Impulsos de motores de cohetes
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Impulsos de motores de cohetes
IntroducciónEl motor del cohete Impulser fue concebido en 2013 como el motor principal de mi entonces planeado cohete Zeta. Se concibió como un motor de clase I impulsado por una opción de propulsor de azúcar KNSB o KNDX. Posteriormente, el Impulser fue probado estático en octubre de 2013 y voló por primera vez exactamente un año después. El Impulser-X, una versión estirada del Impulser, se desarrolló poco después, con cinco segmentos de grano frente a los cuatro del Impulser original. Desde ese momento, el Impulser y el Impulser-XLos motores han demostrado ser muy adecuados para mis actividades experimentales de vuelo con cohetes, funcionan con un alto grado de confiabilidad y tienen un rango de impulso "justo" para mis cohetes DS y Zeta. Con la llegada de mi cohete Xi a fines de 2017, siendo un cohete algo más grande, descubrí que el Impulser-X tenía un poco de potencia. Esto llevó a un segundo tramo del Impulser, de cuatro segmentos de grano a seis. La última versión extendida se considera Impulser-XX.El impulsor está configurado con un grano BATES de 4 segmentos y tiene una capacidad nominal de 300 gramos de KNSB o KNDX. Impulser-X está configurado con un grano BATES de 5 segmentos con una capacidad nominal de 375 gramos de KNDX. Impulser-XX está configurado con un grano BATES de 6 segmentos con una capacidad nominal de 450 gramos de KNDX. El impulso nominal de Impulser es 400 Newton-segundos, 500 Newton-segundos para Impulser-X y 600 Newton-segundos para Impulser-XX. Impulser es capaz de lanzar un cohete de 2 kg (4,4 lb) y 2,5 pulgadas (64 mm) a una altitud de 2800 pies (850 m). Impulser-X puede elevar el mismo cohete a aproximadamente 3500 pies (1100 m) e Impulser-XX puede elevar el mismo cohete a aproximadamente 4200 pies (1280 m). En 2020, el desarrollo del propulsor KNPSB condujo a una nueva versión del motor Impulser. Me refiero a este nuevo motor como Impulser-B , que denota " Impulser reforzado ". Este motor es esencialmente el mismo que el impulsor básico excepto que utiliza 1 segmento de propulsor KNPSB con 3 segmentos de KNSB. Hasta la fecha (octubre de 2020), la familia de motores Impulser se ha encendido 53 veces:    Dimensiones y configuración básicasLos motores Impulser tienen un diámetro exterior de 1,50 pulgadas (38 mm). Impulser tiene una longitud total de 13,6 pulgadas ( 345 mm), Impulser-X tiene una longitud total de 16,2 pulgadas (410 mm) e Impulser-XX tiene una longitud total de 18,6 pulgadas (472 mm). Todos utilizan boquillas de acero y carcasas y mamparos de aleación de aluminio. Un par de juntas tóricas estándar sellan la boquilla y una sola junta tórica sella el mamparo. La boquilla y el mamparo están retenidos con anillos elásticos. Para proteger la carcasa de aluminio del calor de combustión, se emplea un revestimiento térmico. Los motores están diseñados para una reutilización ilimitada. Se produce una erosión menor de la garganta de la boquilla con cada disparo, lo que resulta en una pequeña desviación en el rendimiento con el tiempo. Haga clic para ver la imagen del Impulser-XX Grano propulsorEl motor Impulser puede utilizar KNSB a base de sorbitol o propulsor KNDX a base de dextrosa. Cuatro segmentos BATES forman el grano propulsor, y la combustión ocurre inicialmente a lo largo del núcleo y en ambos extremos de cada segmento. Un inhibidor adherido evita que se produzca la combustión en la superficie exterior de los segmentos de grano.El Impulser-X y el Impulser-XX fueron diseñados únicamente para su uso con propelente KNDX. Cinco y seis segmentos BATES, respectivamente, idénticos a los del Impulser, componen el grano propulsor de estos dos motores. Para maximizar el rendimiento y la confiabilidad, los segmentos de grano se moldean utilizando un sistema de molde dedicado que permite el curado del propulsor bajo la presión del resorte. Esto se hace para asegurar una buena unión entre el tubo de fundición y el propulsor. Una razón secundaria para curar bajo presión es eliminar todo el aire atrapado, maximizando la densidad y proporcionando características