Elección de Formulaciones
¿Qué conviene hacer
o usar?
¿Porqué?
¿Es sólo una cuestión de gustos o hay algo más?
Consideraciones éticas
"Cuando
tu única herramienta es un martillo, cuidate porque verás a todos tus
problemas con la forma de clavos"
Ver
aclaración sobre el uso del término "propelente"
Existen
muchísimas formulaciones que han sido probadas por cientos de aficionados
durante años, y debido a la escasez de documentación centralizada sobre el
tema (problema que la internet ha ayudado a reducir notablemente), muchas de
esas formulaciones seguramente seguirán siendo probadas una y otra vez por
aficionados de todo el mundo... ante eso, mi reflexión es que si bien es lindo
y muy interesante experimentar, es más eficiente investigar o estudiar un
poco... antes de volcarse a la práctica.- También es MUY necesario
mantener claridad de ideas y dimensionar correctamente los fines con respecto a
los medios: no es coherente destinar esfuerzos enormes a realizar una tarea
dentro de un proyecto –por ejemplo, la fabricación solamente del propelente-
si ese esfuerzo puntual dentro del proyecto atentará contra la realización del
mismo. Hasta existen consideraciones éticas: por ejemplo,
nadie tiene el
derecho de contaminar severamente -y a sabiendas- el medio ambiente con el sólo
fin de practicar un hobby.- De llegar uno a ese tipo de planteos, debe poner en
la balanza si no conviene emplear materiales de ocurrencia natural en lugar de
ponerse a fabricar materiales que en su proceso o uso generen residuos
peligrosos o altamente contaminantes; el Hombre no tiene derecho a contaminar el
ambiente, y menos aún cuando el único fin es divertirse o sentirse
-incomprobablemente- el primero en algo.-
Para
eso, para aprender lineamientos básicos sin llegar a la práctica, existen muy
buenas publicaciones formales sobre propelentes, y sin tratarse de un mero
tratado de fomulaciones, una de las publicaciones más famosas (y con razón) es
el famoso libro “Rocket Propulsion Elements”, de George Sutton.- Tengo ese
libro gracias a mi amigo Marcelo Hacker, lo he leído y lo consulto; a pesar de
las opiniones de un par de idiotas, mucho de lo que usted lee aquí lo he
aprendido de ese libro.
Volviendo
al tema formulaciones, algunas de ellas van desde lo decididamente aceptable
hasta lo muy bueno, con lo que se han vuelto muy populares, mientras que otras
gozan de una fama inexplicablemente buena, seguramente debida a la propaganda
que sus usuarios le han hecho.- Con respecto a esto último, cualquier aficionado con
experiencia en cohetería experimental y en amateurismo seguramente recuerda
formulaciones con las que ha alcanzado el éxito y otras tantas que no le han
servido para nada... Pero es necesario establecer un importante concepto:
muchas veces el éxito con algunas formulaciones no está encerrado en la
formulación misma sino en el manejo que se haga de cada propelente, del diseño
del motor en la que se la usará y en la calidad de manufactura de todo el
conjunto, es decir que todo dependerá en gran medida de la capacidad,
conocimiento, esmero y habilidad del constructor de motores.-
Un caso típico de
esto son los motores de pólvora negra: No es importante si una pólvora tiene
un 1% de dextrina que si no lo tiene, o si usa 74% o 74,7% de nitrato de
potasio, sino que está comprobado que -dentro de ciertos
rangos y parámetros- es mucho más importante cómo se construye el motor que
las eventuales diferencias de formulación entre las pólvoras empleadas.-
Por
eso, más allá de la habilidad de cada uno, la cual seguramente cada cohetero
irá acrecentando con el tiempo... ¿cómo elegir el propelente más adecuado?
Creo que para poder elegir de la mejor manera hay que hacerlo con un criterio
amplio y tratando de aprender lo más posible, para no quedarnos sólo con lo
que parece mejor por pocas razones.
Además,
hay que usar criterios propios de un amateur, sin creer que estamos trabajando
en un campo profesional y mucho menos en áreas de Defensa, donde en pos de
intereses nacionales -y por ende mucho más elevados que los intereses de
diversión o lucro personal- se pueden tomar como normales ciertos factores
éticamente intolerables en el terreno de las decisiones personales.
