga libre en Internet, aligual que todo el software que sugeriré en adelante. Ejemplo del cohete desarrollado en OpenRocket, suponiendo una masa de motor de 400g: La masa al momento del despegue (sin contar el propelente) es de alrededor de 1300 g. Rampa: La rampa que poseemos o podemos utilizar es una rampa riel de 2 m de largo. Resumiendo los datos a tener en cuenta por nosotros en este momento:  Largo de rampa = 2 m.  Masa = 1300g = 1,3 kg.  Diámetro del cohete = 63 mm = 6,3 cm  Altura de vuelo deseada = 500 m. Con estos datos empezaremos primero a ver que empuje instantáneo mínimo necesitamospara que nuestro vector abandone la rampa con una velocidad de vuelo estable de 13 m/s.
  6. 6. Usaremos la siguiente fórmula:  Vf 2  E  m  2d  g    De donde sale esta fórmula pueden verlo en el anexo, al final de este documento. Reemplazando con nuestros valores, expresando la masa (m) en kg, el largo de la rampa (d)en m y la velocidad de vuelo estable (Vf) en m/s:  13 m / s 2  E  1,3 kg    22 m  9,81 m / s 2     E  67,68 N Primer dato de diseño encontrado: El Empuje instantáneo mínimo de nuestro motor. Es decirsi nuestro cohete mantiene (como mínimo) este empuje mientras recorre la rampa, nuestro Vectorserá estable al salir de ella. Con esto solo no basta. Sabemos que queremos llegar a 500 m de altura. ¿Cómo seguimos? Para este paso podríamos utilizar las fórmulas de Culp o la planilla Excel con dichasfórmulas. Pero prefiero utilizar, por conocimiento de uso, la planilla de Nakka, llamada Ezalt. Cuando abren dicha planilla y van a la solapa de cálculos en valores métricos (Metric) van aver que pide los siguientes datos: Title Test rocket Motor average thrust F= 120 N. Motor total impulse It = 125 N-sec. Motor propellant mass mp = 0,125 kg. Input data Rocket dead mass mr = 1,000 kg. Rocket diameter (max) D= 6 cm. Rocket drag coefficient Cd = 0,45 El primer dato (F) ya lo tenemos es el empuje mínimo que necesitamos. En nuestro caso yredondeando 68 N. El cuarto y quinto dato (mr y D) también los tenemos son respectivamente 1,3kg y 6,3 cm. El sexto dato es el coeficiente de resistencia, se acostumbra para ser conservador usarun coeficiente de 0,75. Debemos ahora empezar a jugar con el segundo y tercer dato. Estos están relacionados entresí por la definición de Impulso específico (Isp) de la siguiente manera: It mp  Isp  g De donde sale esta fórmula pueden verlo en el anexo, al final de este documento. El Isp para el Candy es de alrededor de 110. Empezamos a jugar hasta hallar un valor que nos lleve a los quinientos metros de alturafinal, los resultados se ven en la parte inferior de la planilla.
  7. 7. Vayamos a nuestro ejemplo:1er intento variando solamente F, mr, D y Cd por los valores encontrados: Title Test rocket Motor average thrust F= 68 N. Motor total impulse It = 125 N-sec. Motor propellant mass mp = 0,125 kg. Input data Rocket dead mass mr = 1,300 kg. Rocket diameter (max) D= 6,3 cm. Rocket drag coefficient Cd = 0,75 Peak altitude Z peak = 268 metres Time to peak altitude t peak = 8,0 sec. Predicted (with Max velocity V m ax = 73 metre/sec. drag) or V m ax = 262 km/hr Burnout altitude Z bo = 67 metresLa altitud (Zpeak) es baja para nuestros requerimientos.2do intento: Probamos un It de 150 Ns, y según la formula un mp de 0,139 kg Peak altitude Z peak = 353 metres Time to peak altitude t peak = 9,0 sec. Predicted (with Max velocity V m ax = 86 metre/sec. drag) or V m ax = 310 km/hr Burnout altitude Z bo = 96 metres3er intento: Probamos un It de 200 Ns, y según la formula un mp de 0,185 kg Title Test rocket Motor average thrust F= 68 N. Motor total impulse It = 200 N-sec. Motor propellant mass mp = 0,185 kg. Input data Rocket dead mass mr = 1,300 kg. Rocket diameter (max) D= 6,3 cm. Rocket drag coefficient Cd = 0,75 Peak altitude Z peak = 513 metres Time to peak altitude t peak = 10,7 sec. Predicted (with Max velocity V m ax = 111 metre/sec. drag) or V m ax = 401 km/hr Burnout altitude Z bo = 166 metresLlegamos a la altitud requerida.Comprobemos siempre, por seguridad de nuestros cálculos, la relación It con mp: 200 N s mp  110 s  9,81 m / s 2 mp  0,185 kgYa tenemos todos los parámetros para empezar a diseñar nuestro motor:  Empuje instantáneo mínimo.  Impulso.