de combustión consistentes. Después de fundir y recortar, las superficies del propulsor se recubren con Combustion Primer para asegurar un encendido rápido de todas las superficies de grano y para proporcionar un arranque rápido del motor. Para producir los granos, la suspensión de propulsante fundida se vierte / recoge en tubos de fundición, que cumplen la función adicional de inhibidor para controlar qué superficies están expuestas a la combustión. Los tubos de fundición se fabrican con cartulina (también conocida como cartón o cartulina) de 12 o 13 puntos de espesor (0,025-0,030 g / cm2), que se trata primero con una o dos capas de barniz de poliuretano a base de aceite ( para mejorar su resistencia a la carbonización) y dejar secar completamente. Cortada en tiras, la cartulina se enrolla alrededor de un mandril para formar un tubo de dos capas. Las capas se unen con adhesivo en barra de pegamento extrafuerte. Originalmente, el tamaño del núcleo era de 3/8 de pulgada (9,5 mm). Esto se incrementó posteriormente a 7/16 de pulgada (11,1 mm) para los motores Impulser-X e Impulser-XX más largos, necesarios por el mayor diámetro de garganta de la boquilla de estos dos motores. Por conveniencia, el núcleo más grande también se usa para Impulser   Anillos espaciadoresSe emplean anillos espaciadores para proporcionar separación entre segmentos propulsores dentro del motor. Estos tienen un propósito esencial: garantizar que todas las superficies de los extremos de los segmentos comiencen a quemarse inmediatamente después de la puesta en marcha del motor. Originalmente, los anillos espaciadores se fabricaban con cartulina enrollada. Se encontró que, en ocasiones, se produciría una combustión anómala del grano propulsor, por lo que los gases de combustión calientes fluirían alrededor de las superficies exteriores de los granos. Esto conduce a algún daño al inhibidor del propulsor, exponiendo un área de combustión mayor que la nominal. Esto da como resultado un tiempo de combustión más corto y una presión máxima de la cámara más alta ( haga clic para comparar las curvas de aceleración del vuelo). Aunque no es una preocupación seria con respecto al rendimiento y la confiabilidad, se trata de una deficiencia de diseño. La solución fue reemplazar los anillos espaciadores de cartulina con juntas tóricas. Las juntas tóricas realizan admirablemente una función doble. Para proporcionar espacio entre los segmentos de grano y, además, para servir como un sello para ayudar a evitar que los gases fluyan alrededor del grano, lo que ayuda a garantizar que todos los gases de combustión fluyan únicamente a través del núcleo. Las juntas tóricas espaciadoras son de tamaño -225 y el material es Buna-N (nitrilo).BoquillaLas boquillas son de perfil cónico, tipo supersónico deLaval, mecanizadas en acero con bajo contenido de carbono, con semi ángulos convergentes de 30 ° y divergentes de 10°. La boquilla "flota libremente" dentro de la carcasa del motor, retenida dentro de la carcasa mediante un anillo de resorte N1300-137.La boquilla está sellada a presión con un par de juntas tóricas de -123 (nitrilo Buna-N), bien lubricadas con grasa de silicona. El diámetro de la garganta del impulsor depende de si se utiliza propulsor KNSB o KNDX. Debido a su velocidad de combustión más rápida, KNDX requiere una garganta un poco más grande para lograr la misma presión máxima en la cámara. De lo contrario, las boquillas tienen un diseño muy similar. La entrada a la garganta está redondeada para acelerar los productos de combustión de forma más gradual. Esto reduce la pérdida de rendimiento del flujo de dos fases (consulte la sección Teoría de SRM para obtener más detalles). El diseño de la boquilla Impulser se ha modificado recientemente. Se descubrió que se producía una pequeña cantidad de erosión en la garganta de la boquilla durante cada disparo. Para el Impulser, la erosión por disparo ascendió a aproximadamente 1 milésima de pulgada, o 33 micrones ( Haga clic para ver el gráfico ). Para el Impulser-X, la erosión fue mayor, alrededor de 3 milésimas de pulgada u 80 micrones ( Haga clic para ver el gráfico ). Para reducir la erosión de la garganta, se aumentó el grosor de la pared de la sección de la garganta de la boquilla. Este material añadido sirve para reducir la temperatura de la boquilla en la región crítica de la garganta, reduciendo así la erosión.  