Cómo no hacer un cohete

Cómo NO hacer un cohete Sergio Martínez Ruiz Mario Herrero Sánchez 1º Bach. C I.E.S Saavedra Fajardo

Abstract (Español) Este trabajo es un documento que trata el estudio de la aerodinámica y la cohetería amateur, aplicando técnicas de experimentación e investigación con el que buscamos acercarnos más a campos como la química que engloba procesos de combustión en los motores de los modelos y funcionamiento de estos, y la construcción de cohetes de manera casera que sean viables para un vuelo y descenso seguros, como ya hemos dicho, la metodología usada en este proyecto trata la construcción, diseño y comparación de distintos modelos de motor, con varianzas tanto en combustible que contienen como en la construcción de ellos mismos, y su prueba en un modelo construido por nosotros mismos.

Gracias a todo esto determinamos los procesos de construcción necesarios y la optimización de estos a la hora de su desarrollo, así como propiedades de cada motor, combustibles y características de nuestro cohete y otros datos, que concluyen como NO debe ser el diseño de un modelo cuya finalidad sea el vuelo

Abstract (Galego) Este traballo é un documento que trata o estudo da aerodinámica e a cohetería amateur, aplicando técnicas de experimentación e investigación co que buscamos acercarnos máis a campos como a química que engloba procesos de combustión nos motores dos modelos e funcionamento destes, e a construción de cohetes de maneira caseira que sexan viables para o voo e descensos seguros, como xa dixeramos, a metodoloxía empregada neste proxecto trata a construción de eles mesmos, e a súa proba nun modelo construido por nós mesmos.

Grazas a todo isto determinamos os procesos de construción necesarios e a optimización destes á hora do seu desenvolvemento, así como propiedades de cada motor, combustibles e características do noso cohete e outros datos, que conclúen como NON debe ser o deseño dun modelo cuxa finalidade sexa o voo

Abstract (Euskal) Lan hau domumentu bat da zeinetan aerodinamikari eta zuziri "amateur"ari buruz hitz egiten den, esperimentazio eta bilatze teknikak erabiltzen dira kimika bezalako alorretara hurbiltzeko. Honek, adibide modeloen konbustio sistemen funtzionamendua bilatzen dute, baita zuzirien eraikitze etxekoia ere, betiere hegaldiaren segurtasuna kontuan hartuz. Esan bezala, proiektu honen metodologia eraikitzean datza, motor desberdinen diseinu eta konparaketetan eta konbustible aldaketetan. Guk geuk eraikita.

Honekin guztiarekin eraikitze prosezuak, haien hobetze pausuak eta beharrezkoak diren beste zenbait aldagaiak pentsatu eta erabaki ditzakegu. Honetaz gain, jakin ahal dugu beharrezkoak edo zuzenak ez diren aldagaiek garamatzala diseinu akasdun bat egitera, hegaldia helburu bezala hartu gabe.

Abstract (English) This assignment is a document that talks about the study of aeronautic and amateur rocketry, using techniques of experimentation and investigation with which we are looking for approach more to fields as chemistry that involves processes of combustion in the engines of the models and their working, also the homemade construction of rockets which could be viable on a flight and safe landing, like we had already said, the methodology used in this project deal with construction, design and comparisons of deferent types of motors, with variations such as fuel that they contain and the construction of themselves, and their launching test.

Thanks to all of this we can determinate the processes of construction needed and the optimization of this at the time of their development, as well as properties of each motor, fuel and characteristics of our rockets and other facts, that close up how don’t have to be the design of a model whose purpose it’s to fly

ÍNDICE

1. DESCRIPCIÓN Y UTILIDAD DE COHETES 2. HISTORIA, ORIGEN Y DESARROLLO DE LOS COHETES 3. PERSONAJES DE IMPORTANCIA 4. TIPOS DE COMBUSTIBLES 5. TRABAJO DE CAMPO 5.1 CONSTRUCCIÓN DE ALETAS DEL MODELO 5.2 SISTEMA DE IGNICIÓN PARA EL MOTOR 5.3 PARACAÍDAS 5.4 OJIVA 5.5 GUÍA DE LANZAMIENTO 5.6 COMBUSTIBLES FABRICADOS 5.7 CONSTRUCCIÓN DEL CUERPO DEL COHETE Y MOTORES 6. LANZAMIENTOS 7. CONCLUSIÓN 8. BIBLIOGRAFÍA 9. AGRADECIMIENTOS

1. DESCRIPCIÓN Y UTILIDAD DE COHETES

1.1 Definición y tipos de cohetes Se denomina cohete a los vehiculos, aeronaves, o naves espaciales que obtienen su empuje por la reaccion de expulsión rápida de sus gases de combustión, producidos por la quema del propelente, el cuál se encuentra almacenado en el motor.