  8. 8.  Masa del propelente. En nuestro Ejemplo:  E = 68 N.  I = 200 N s  mp = 185 g. Deberemos entonces diseñar un motor que cumpla estas exigencias, recordando que estasson aproximaciones y se irán ajustando a lo largo del proceso de diseño.¿Qué forma tendrá nuestro motor? Geometría del Grano: Ahora debemos dar algunos pasos para definir la geometría del grano. Decido trabajar con un grano tipo Bates, es decir con un centro vacío, inhibido en el exteriory una longitud acotada para que el empuje sea lo más plano posible. Para facilitar el cálculo vamos a asumir algunas relaciones en nuestro grano (ver anexo):  do = 40 % de Do.  Lo = 1,7 veces Do.  N (Número de granos) = 3.  Dg (Diám. de la garganta de la tobera) (Siempre mayor a 6 mm) = 25 % de Do.  Espesor del inhibidor = 3 % de Do.  Entre granos = 10 % de Do.  Lc (Largo de la cámara) = 3 veces (Lo + Entre grano) Según estas relaciones y teniendo en cuenta la densidad aproximada del Candy (ver anexo). mp Do  3 6,06 g / cm 3 Reemplazando el valor conocido (mp) en gramos: 185 g Do  3 6,06 g / cm 3 Do  3,1 cm  31mm Entonces el diámetro del grano más el inhibidor es de 3,3 cm Buscamos un caño con un diámetro interno cercano a nuestra necesidad.
  9. 9. Por ejemplo conseguí este, de rezago. Diám. Externo Peso kg / m Denominación x espesor lineal 1.1/4" Sch. 40S 42.16 x 3.56 3.441 Este caño nos proporciona un diámetro interno de 35 mm. Definido el caño verificamos la presión de rotura de manera aproximada: 2  e  Tr Pr  Di Donde: e es el espesor, Tr es la tensión límite (para caños sin costura de acero,aproximadamente 500 MPa) y Di el diámetro interno. 2  3,56 mm  500 MPa Pr  35 mm Pr  101,7 MPa Nuestro motor va a trabajar a lo sumo a 6 MPa y como mínimo recomiendo un factor deseguridad de 5, es decir Pr = 30 MPa. Si esto no se cumple buscaremos otro caño. En nuestro ejemplo tenemos un factor de seguridad de cerca de 17. Por esto decidimosseguir con este caño. Entonces el diámetro de la cámara (Dc) será de 35 mm con lo cual nuestro nuevo Do pasa aser de 3,3 cm o 33 mm. (35 mm – 2mm del inhibidor). Con este valor calculamos el resto de los parámetros según lo que asumimos. Entonces:  Dc = 35 mm  Lc = 177 mm  Do = 33 mm  do = 13 mm  Lo = 56 mm  N=3  Dg = 8 mm  Inhibidor = 1 mm  Entre grano = 3 mm Es importante recordar de verificar que el Dg no sea menor de 6 mm, pues por debajo de esediámetro se complicaría la carga del ignitor. Ahora podemos pasar a la planilla SRM.¿Cómo se comportará este motor, andará bien? Uso de la planilla SRM: Antes de abrir la planilla un par de consideraciones.
