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Propelentes

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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:

  1. Seguridad en el manejo, almacenamiento y uso de los materiales

  2. Toxicidad de los elementos constituyentes y de los productos resultantes de su combustión

  3. Disponibilidad en el mercado local

  4.  Costo

  5. Performance adecuada con los fines que se persiguen en cada proyecto. 

  6. Facilidad de predicción de la performance y disponibilidad de datos confiables

  7. Consistencia de esa performance a lo largo del tiempo

  8. Características prácticas de la combustión

  9. Facilidad de fabricación

  10. 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

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Sencillez de la formulación

EN CONSTRUCCION

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Esta página se actualizó por última vez el 29/08/09.