Los cohetes se pueden clasificar o agrupar dependiendo de distinta manera, en función de:

-

El tipo de combustible que utilizan: podemos diferenciar los cohetes de combustible liquido, en los que el oxidante y el propelente estan almacenados en tanques fuera de la cámara dónde se realizará la combustión y son propulsados hasta ella, donde se realizará la mezcla de ellos y también los hay llamados de combustible solido en los que podemos encontrar en la cámara de combustión al oxidante y al propelente ya mezclados en estado sólido.

-

Número de fases del vuelo: principalmente podemos distinguir cohetes de una fase, también denominados monoliticos y los cohetes de fases múltiples: cuenta con varias fases que entran en combustión de manera secuencial y van siendo descartadas conforme el combustible que almacenaban se agota, permitiendo esto un aumento en la capacidad de carga del cohete.

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Sus aplicaciones: se encuentras entre ellas el uso militar y el uso civil, el uso militar considera un gran cantidad de utilidades y beneficios para su uso bélico, las principales características que hacen de cohetes un arma de gran potencia es su capacidad de transportar cargas explosivas, la gran velocidad de actuación de estos y su increíble precisión a distancia ya que pueden ser controlados de manera radiocontrol o teledirigido, en la otra cara de la moneda encontramos el uso civil cuya finalidad es principalmente el lanzamiento de objetos al espacio para ponerlos en órbita a la tierra, es por esto que el único vehículo capaz de realizar esta misión es el cohete pues es el único con suficiente potencia para alcanzar la finalidad buscada, y el único con la capacidad de desplazamiento en el vacío del espacio, podemos enfocar la coheteria en un ámbito de ocio, en el que entraría en juego el concepto de la coheteria amateur y experimental, tema sobre el que trataremos más adelante en nuestro trabajo.

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2. HISTORIA DE LOS COHETES, ORIGEN Y DESARROLLO A LO LARGO DE LA HISTORIA

2.1 ORIGENES

Si queremos hablar de los inicios del cohete debemos remontarnos a la época de los antiguos alquimistas chinos quienes se cree fueron los precursores de los cohetes con sus distintos tipos de armamentos como flechas de fuego, bombas, cañones, etc.

Más tarde comenzó su uso como herramienta bélica como artillería en sus guerras venideras, entre el siglo X y el siglo XII.

2.2 DESARROLLO Y DIFUSIÓN

La difusión de la tecnología de los cohetes se dio a conocer en Europa por su uso por las tropas mongoles de Genghis Khan, también se vio influenciado por los otomanos desde Constantinopla, esto inició un interés del mundo occidental por la cohetería.

Ya en Europa el polaco Kazimierz Siemienowicz afianzó el estudio de los cohetes con aplicación a la artillería con su obra “El gran arte de la artillería, Primera parte” la que contenía información sobre diseño en la fabricación de cohetes, bolas de fuego y otros utensilios de pirotecnia, además de información sobre construcción, calibración, propiedades y producción de cohetes.

Después de la guerra entre India y Gran Bretaña se despertó en Europa una gran extensión en el uso de cohetes a partir del siglo XIX, cabe mencionar una importante personaje de esta época como es William Congreve.

Los primeros cohetes eran muy imprecisos, tenían una tendencia a desviarse de manera brusca de su trayectoria, este problema se vio solucionado en el año 1844 con William Hale y su modificación del diseño del cohete lo que permitía un empuje vectorizado lo que hacía al cohete girar sobre si mismo de la misma manera que lo hace una bala.

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3. PERSONAJES DE IMPORTANCIA

A lo largo de la historia ha habido una gran cantidad de hombres y mujeres cuya implicación en el campo de la aeronáutica ha sido de gran importancia para el avance de esta práctica, aquí podremos ver una selección de algunos de ellos, diferenciando a los pioneros en este campo de los investigadores modernos que continúan avanzando en el trabajo que estos primeros desarrolladores hicieron posible;

-3.1 Personajes del pasado:

•Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun: fue un ingeniero y diseñador de cohetes durante la Segunda Guerra Mundial para los alemanes, cuando la guerra acabe en 1945 fue llevado a los Estados Unidos dónde se nacionalizó y bajo la vigilancia de los servicios secretos Americanos trabajo en la agencia espacial, de la que finalmente se convirtió directos. Entre sus logros destacan el diseño de los modelos de cohete bomba V2 y por supuesto el diseño del cohete Saturno V portador del primer hombre a la luna.

