Pruebas estáticas de motores de cohetes
Sitio web de cohetería experimental de Richard Nakka (Traducción no oficial)
Pruebas estáticas de motores de cohetes
IntroducciónUna cosa es desarrollar un motor de cohete que produzca un empuje útil , pero otra es saber cuánto empuje se genera. ¿Cuál es la forma de la curva de tiempo de empuje real? ¿El empuje es constante a lo largo de la quemadura o varía mucho? ¿Qué pasa con la presión de la cámara? ¿La presión máxima de la cámara está cerca del límite estructural del motor? ¿Cuál es el impulso total producido? ¿Cómo se compara el rendimiento real (medido) con el teórico (diseño)? En mis intentos de responder a estas preguntas sobre los motores de cohetes que desarrollé a lo largo de los años, se idearon varios dispositivos. En esta página web, presento una descripción cronológica de estos. La medición del empuje real y la presión de la cámara durante la duración de la combustión puede proporcionar información valiosa, no solo sobre el rendimiento de los motores, sino también sobre el rendimiento del propulsor. Se presentan los medios para derivar el impulso total, el impulso específico, la estrella C y el coeficiente de empuje a partir de los datos de la prueba. Estos son algunos de los parámetros clave relacionados con el rendimiento de un propulsor y un motor de cohete sólido. EmpujadorUno de los primeros motores de cohete exitosos que desarrollé fue el que usé para mi primer vuelo de cohete amateur. Esto fue allá por 1972. Este motor era relativamente pequeño, alrededor de 1,8 cm de diámetro por unos 22 cm de largo. Se basaba en un motor similar, pero más corto, que apareciópara desarrollar un empuje útil, a juzgar por el corto tiempo de combustión (aproximadamente un segundo) y por el sonido espantosamente fuerte (¡al menos en comparación con los motores de cohete modelo con los que estaba familiarizado!). Pero ahora que el motor parecía ser poderoso, ¿cómo podría saber qué tan poderoso? ¿Qué impulso desarrolló realmente? Dado que el empuje es una fuerza, al igual que el peso, ¿por qué no utilizar una balanza? Entonces, mi primer banco de pruebas estáticas consistió en una escala de capacidad de 11 kg (25 lb) contra la cual empujaría el motor. Denominé a este artilugio un "thrustómetro" (Figura 1). Simplemente había asegurado un trozo de mina de lápiz al dial, que se grabaría contra una hoja de papel pegada con cinta adhesiva a la cara de la escala. Como el dial giraría bajo carga, grabaría un arco. De esta forma, se registró el empuje máximo. Este "thrustómetro" funcionó sorprendentemente bien, y se utilizó para más de una docena de pruebas estáticas. Finalmente se encontró con su destino un día cuando un motor de prueba acumuló una presión excesiva, cortó el pasador de seguridad y explotó el tapón del extremo. El "empuje" resultante fue mucho más allá de la capacidad de la báscula, ¡y rompió el dial!  Figura 1 --Thrustómetro utilizado para pruebas estáticas anteriores ThrustógrafoEn cierto sentido, la desaparición del thrustómetro fue oportuna. Registrar el empuje máximo fue un gran paso en la dirección correcta, y el tiempo de combustión se pudo estimar a partir de una grabación en cinta del disparo. Sin embargo, no había forma de saber cuál era la forma de la curva de empuje de tiempo (función de empuje). Esto era igualmente importante de saber, ya que el impulso total del motor es básicamente el área bajo la curva de tiempo-empuje. La altura a la que volará un cohete depende del impulso total y de la forma particular de la curva de tiempo-empuje más que del empuje máximo. Asimismo, es necesario conocer el impulso total producido para determinar el impulso específico real del propulsor.  Figura 2 - Thrustograph en acción - encendido estático del motor B-II, 28 de diciembre de 1972 Haga clic para obtener más detalles El motor del cohete se montó horizontalmente en un trineo al que se le permitió avanzar una distancia corta (bajo el empuje del motor) a lo largo de un conjunto de rieles. El trineo estaba restringido por un par de poderosos resortes de extensión. Adjunto al trineo había un brazo, que estaba sujeto en el otro extremo a un portalápices. La pluma se sostuvo de manera que la punta estuviera en contacto con una hoja de papel de registro encima de la mesa del trustógrafo. Este papel de registro (que estaba almacenado en forma enrollada) avanzaba a lo largo de la mesa del trustógrafo mediante un mecanismo de alimentación, que consistía en un par de rodillos de acero provistos de anillos de goma, entre los cuales se alimentaba el papel. Estos rodillos eran impulsados por un motor eléctrico (horno) de 120 V que giraba a 1720 RPM. Sin embargo, la velocidad de rotación de los rodillos se redujo mediante una serie de correas y poleas de manera que la velocidad de alimentación del papel era 4. Justo antes de encender el motor, se activó la alimentación de papel. Cuando el motor se enciende, el empuje vence la fuerza del resorte y avanza. La distancia real que se movería el trineo fue determinada por la constante del resorte (rigidez). Normalmente, los resortes se seleccionaron de manera que el movimiento máximo no fuera mayor de aproximadamente 6 pulgadas (15 cm). La anchura del papel era de 21,6 cm (8,5 pulgadas). El movimiento del trineo combinado con la alimentación del papel sobre la mesa hizo que el bolígrafo trazara una curva que correspondía a la curva de empuje-tiempo del motor. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de un gráfico de este tipo.  Figura 3 - Ejemplo de una gráfica obtenida del Thrustograph (fuerza a lo largo del eje vertical, tiempo a lo largo del eje horizontal). La calibración de los resortes se realizó mediante uno de dos métodos. Se utilizó un par de balanzas de pescador de 50 libras de capacidad (cada una) para extender los resortes del trustógrafo una cierta distancia (d) y al observar la fuerza total (F) requerida, se determinó la constante del resorte (k) (k = F /D). El segundo método consistía simplemente en quitar los resortes del trustógrafo y colgar pesos del extremo, y medir el desplazamiento para obtener la constante del resorte. Estos métodos estaban bien para motores de, digamos, menos de 200 libras (900 N.) de empuje, pero no eran prácticos para usar con resortes de mayor rigidez. Plataforma de prueba estáticaLa construcción de la plataforma de pruebas estáticas (como llegué a denominarla) se inició a principios de 1982. Este dispositivo se construyó como un reemplazo del trustógrafo y, de construcción robusta, se pensó como una herramienta que tendría la capacidad de manejar motores de cohete de empuje mucho mayor que el que su predecesor jamás podría manejar. El principio de cómo funcionaba este dispositivo era significativamente diferente: en lugar de trazar directamente la curva de empuje-tiempo, como lo hizo el thrustógrafo, este dispositivo convertiría el empuje en una señal electrónica que sería recopilada y procesada por computadora.. En el corazón del sistema había un transductor de fuerza, recuperado de una báscula de baño digital. Se trataba esencialmente de una pequeña viga en voladizo equipada con cuatro galgas extensométricas. A medida que se desviaba la viga, las galgas extensométricas sufrirían un cambio en la resistencia eléctrica. Un circuito de acondicionamiento convertiría esto en un cambio de voltaje, un circuito convertidor analógico-digital (A / D) lo convertiría en una señal binaria, que fue leída por computadora y almacenada en cinta digital, para su posprocesamiento. La frecuencia de muestreo de la señal fue generosa de 580 muestras / seg.
La deflexión se limitó generalmente a aproximadamente 0,25 pulgadas (6,4 mm), por lo que la barra se seleccionó de manera que su rigidez bajo el empuje máximo no excediera este límite. Se colocó un "tope" debajo de la barra de deflexión para limitar físicamente la deflexión, con el fin de evitar daños a la barra y al transductor de fuerza en caso de un empuje excesivo o una explosión. La estructura de soporte de la plataforma era de construcción pesada con vigas en I equipada con tres patas tubulares soldadas a los extremos de las vigas en I. Durante la prueba de prueba del equipo con cargas simuladas aplicadas, se encontró que la oscilación era un problema significativo. En lugar de la curva suave que se esperaba, la curva estaba llena de oscilaciones de alta frecuencia, como resultado de estar muy poco amortiguado , como un resorte que oscilaría hacia arriba y hacia abajo si se suspendiera un gran peso de él. Después de mucha consideración (incluida la posibilidad de eliminar la oscilación mediante software) se decidió diseñar y construir un dispositivo de amortiguación hidráulico que se adjuntaría a la barra deflectora. El amortiguador se fabricó de manera que la cantidad de amortiguación se pudiera ajustar fácilmente, según fuera necesario. La barra de deflexión elegida sobre la base de la deflexión en su envergadura, debido al empuje máximo del motor. La deflexión viene dada por:  La calibración de la plataforma de prueba estática se realizó con la ayuda de un brazo de calibración con varios pesos colgados en su extremo. El brazo amplifica efectivamente la fuerza debida a los pesos, con esta fuerza aplicada en la mitad del tramo de la barra de deflexión (donde actúa el empuje del motor), como se muestra en la Figura 6.  