MamparoEl mamparo forma el cierre delantero del motor. El mamparo está mecanizado con aleación de aluminio 6061-T651. Para el sellado, se utiliza una junta tórica de -123 (nitrilo Buna-N) junto con grasa de silicona. El mamparo se retiene con un anillo elástico N1300-137. CajaLa carcasa del motor está hecha de tubos estirados de aleación de aluminio 6061-T6 de 1,50 pulgadas (38,1 mm) con un grosor de pared de 0,065 pulgadas (1,65 mm). Las ranuras se mecanizan internamente cerca de cada extremo para asentar los anillos elásticos que retienen la boquilla y el mamparo. Para proteger la carcasa de los gases de combustión calientes, se coloca un revestimiento térmico dentro de la carcasa. El revestimiento térmico se fabrica a partir de una hoja de cartulina enrollada alrededor de un mandril. El revestimiento es de dos capas, con la parte superpuesta unida con adhesivo en barra de pegamento extrafuerte. Para brindar mayor resistencia contra la carbonización, una o dos capas de barniz de poliuretano a base de aceitese aplica a la superficie interior del revestimiento y se deja secar completamente antes de enrollar. Se logra una mayor protección térmica cubriendo la superficie exterior del revestimiento con una sola capa de papel de aluminio, unida (antes de enrollar) con una barra de pegamento.EncendedorPara lograr un encendido rápido y un rendimiento óptimo del motor, se emplea un encendedor de tipo pirógeno iniciado eléctricamente. Insertado a través de la boquilla hasta el extremo de la cabeza del motor, el encendedor de pirógenos dispara un chorro de llama a lo largo del núcleo del motor hacia la boquilla, encendiendo rápidamente las superficies expuestas del grano propulsor. El encendedor consiste en un tubo de plástico de 6 cm de longitud ("pajita para beber") lleno de MDP o pirolizador de polvo negro, sellado en ambos extremos con pegamento caliente. Una pequeña longitud de alambre puente de nicromo inicia la carga. Dos ranuras en la pared del tubo cerca del extremo trasero del encendedor controlan la velocidad de combustión y permiten el escape de los gases calientes en forma de chorros de llama. ( Haga clic para obtener todos los detalles ).Planos de ingeniería
El rendimiento del motorLos motores Impulser se diseñaron con la ayuda del software SRM_2104.xls "Solid Rocket Motor Performance". Los parámetros de diseño se presentan en la Figura 7. Tenga en cuenta que el rendimiento real puede variar dependiendo de las características específicas de la preparación del propulsor (por ejemplo, tamaño de partícula, contenido de humedad, etc.).
Fotos y videoclips
Clips de video : Impulso-BImpulser-B, o " Impulser reforzado ", es la última versión delmotor Impulser. Impulser-B presenta 3 segmentos de propulsor KNSB y 1 segmento de propulsor KNPSB. El segmento único de propulsor KNPSB de combustión rápida proporciona un impulso en la plataforma de lanzamiento. Los tres segmentos KNSB de combustión más lenta sirven como sostén. Un beneficio adicional de incluir el segmento KNPSB es el rendimiento mejorado del motor en comparación con elmotor Impulser básicoimpulsado únicamente por KNSB. Esto se debe al impulso específico significativamente mayor de KNPSB. El impulso específico entregado del Impulser-BLa combinación del propulsor es de 140 segundos. Esto se compara con 129 segundos para KNSB operando en el motor Impulser.El diseño del Impulser-B es idéntico al del motor Impulser básico, con la excepción del diámetro de la garganta de la boquilla. El segmento KNPSB se coloca en el motor más cercano a la boquilla. Los parámetros del motor en comparación con las otras versiones del motor Impulser se muestran en la Figura 8.  El Impulser-B se disparó dos veces en prueba estática. Los resultados de la segunda prueba se muestran en la Figura 9. El Impulser-B voló por primera vez en el Vuelo Xi-18.  Haga clic para ver la versión métrica del gráfico |
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