En
otras palabras, en cohetería amateur, la disponibilidad de materiales,
la facilidad de trabajarlos y la manera de hacer motores tienen ENORMES
diferencias con lo que suele ocurrir en la fabricación de cohetes
profesionales o de uso militar.-
Se
puede hacer una gran distinción entre las necesidades profesionales y las de la
inmensa mayoría de los aficionados en lo que respecta a la elección del “combustible ideal”; inclusive
lo que puede ser lo mejor para un cohetero puede no gustarle o no
servirle a otro.-
Efectivamente, en esta elección pueden intervenir hasta cuestiones de gustos, ya que –por ejemplo- la presencia o ausencia de humo en
un propelente determinado puede ser importante para algunos aficionados,
mientras que la existencia o ausencia de llamas puede ser algo capital
para otros coheteros.- En mi gusto personal, si debo elegir prefiero
prescindir de las llamas, pero no del humo, ya que una llama brillante durante
el tiempo de empuje es linda y agradable, pero eso provoca temperaturas muy
elevadas en la garganta de la tobera, y nada es gratis... por eso, si soy puesto
a seleccionar prefiero una buena traza fumígena –humo, mucho humo- que me
permita gozar visualmente de la trayectoria durante más tiempo... pero eso es sólo
mi gusto, y se lo puede compartir o no.- También hay que tener en cuenta que el
humo visible puede estar compuesto por partículas en su fase sólida, algo que
es ineficiente, porque si hablamos de los gases de salida, llamas y humos, la
mayoría de los propelentes sólidos -en especial aquellos al alcance de la
mayoría de los aficionados- generan productos (ecuaciones) de combustión
consistentes en una mezcla de gases y partículas líquidas y/o sólidas.- Esto
se manifiesta en la forma de un humo intenso en el "chorro" del
motor.-
Si
los combustibles incluyen metales, en la combustión se generan
-obviamente- óxidos, los cuales en algunos casos son sumamente abrasivos, como
por ejemplo cuando se usa aluminio como combustible, generándose óxido de
aluminio, un material que se emplea en la confección de telas de esmeril y
pastas de pulir, por su extrema dureza y su estructura "puntiaguda".-
Esto debe tenerse bien presente durante el diseño y fabricación de la tobera:
si no se tiene en cuenta la variación erosiva en la sección de la garganta
debido a la aparición de ese tipo de compuestos y por ende si no se calcula la
variación de Kn (que es la relación entre la superficie de quemado del
propelente y el área de la garganta de la tobera) que se producirá, el
comportamiento teórico del motor va a ser muy diferente a su comportamiento
real.-
En
cambio, con el uso de oxidantes de composición metálica (por ejemplo
nuestro bien conocido nitrato de potasio) se generarán productos en fase de
condensación y de peso molecular elevado, lo cual tampoco es deseable... pero
ocurre y hay que decidir si se puede “convivir” con eso.- No es deseable
porque además de acelerar muy livianos gases por la tobera (cosa muy eficiente
en términos de propulsión), también deberemos acelerar partículas mucho más
pesadas... Por ejemplo, en la ecuación de combustión de un motor candy se
producirá un denso humo que -en su mayoría- es carbonato de potasio, ya que el
hecho concreto es que –por ejemplo- en un candy que use KNO3 como oxidante,
entre el 40 y el 45% de la masa eyectada por la tobera es materia en
estado sólido, en partículas muy pequeñas pero pesadas.-
Elecciones...
discutibles
Hablando
concretamente de la calidad y tipo de oxidantes, he visto algunos textos
publicados en la internet en los que un aficionado a la cohetería anuncia
que –para él- la obtención de un propelente amateur de buena calidad se ve
impedida por no disponerse en todos los mercados y libremente de perclorato de
amonio, un oxidante que alivia el problema de los sólidos en la ecuación de
combustión.- Personalmente creo que si lo que uno busca es un propelente
amateur, la eliminación o reducción de sólidos en la ecuación de combustión es un
problema MUY importante, pero no es para nada lo más importante o el único factor
a
considerar en el diseño de un cohete completo.-
He leído que luego de varios años de trabajo alguien logró
desarrollar una técnica que le permite fabricar lotes de algunos kilogramos de perclorato de
amonio; me llamó brevemente la atención que ese señor se ufane ante la posibilidad de ser la única persona
en Sudamérica que logró hacer un producto final con la pureza adecuada para uso en cohetería
amateur, auqnue va un poco más allá, porque también dice ser uno de las pocas
personas que lo ha logrado a nivel mundial (?).- A lo mejor
participa en alguna clase de competencia que desconozco... porque de no ser
así, hay cosas que no entiendo...