Ejemplo de curva de empuje-tiempo a partir de datos obtenidos con el equipo de prueba estático. Soporte de prueba estático STS-5000El Static Test Rig funcionó razonablemente bien, pero tenía un par de inconvenientes. La necesidad de un amortiguador para evitar oscilaciones era un inconveniente, pero más importante aún, era un inconveniente tener que cambiar la viga para adaptarse a diferentes motores de diferentes niveles de empuje. Quizás su mayor inconveniente fue su falta de portabilidad. Era pesado y difícil de manejar. En 2000 necesitaba un banco de pruebas para encender mi motor de cohete sólido Kappa (clase K) de nuevo diseño . Así que me propuse diseñar uno. La portabilidad fue una consideración importante. Al igual que el deseo de que se acomode a una celda de carga para medir el empuje. Dicha celda de carga podría ser hidráulica o electrónica. El resultado de este esfuerzo fue el banco de pruebas estático STS-5000. Este banco de pruebas fue diseñado para probar motores con un empuje máximo de hasta 5000 Newtons (1100 lbs.). La construcción básica del soporte de prueba estático STS-5000 es un soporte con base de trípode fabricado con tubos de metal sujetos con pernos. Era muy ligero, resistente y rígido, de bajo coste y se podía desmontar fácilmente para transportarlo y montarlo en el campo. Ahora, 20 años después, todavía utilizo el banco de pruebas estático STS-5000 para probar el rendimiento de casi todos mis motores nuevos. Haga clic para obtener detalles completos: página web del banco de pruebas estático STS-5000   Izquierda : Soporte de prueba STS-5000 para prueba estática KDX-002 (julio de 2000) Derecha : Soporte de prueba STS-5000 para prueba estática del motor Impulser-B experimental (mayo de 2020) Impulso total e impulso específicoLa medición del empuje de un motor de cohete proporciona información importante que puede usarse para determinar qué tan alto y qué tan rápido volará un cohete. Pero mucho más que eso, los datos de empuje se pueden usar para calcular el impulso total y el impulso específico . Conocer los valores reales "entregados" de estos dos parámetros clave del rendimiento del motor cohete permite una comparación con los valores de diseño. En particular, estos dos parámetros informan al experimentador sobre qué tan bien la combinación de motor y propulsorrealizado. Por ejemplo, si el impulso específico entregado es significativamente más bajo de lo esperado, la causa puede ser una deficiencia relacionada con el diseño del motor (como una boquilla ineficiente) o una deficiencia en el propulsor (como la forma en que se preparó). La medición del impulso total y específico también permite al experimentador evaluar el efecto de realizar modificaciones en el motor o el propulsor. Para investigar nuevas formulaciones de propulsores, el Impulso específico suministrado proporciona una indicación directa del rendimiento. Presión de la cámara, estrella C y coeficiente de empujeLa medición de la presión de la cámara del motor del cohete durante un encendido estático proporciona información importante sobre el rendimiento del motor que es de igual valor que la medición del empuje. El valor evidente de la medición de presión es la oportunidad de comparar entre el diseño y la presión de la cámara suministrada. ¿Por qué la presión de la cámara medida es más alta (o más baja) de lo esperado? ¿La presión aumenta y disminuye como se esperaba? Tener datos duros permite al experimentador realizar una investigación racional sobre por qué existe una discrepancia. La aceleración lenta es a menudo una consecuencia de un encendedor de poca potencia. Un período prolongado de colapso podría significar que hubo un encendido retardado de algunas regiones de la superficie del propulsor. La presión general más baja de la cámara a menudo se relaciona con algún aspecto particular de la preparación del propulsor, como el tamaño de las partículas del oxidante. Hay dos parámetros de rendimiento adicionales que pueden derivarse de la medición de la presión de la cámara: la velocidad característica, generalmente denominada estrella c , y el coeficiente de empuje . C-star es una figura de mérito termoquímico para un propulsor en particular y es indicativo de la eficiencia de la combustión. C-star puede calcularse a partir de los valores de presión de la cámara medidos y compararse con el valor teórico, normalmente obtenido de ProPEP o un programa de evaluación de propulsantes similar. El coeficiente de empuje, que es un factor que relaciona la presión de la cámara y el empuje, puede calcularse utilizando los valores medidos de estos dos parámetros. El coeficiente de empuje revela al experimentador qué tan bien la boquilla "amplifica" el empuje que se obtendría si la boquilla fuera un simple orificio. Otro beneficio de medir la presión de la cámara es que los datos se pueden usar para obtener una estimación razonablemente buena del empuje del motor, si el empuje no se mide directamente. Como la presión y el empuje de la cámara son directamente proporcionales, relacionados por el coeficiente de empuje y el área de la garganta (ambos pueden considerarse constantes), se puede obtener una estimación preliminar del empuje durante toda la duración de la combustión. [1] Presión de funcionamiento de 1000 psi; 30o medio ángulo convergente; 12o medio ángulo divergente; relación de expansión> 8 |
Última actualización 14 de mayo de 2020
Publicado originalmente el 10 de agosto de 2000
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