  10. 10.  En cuanto al combustible. La mayoría de los coheteros Argentinos y muchos delmundo están eligiendo usar Sorbitol (un edulcorante artificial) en lugar de azúcar de mesa; esto esdebido a que presenta mejores cualidades (en comparación con el azúcar) para su fundición ycolada, no se carameliza fácilmente, el grano no es tan quebradizo, la presión generada a igualdadde masa es menor y es un poco menos higroscópico.  En cuanto a las presiones generadas dentro del motor. Ya se adelantó que lo deseablees trabajar con menos de 6 MPa, cualquier presión por encima de 2,8 MPa es buena, aunque arribade 3 MPa es mejor. Es decir tenemos un rango de 3 a 6 MPa. Abran la planilla SRM. Si Excel no les habilita las macros cambien el nivel de seguridad enopciones y vuelvan a abrir, si les pide permiso para Habilitar acéptenlo. Cuando abren dicha planilla van a la solapa de “Datos y Kn” y van a ver que pide lossiguientes datos: Ahí ingresaremos los datos de nuestro motor. Quedará así: El próximo dato que agregaremos será el diámetro de la garganta de la tobera:
  11. 11. ¿Cómo hago para que en Dto (Es el diámetro de la garganta de la tobera) me aparezca elnúmero exacto que calculé? De la siguiente manera: Me paro en la casilla de la tobera (C35), luego voy a Herramientas,luego a buscar objetivo y doy click. Aparece: Donde dice “Con el valor” escribo el valor que deseo (en nuestro caso 8) y en “Para cambiarla celda” escribo C33 (que es la celda del Kn inicial). Queda así: Hago click en Aceptar y en un par de segundos aparece: Nuevamente click en Aceptar y listo: Tobera: Kno 223 Relación inicial de area de quemado / superficie de la garganta de la to 2 Ato 50 mm Area inicial de garganta Dto 8,000 mm Diámetro inicial de garganta
  12. 12. Ahora sí, click en el botón grande que dice “Click para resolver Paso 1”.El gráfico se modifica y aparece: Gráfico 1 Espesor de la "tela" ("web 300 12 250 10 thickness") 200 8 Kn 150 6 100 4 50 2 0 0 0 2 4 6 8 10 12 Regresión de la "tela" (Web Regression) (mm) Kn Espesor de TelaDonde se empieza a vislumbrar que la presión será pareja a lo largo de toda la combustión.Vamos a la próxima solapa “Presiones”.Click en “Click para resolver Paso 2”, luego click en “Click para resolver Paso 3”.El gráfico y las casillas con valores se modifican y aparece:
  13. 13. En este gráfico vemos la presión (en MPa) a lo largo del tiempo de combustión y datoscomo la presión máxima y el tiempo de combustión. De este gráfico rescatamos dos cosas importantes:  La presión generada al principio de la combustión (2,6 MPa) es baja de acuerdo a nuestros parámetros de diseño (debería estar entre 3 y 6 MPa). Esto se debe corregir, volveremos al final sobre este punto.  Al principio de la combustión no se presentan oscilaciones de presión, esto es muy bueno. Si estas oscilaciones aparecen: Agrandando el tamaño de la cámara (por ejemplo con más distancia entre granos) se soluciona. Vamos a la próxima solapa “Performance”. Click en “Click para resolver Paso 4”. El gráfico y las casillas con valores se modifican y aparece: Acá se continúa viendo algunos resultados y un dato importante el diámetro de salida de latobera (en la casilla C11). Además se verifica que el Isp da un valor cercano al que asumimos (queera de 110 s). Vamos a la próxima solapa “Resultados”. En ella vemos los resultados de nuestro diseño: Podemos observar que el motor quedó más grande de lo que necesitamos. Posee más Empuje, más Impulso y más propelente. Esto es debido al aumento del diámetro del grano a causa del caño seleccionado. Y una tabla de este tipo:
  14. 14. De esta tabla usaremos más adelante las columnas 2 (Tiempo) y 3 (Empuje en N) paraprobar en OpenRocket nuestro diseño.Rediseño: Un parámetro que no quedó muy bien fue la presión de la cámara. El inicio es un poco bajopor lo tanto debemos aumentar esa presión. Tenemos dos caminos:  Modificar la geometría del grano. Debemos aumentar el área de quemado inicial yfinal. Esto se puede lograr aumentando el largo de cada grano (Lo) y aumentando el diámetrointerior (do). Esto nos llevará a cambiar también las dimensiones de la cámara, específicamente ellargo de la misma.  Reducir el diámetro de la garganta. Debemos utilizar un diámetro de garganta en latobera (Dg) más chico y no hace falta redimensionar la cámara. 1er. Camino 2do. CaminoCámara de Combustión: Cámara de Combustión: Dc 35 mm Dc 35 mm Lc 181,5 mm Lc 177,0 mm Vc 174623 mm3 Vc 170294 mm3 Grano de Propelente Grano de Propelente Tipo 2 Tipo 2 Do 33,00 mm Do 33,00 mm do 16 mm do 13 mm Lo 57,50 mm Lo 56,00 mm N 3 N 3 Tobera: Tobera: Kno 251 Kno 253 Ato 50 mm2 Ato 44 mm2 Dto 8,000 mm Dto 7,500 mm Pmax = 3,32 MPa Pmax = 3,49 MPa
  15. 15. De 19,60 mm De 18,37 mm Masa del grano 0,197 kg. Masa del grano 0,212 kg. 0,435 libras 0,468 libras Impulso Total 211,8 N-seg. Impulso Total 228,8 N-seg. 47,6 lb-seg. 51,4 lb-seg. Empuje promedio 187,8 Newton Empuje promedio 172,5 Newton 42,2 libras 38,8 libras Tiempo de empuje 1,128 seg. Tiempo de empuje 1,326 seg.Impulso Específico (Isp) 109,4 seg. Impulso Específico (Isp) 109,9 seg. Clasificacion del Motor H 188 Clasificacion del Motor H 172 Ambos diseños solucionaron el inconveniente de la baja presión inicial. De estos dos prefiero el primero, por ninguna razón en particular, posee un poco menos depresión, un poco menos de combustible y un mayor empuje, aunque menos Impulso total. Una vez hechos todos los rediseños necesarios y conformes con el resultado, guardamos unacopia de la planilla o los datos que creamos más relevantes (sobre todo los datos de la solapa “Datosy Kn”) y copiamos la tabla de Tiempos y Empujes a un archivo de texto en el Bloc de notas, porejemplo. Tiempo Empuje (seg.) (Newtons) 0,000 0 0,058 184 0,059 184 0,113 187 0,169 189 0,224 191 0,279 193 0,335 194 0,390 196 0,445 196 0,501 197 0,556 197 0,612 197 0,667 196 0,722 196 0,778 195 0,833 193 0,888 191 0,944 189 0,999 187 1,054 184 1,105 122 1,129 0 Tenemos el caño y el grano, falta ahora la tapa y la tobera.
  16. 16. ¿Cómo hago la tapa y la tobera? Diseño mecánico de tapa y tobera: Debemos tener en cuenta algunas cosas:  Tanto la tapa como la tobera llevan un O´Ring para sellar lo mejor posible la cámara de combustión.  Llevan 6 u 8 tornillos para sujetarlas.  El largo de la garganta es aproximadamente igual a su diámetro.  El medio ángulo convergente, el del lado de la cámara, es de aproximadamente 30°.  El medio ángulo divergente, el del lado exterior, es de aproximadamente 15°.  El diámetro de salida me lo da la planilla SRM. Casilla C11 solapa “Performance”. Para darse una idea: En este punto dibujamos un plano, un croquis, en papel, en computadora, con Paint, conAutocad, lo que se nos dé mejor para expresar cuales son las medidas y cuales los trabajos que debehacer el tornero, así después no hay sorpresas. Por ejemplo este plano de una tobera está hecho en Paint:
  17. 17. Cuando le demos el encargo al tornero, asegurémonos que entiende bien cuál es el trabajo arealizar. Qué nos pregunte todas las dudas antes de empezar a tornear. Con respecto al caño: Es conveniente cortarlo a groso modo más grande y luego que eltornero lo lleve a medida. Así nos aseguramos la perfecta escuadra de sus extremos. Ademáspodemos pedirle al tornero que le haga un bisel interno al caño para facilitar la introducción de latapa y tobera con el O´Ring puesto. Con respecto a los tornillos y sus agujeros:  Cuando agujereamos lo hacemos con el conjunto armado; tapa, caño y tobera. Nuncapor separado.  Para agujerear y roscar marcar bien la mecha y el macho. Los agujeros son ciegos, notienen contacto con el interior de las piezas. Si nos pasamos con la mecha echamos a perdermaterial, plata y trabajo. Si nos pasamos con el macho y se quiebra, no lo saca nadie, vuelta aperder.  Primero hacer un agujero y roscarlo. Asegurar el conjunto con ese tornillo y seguirdespués realizando el resto de los agujeros. También debemos aprovechar en este momento para calcular los pesos de estos elementos.Un poco de geometría de cálculo de volúmenes y algunas simplificaciones de forma nos darán unaidea del volumen de hierro (en cm3) que tenemos. Luego sabiendo que el peso específico del hierro es de 7,8 g/cm3 podemos calcular la masade la tapa, la tobera y el caño. Ojo con este último pues el caño es más largo que la cámara (Lc). Para nuestro ejemplo:  Tapa = 7 cm3 => 54,6 g  Tobera = 13 cm3 => 101,4 g  Caño = 64 cm3 => 500 g  Total = 656 g Quedó más pesado que lo presupuesto, esto es por el caño que usamos, que era de paredesbien gruesas. ¿Cómo hago una simulación de lanzamiento con el motor que diseñé? Archivos .eng: Los simuladores (Wrasp, Rocksim, OpenRocket, etc.) usan un tipo especial de archivos paraguardar la información de los motores. Son los archivos con terminación .eng. De “engine” motoren Ingles.
  18. 18. Ejemplo del archivo .eng de un motor D de Condor Tec: Utilizan el punto decimal, no la coma, y la información está codificada de la siguientemanera: Comienzo del archivo. ; Tipo de motor. D15 Diámetro en mm. 24.0 Un encabezado (separado Longitud también en mm. 90.0 todo por exactamente 3 Tiempos de retardo de la carga de eyección. 4-6-8 espacios) donde figura: Masa de combustible (5 decimales). 0.02450 Masa total combustible incluido (5 decimales). 0.05300 Fabricante. Condor-TecPrimero 3 espacios, el tiempo Inicio de la combustión (que no debe ser cero). ###0.05#######1.39 en segundos, 8 lugaresdespués está el punto, pueden Puntos medios de la combustión. ###0.50######11.68 ser 7 o 6 espacios y el empuje en Newton. Final de la combustión (el empuje debe ser ###2.05#######0.00 cero). Final del archivo. ;
  19. 19. Para armar nuestro archivo:  Primero definimos nuestro encabezado, respetando los espacios normalizados y los decimales.  Luego copiamos los datos de tiempo y empuje, respetando los espacios normalizados.  Revisamos si esta todo correcto y si están los punto y coma al principio y al final.  Guardamos el documento como Nombre.eng. En Nombre, el que nosotros queramos. ¿Por qué hago tanto hincapié con los espacios y su cantidad? Me ha pasado que algunosprogramas no me reconocieran los archivos hasta que les di esa forma exacta. No me sirvió usarTAB, solamente espacios y en esa cantidad.Encabezado: Tipo de motor H188 Diámetro exterior en mm 42.0 Longitud también en mm 200.0 Tiempos de retardo de la carga de eyección. 0 Masa de combustible (5 decimales) 0.19700 Masa total combustible incluido (5 decimales) 0.85300 Fabricante ACEMA Debería quedar algo así: Lo guardo en:C:UsersNombre de usuarioAppDataRoamingOpenRocketThrustCurves
  20. 20. Reemplazar Nombre de usuario por el nombre de usuario que tengan en su computadora. Ya podemos simular nuestro vuelo. Cohete con el motor colocado (reemplazamos la masa supuesta de 400g por nuestro motor):Resultado de la simulación:
  21. 21. Vemos, en nuestra simulación, que el cohete vector CanSat con un motor diseñado pornosotros, alcanzó los parámetros de uso que habíamos impuesto, en altura, peso y velocidad final dela rampa (que es de casi 75 km/h). ¿Y ahora qué hago? Puesta en marcha del proyecto: Ahora hay que mandar a hacer el motor o hacerlo nosotros mismos, si tenemos torno. Debemos fundir el propelente y colarlo en los moldes para obtener los granos y guardarlosen silicagel para su posterior uso. Recuerden hacer una probeta para medir la velocidad dequemado. Sobre este tema se ha escrito bastante y les recomiendo visitar la página de GuillermoDescalzo y la de Richard Nakka. Si hace falta armamos también los ignitores o compramos ignitores pirotécnicos. Recuerdenque nuestros motores se encienden eléctricamente y desde una distancia segura, nunca piensen enusar una mecha de ningún tipo, ni ningún tipo de sistema que no pueda detenerse a voluntad o seainseguro. Ensayaremos el motor. Las primeras pruebas de un motor son bajo tierra (enterrados),dejando sobresalir solamente la tobera, a la que podemos atarle un alambre con un trapo o bolsa enel otro extremo. Esto último es por si sale volando para poder encontrarla. Para encender el motoruna vez colocado el ignitor debemos sellar la tobera con algo (cinta por ejemplo) a fin de que lacámara prontamente llegue a su presión de trabajo. Recuerden SIEMPRE encender el motor a unadistancia segura. Una vez que estamos seguros de la confiabilidad de nuestro motor podemos empezar conensayos en banco, de manera de poder caracterizar lo mejor posible nuestro motor. En la página deNakka se explica como hacer celdas de carga de distinto tipo. Desde elementos con electrónicahasta celdas hidráulicas de funcionamiento exclusivamente mecánico. Una vez bien caracterizado nuestro motor podemos volver a correr la simulación con losnuevos datos (de tiempo, empuje, peso, diámetros, etc.). Si llegamos aquí seremos los orgullosos poseedores de un motor fiable y un archivo .eng quedescribe, lo mejor posible, la realidad de lo que pasará en nuestro vuelo. FINAL: A volar se ha dicho. Invito a todos a discutir este documento para que tenga una mayor claridad y sea unaherramienta de introducción para los que se inician. Un Abrazo y Buenos Vuelos. Consejo final: Consulte a coheteros de experiencia de la ACEMA - Observe las imágenes de nuestro sitioweb y podrá notar que NINGÚN miembro de la ACEMA ha sufrido daños ocasionados por lapráctica de la cohetería civil. USE NUESTRA EXPERIENCIA, ESTAMOS PARA AYUDARLO. De: http://www.acema.com.ar/SEG_Seguridad.html
  22. 22. ANEXO Velocidad de vuelo estable: Nuestros cohetes son estabilizados aerodinámicamente por sus aletas y por un correctodiseño (Cp por delante de CG, por lo menos un calibre). Para que el aire pueda hacer su trabajo elcohete debe tener una velocidad mínima de alrededor de 45 – 50 km/h (13 – 14 m/s). Empuje: Es la fuerza que nuestro motor le comunica a nuestro cohete, haciendo que se venza el pesodel mismo de manera que se mueva. Este Empuje puede variar a lo largo de la combustión, por esose habla de Empuje Instantáneo (en cada instante). Impulso: Es una magnitud que nos permite conocer acerca del movimiento de un objeto. Para que un objeto se ponga en movimiento desde el reposo es necesario aplicarle unafuerza. El Impulso nos puede decir durante cuanto tiempo se le aplicó esa fuerza. Debido a esto esque el Impulso se mide en Newton Segundo [N s]. I  F t Este impulso llevará al cuerpo a adquirir una cierta velocidad dependiendo de su masa. Paraun mismo Impulso a mayor masa, menor velocidad. I  mv Nuestro motor es el encargado de generar el Impulso. Produce una fuerza (el Empuje)durante un cierto tiempo (el tiempo de combustión). Logrando que nuestro cohete se mueva con unacierta velocidad en función de su masa. Por esto es que si queremos llegar más alto, con un mismomotor, debemos bajar la masa del