De todos modos, no digo que sintetizar perclorato de amonio sea un logro sencillo... pero si se trata de algo tan complejo que casi
nadio lo logró (o casi nadie lo hace), puede ser por eso mismo que la síntesis
de perclorato de amonio no sea la decisión correcta para la mayoría de los
aficionados.-
Digo que puede no ser una decisión correcta... y es sólo una opinión, porque
por esa misma razón -las dificultades que entraña- su trabajo no parece ser algo
destinado a beneficiar a muchos aficionados, más allá de él mismo o de las
pocas personas que accedan a los pocos kilos de perclorato de amonio que él
decida hacer o pueda fabricar y/o distribuir... a menos que publique el
proceso completo sobre cómo hacerlo.-
Porque si a cualquier aficionado le va
a llevar tal nivel de esfuerzo (“años de trabajo”) para aprender
fabricar SOLO UNO de los consumibles necesarios para hacer un motor (y
le falta TODO el resto del cohete),
difícilmente pueda pensar este hombre que él esté dedicándose a la cohetería,
porque en realidad se está dedicando a recrear procesos químicos industriales
en un modo de entrecasa.-
En pocas palabras: el logro de ese hombre –logro que no desmerezco
tecnológicamente- no me parece un avance inmediato para la cohetería amateur en general,
ya que no será sencillo que muchos otros aficionados gocen de algún beneficio
inminente en todo esto.-
Algo
que tampoco debe ser dejado de lado es que debido al MUY alto grado de
contaminación ambiental que produce la fabricación del perclorato de amonio, a
nivel mundial se está tratando de reemplazarlo por otros oxidantes, y
aparentemente podría usarse en su lugar el nitrato de amonio estabilizado en
fase (ver aquí), aunque a costa de rendimientos
algo menores, principalmente en la forma de tasas de quemado más bajas. Entonces, sabiendo
eso, en lo personal me parece inadecuada la idea de ponerse a fabricar perclorato
de amonio, debido a la contaminación que produce.. Y no estamos hablando de cosas menores, ya que algunos de los
residuos que se producen en grandes cantidades para sintetizar sólo unos
cuantos kilos del producto final son muchos litros de soluciones de naturaleza
cancerígena...
En lo personal, prefiero ser consecuente con mi posición ética;
yo no podría permitirme contradicciones como declarar que la seguridad es una prioridad que está
al mismo nivel que el cuidado del medio ambiente si luego debo aceptar y
declarar que mis trabajos producen cantidades de residuos
cancerígenos y contaminantes para el agua y la atmósfera.
Ante semejantes contradicciones, parece al menos poco coherente manifestarse
como defensor del medio ambiente y acto seguido dedicarse a generar
sub-productos cancerígenos
sólo para producir algunos kilos de un buen –pero discutible en términos de
amateurismo- oxidante...
Cuando veo cosas así pienso que a pesar de todas estas incoherencias y de mantener mi
posición ética muy distante de ese tipo de acciones, rescato el derecho que
todo el mundo tiene de hacer lo que cada cual considere conveniente, del mismo modo que rescato mi
derecho de opinar sobre el tema.
Claridad de objetivos y de los
procesos para alcanzarlos:
Todo
esto nos lleva a plantearnos un asunto que suele ser dejado de lado por muchos
aficionados:
Es necesario hallar un balance adecuado entre la complejidad y la
practicidad en los diseños destinados a nuestros fines, que son fines de
aficionados.-
Por supuesto que esto incluye ser coherente y no dejar de lado
importantes consideraciones éticas, las cuales incluyen especialmente la
preservación del medio ambiente.-
En otras palabras, hay que tener ideas claras y no “matar moscas a cañonazos”....
Por
eso, ¿cómo hacer para seleccionar el propelente más adecuado a nuestros
fines personales?
Para enumerar y tener en cuenta los requerimientos y características de los
propelentes sólidos experimentales y poder efectuar una correcta selección,
propongo adherir a una idea del maestro canadiense Richard Nakka, un hombre de
innegables conocimientos e impecable posición ética, y basarnos en una lista
arbitraria de condiciones que el propio Nakka ha propuesto.- En esa lista no se
ha seguido ningún órden en particular, pero coincidamos en que los tres o
cuatro primeros puntos son los de máxima importancia para mantener claridad de
objetivos, procesos coherentes y una correcta posición ética.- Ese
ordenamiento previene la toma de decisiones incorrectas, como sería privilegiar
el rendimiento por encima de la contaminación, la seguridad, la complejidad y
costo.-
Factores a analizar
Veamos
entonces cuales son los asuntos a tener en cuenta para seleccionar la formulación
de un propelente, y tengamos en cuenta desde un principio que estos temas están
-en muchos casos- muy íntimamente relacionados entre si.- Los asuntos a
analizar son los que figuran el siguiente Decálogo de Elección de
Formulaciones:
-
Seguridad
en el manejo, almacenamiento y uso de los materiales
-
Toxicidad
de los elementos constituyentes y de los productos resultantes de su
combustión
-
Disponibilidad
en el mercado local
-
Costo
-
Performance
adecuada con los fines que se persiguen en cada proyecto.
-
Facilidad
de predicción de la performance y disponibilidad de datos confiables
-
Consistencia
de esa performance a lo largo del tiempo
-
Características
prácticas de la combustión
-
Facilidad
de fabricación
-
Sencillez
de la formulación
Veamos
ahora en detalle a cada uno de estos asuntos::
Seguridad en el manejo,
almacenamiento y uso
Este
concepto se refiere tanto al propelente terminado o mientras duren los pasos de
construcción del motor, así como también al manejo por separado de los
elementos que constituyen al propelente seleccionado.- Es conocida la
sensibilidad a los golpes, choque o fricción de las pólvoras a base de clorato
de potasio; a eso agregaremos que debe tenerse tambien en cuenta que ciertos
materiales finamente pulverizados, como por ejemplo el aluminio, requieren de un
particular cuidado en su manipulación debido a la posibilidad de ignición
espontánea por humedecimiento (comienzo de oxidación) en presencia de
oxidantes rápidos y por su sensibilidad a las cargas estáticas.-
Lo
mejor que podeos esperar de un propelente es que no se encienda o se queme
cuando está sometido simplemente a presión ambiente, aunque prácticamente
todos los que están al alcance de aficionados lo hacen, si bien en algunos
casos no encienden tan fácilmente en ausencia de cierta presión.-
Toxicidad de los elementos
constituyentes y de los productos de su combustión
Idealmente,
los elementos que necesitamos para construir nuestro propelente y los productos
de su combustión no deberían ser tóxicos, ni irritantes, ni carcinogénicos
ni corrosivos.- Esto incluye que si fabricamos nuestros propios compuestos, los
resultados de esa fabricación deben cumplir estos requisitos.- Algunos
propelentes requieren de un catalizador o agente de curado, los cuales –en
algunos casos- contienen isocianatos, compuestos que requieren de especial
cuidado en su manejo.- Las resinas (polyester y epoxy), cuando se las utiliza
como combustible, como aglutinante (binder) o como inhibidor, también requieren
de cuidado en su manejo (mediante el uso de guantes especiales, ventilación y
protección de la vista), a causa de la posibilidad de desarrollar
sensibilidades debidas a la excesiva exposición a estos materiales.-
Finalmente, en una lista no definitiva ni exhaustiva, diremos que los
propelentes que emplean perclorato de amonio como oxidante emiten como producto
de su combustión el muy corrosivo ácido clorhídrico.- Muchas veces, cuando
percibo la ardua labor de algunos aficionados para obtener perclorato de amonio
(de muy difícil adquisición comercial y de muy laboriosa y compleja –pero no
imposible- preparación casera), me pregunto si habrán tenido en cuenta que
para usarlo deberán preparar muy convenientemente su equipamiento de tierra, el
cual en cada lanzamiento se verá rociado de ácidos muy corrosivos a elevadas
temperaturas.- Realmente, es un tema a tener en cuenta...