cohete. Impulso específico (Isp): Es lógico pensar que distintos propelentes producen distintos Impulsos, por ser distinto suempuje o su tiempo de combustión. Para comparar un propelente con otro se usa el Impulsoespecífico. ¿Qué es esto? Describamos por analogía: El Peso específico de un material es la relación entre su peso y elvolumen que ocupa. Peso Pe  Vol Esta magnitud nos muestra cuanto más o menos pesado es un material comparado con otrodel mismo volumen. De manera semejante el Impulso específico de un propelente es la relación entre el impulsoque produce un propelente y su peso. I Isp  Peso
  23. 23. Recordemos que el peso de un cuerpo es su masa multiplicada por la gravedad (Un cuerpoen la Luna pesa menos que en la tierra, aunque su masa no varía). Entonces: I Isp  m g Ahora, como el Impulso se mide en Newton segundo y masa por gravedad (m ∙ g) nos da en 2kg m/s que es Newton, la unidad de medida del Impulso especifico es el segundo. Esta es una magnitud que define el propelente, es de notar que cuanto mayor sea estenúmero, mayor eficiencia tendrá dicho propelente, es decir se necesitará menos masa de propelentepara lograr el mismo Impulso. Características del Candy de Sorbitol:  Isp: 110 segundos  Densidad (δ): 1,8 g/cm3  Velocidad de quemado a presión atmosférica: de 24 a 32 segundos la probeta de 10 cm de longitud. Geometría del grano:  do = entre 30 a 50 % de Do  Lo = 1,5 Do + 0,5 do  Dg = 2/3 de do  L = Lo * N  L/Do = entre 5 y 6 Geometría de la tobera:  El largo de la garganta es aproximadamente igual a su diámetro.  El medio ángulo convergente, el del lado de la cámara, es de aproximadamente 30°.  El medio ángulo divergente, el del lado exterior, es de aproximadamente 15°.  El diámetro de entrada es el mismo de la cámara.  El diámetro de salida me lo da la planilla SRM. Casilla C11 solapa “Performance”. Fórmulas: Para los que les guste la matemática. Empuje De la fórmula de velocidad de un movimiento acelerado despejo el tiempo y lo elevo alcuadrado. Vf Vf 2 Vf  t  a  t   t2  2 a a Introduzco este resultado en la fórmula de distancia de un movimiento acelerado y despejola aceleración. 1 1 Vf 2 1 Vf 2 1 Vf 2 Vf 2 d   a t2  d   a  2  d   a   2 2 a 2 a 2 d 2d
  24. 24. Planteo la sumatoria de fuerzas de un cohete y despejo el empuje.F  maE  P  maE  ma  PE  ma  m gE  m  (a  g )Reemplazo la aceleración por la encontrada antes y listo.  Vf 2 E  m  2d  g    ImpulsoDe la definición de Impulso específico despejo la masa del propelente. I IIsp   mp  mp  g Isp  g Diámetro del grano do  0,4  DoDefino el diámetro interior como el 40 % del diámetro exterior.En base a esto calculo la longitud óptima de un grano Bates.Lo  1,5  Do  0,5  do  1,5  Do  0,5  0,4  Do  1,5  Do  0,2  Do Lo  1,7  DoSabiendo que voy a usar 3 granos planteo la longitud total de propelente.L  Lo  N  L  1,7  Do  3  L  5,1 DoPlanteo el volumen del propelente y reemplazo los valores encontrados en los pasosanteriores.Volumen  Do 2   do 2   L 4Volumen   Do2  0,4  Do   2   5,1  Do 4Volumen   Do2  0,16  Do2     5,1  Do 4 0,84  Do2  Volumen   5,1  Do 4Volumen  3,365  Do3
  25. 25. Usando la fórmula de densidad despejo el volumen. mp mp  Volumen    Volumen   Igualo los dos volúmenes hallados, despejo Do y reemplazo el valor de la densidad. mp mp mp  3,365  Do3  Do  3  Do  3  3,365   3,365  1,8 g cm 3 Realizo los cálculos y termino. mp Do  3 6,06 g 3 cm Recursos en la red:Página de ACEMA www.acema.com.arPágina de Guillermo Descalzo www.gdescalzo.com.ar/indice.htmForo de Cohetería Amateur www.coheteriaamateur.com.arPágina de descarga de OpenRocket. openrocket.sourceforge.net/Página de Richard Nakka nakka-rocketry.net/ Javier Esteban Fernández quimeifc@yahoo.com.ar

×