Disponibilidad en el
mercado local
Esto
tiene mucho que ver con el punto anterior... Si no olvidamos que lo que nosotros
–los coheteros aficionados serios- practicamos ES ciencia de
cohetes, aún siendo realizada por aficionados.- Por eso, si NUNCA perdemos de
vista que uno de los pilares
del método científico es la repetibilidad, concluiremos sin lugar a dudas en
que es de crucial importancia la disponibilidad de modo continuo de los
componentes para fabricar el propelente elegido, especialmente los oxidantes, ya
que ningún servicio de correo transporta legalmente oxidantes rápidos (nitrato
de potasio, percloratos).- Por eso es necesario ubicar a algún buen proveedor
local, ya que comprar los oxidantes en localidades lejanas o importarlos puede
ser imposible a causa de las regulaciones especiales para el transporte y
almacenamiento en manos de particulares.- Es posible obtener nitrato de potasio
o –inclusive en algunos casos- nitrato de amonio, ya que ambos se emplean como
fertilizantes, entre otros usos comerciales.-
Costo
El
costo es una consideración particularmente importante para la inmensa mayoría
de los coheteros experimentales, ya que por lo general el dinero proviene de
nuestros propios fondos, no es recuperable y suele ser bastante limitado.-
Debido a eso, la selección de propelentes para emplear en nuestros proyectos
suele basarse fuertemente en los precios de los productos necesarios, cosa que
se vuelve importante cuando hay que desarrollar un proyecto desde cero y se debe
testear repetidas veces un determinado motor.- Por eso es MUY importante
efectuar una adecuada selección de propelente, en lugar de basarse meramente en
un solo factor, sea este los gustos especiales del constructor, las
recomendaciones de amigos o lo que fuere: es necesario comprender muy bien las
ventajas y desventajas de cada caso.-
Performance adecuada para cada
proyecto
Existe
una tendencia entre la mayoría de los aficionados a tratar de emplear el
propelente que sea más veloz en su combustión, o el que provoque la mayor
presión de cámara, o el que en rasgos generales sea más “performante”en
nuestros motores, aunque esa no sea necesariamente la mejor selección en todos
los casos.- Lo correcto es investigar, aprender y experimentar para poder
decidir cual es la performance adecuada con los fines que se persiguen en cada
proyecto.- Pero eso no siempre ocurre, ya que a veces se descartan soluciones
simples y elegantes para tratar de llegar a una nueva idea... que nunca se
alcanza.-
Por
ejemplo, un candy de azúcar/KNO3 puede tener mejores números de Isp que un
mismo motor empleando dextrosa/KNO3, pero el azúcar puede no ser necesariamente
la mejor elección en todos los casos, sobre todo si tenemos en cuenta algunas
pequeñas complicaciones en el moldeo en caliente de ese tipo de propelentes:
debido a la temperatura de oxidación (caramelización) relativamente baja del
azúcar y muy cercana a su punto de fusión, manejar azúcar es más difícil
que manejar sorbitol, por ejemplo.- Además,
si se requiere de un motor de una cierta potencia y uno se encuentra al
principio del proceso de desarrollo, simplemente es más fácil usar un
propelente fácil de trabajar y hacer un motor un poco más grande hasta
alcanzar el impulso requerido.- De todos modos, esto es válido sólo para
motores con impulsos totales no mayores que una clase K, por ejemplo, ya que no
todas las dimensiones en el diseño de un cohete pueden escalarse siempre
linealmente.- Para motores de gran tamaño, el uso de propelentes de
impulso elevado es casi una necesidad, ya que sobredimensionar un diseño que
originalmente era pequeño puede hacer que la masa de propelente de menor
impulso necesaria para hacer el motor se vuelva tan importante en relación a la
masa al despegue de todo el cohete que el conjunto se vuelva ineficiente,
penalizando las cargas de pago que ese cohete sería capaz de elevar o las
alturas que podría alcanzar.-
Facilidad de predicción de la
performance y disponibilidad de datos confiables
Para
conocer las características y performance de de un motor cohete y -por lo
tanto- para poder predecir cómo se comportará el cohete que use ese motor, es
deseable poder analizar la performance teórica que se logrará del propelente
elegido. Para eso es necesario conocer con la mayor precisión posible cual es
la constitución química de los materiales que vamos a emplear.- Sabiendo eso,
hay que tener en cuenta qué es lo que vamos a elegir... y si hicimos la elección
más conveniente o la que será de características más fácilmente
repetibles.-
Veamos:
Algunos materiales están compuestos por una compleja mezcla de elementos
químicos; un de ejemplo muy común es el carbón de leña (que parece muy
simple, pero no lo es). - Otro buen ejemplo es el asfalto (empleado en el
Galcit), ya que no da igual emplear cualquier brea o cualquier producto
bituminoso para hacer pavimentos.- Este tipo de productos varían
significativamente según de donde se obtengan o compren, o de cómo se los
fabrique... La obtención de una ecuación de combustión o el análisis de la
combustión (mediante -por ejemplo- del programa ProPEP) permite determinar el
impulso y temperatura específica ideal de la llama, y las características del
gas de escape. Pero además de obtener esos datos teóricos, es necesario poder
comprobar en la realidad que los cálculos se han cumplido, y por eso es básico
elegir propelentes cuyas fuentes nos permitan contar con datos básicos
confiables y un suministro constante y de calidad pareja, y ambas cosas pueden
ser difíciles de lograr si se elijen propelentes de constitución química
compleja.-
Consistencia de performance a
lo largo del tiempo
EN CONSTRUCCION
Características prácticas de
la combustión
EN
CONSTRUCCION.
Facilidad de moldeo o
fabricación
EN CONSTRUCCION
Sencillez de la formulación
EN
CONSTRUCCION
Continuamos
aquí, con "Propelentes":