•Katherin Coleman Goble Johnson: fue una física y matemática estadounidense que contribuyó a los programas espaciales con la introducción de computadoras electrónicas, se le conoce por su gran precisión en la navegación astronómica y calculó la trayectoria del Proyecto Mercury y el vuelo del Apolo XI a la luna.

Cuenta con dos doctorados honorarios en ciencias en las universidades Capitol y la estatal de Virginia, premio al equipo Lunar Orbiter Spacecraft and Operations, entre muchos otros premios q recibió a lo largo de su vida.

-3.2 Personajes actuales:

•Tomás Mueller: es un ingeniero y diseñador de motores de cohete estadounidense, es el cofundador de SpaceX, se le considera como uno de los mayores expertos en propulsión de mayor prestigio del mundo, se le conoce por su trabajo en el desarrollo del TR-106, el sistema de propulsión Dragón y los motor de los cohetes de la serie Merlín.

•Elon Musk: es un inversor y empresario nacido en Sudáfrica pero de nacionalidad canadiense cofundador y director general de Spacex , empresa desarrolladora de los cohetes Falcón 1 y Falcón 9 que tienen como meta ser vehículos de lanzamientos espaciales reutilizables, también ha desarrollado la nave espacial Dragon, la cual fue puesta en órbita por los vehículos de lanzamientos Falcón 9 3

4. TIPOS DE COMBUSTIBLES En este trabajo centraremos nuestra investigación en la efectividad de diferentes propelentes caseros, pero antes nos informaremos de los diferentes tipos de combustibles de cohetes y las funciones que estos cumplen.

Los combustibles, según el estado físico en el que se encuentran, se clasifican en tres tipos: -Sólidos: Uno de los inconvenientes de este tipo de combustibles es que una vez comenzada la ignición, ya no se puedo frenar, apagar ni retomar, por lo que no se puede regular el vuelo una vez empezado. Dentro de los sólidos pueden tener dos tipos de composiciones: -

-

Homogéneos: Están constituidos por un solo compuesto químico, como el nitrato de celulosa o los nitratos orgánicos. Al arder producen dióxido de carbono, monóxido de carbono, agua y nitrógeno.

Compuestos: Son los que están constituidos por dos componentes íntimamente ligados. Estos componentes son: - Un comburente que actúa como oxidante, como el perclorato de amonio o el nitrato de potasio.

- Un combustible que actúa como reductor, como puede ser un caucho sintético, un azúcar o un metal reductor.

-Líquidos: A diferencia de los propergoles sólidos, una vez que se ha iniciado la combustión del mismo, la reacción puede regularse o detenerse por medio de válvulas de regulación. Estos a su vez se clasifican en: -

Mono-propelentes: Son los que están constituidos esencialmente por mono-ergoles, como por ejemplo el óxido de etileno (C2H4O), o como el nitrometano (CH3NO2).

Bi-propelentes: Son los que están constituidos por un oxidante como el oxígeno líquido, y un combustible como el hidrógeno líquido. El combustible formado por estos dos compuestos nombrados anteriormente es el utilizado en la gran mayoría de misiones espaciales actuales.

-Híbridos: Formado por un combustible sólido y un oxidante gaseoso o líquido.

Oxidantes comunes pueden ser oxígeno gaseoso o líquido u óxido nitroso.

Combustibles comunes son algunos polímeros tales como polietileno, caucho reticulado, tales como HTPB o combustibles licuefacción tales como cera de parafina.

El hecho de que estos cohetes utilicen oxidantes líquidos los hace más controlables pero al mezclar compuestos en dos estados diferentes las reacciones suelen tener un rendimiento químico bastante bajo.

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5. TRABAJO DE CAMPO

5.1 CONSTRUCCIÓN DE LAS ALETAS DEL MODELO

MATERIALES A la hora de construir unas aletas para nuestro cohete no podemos elegir cualquier material, si buscamos la mejor opción para el desarrollo de estas debemos buscar materiales que mantengan principalmente dos características, la ligereza y la resistencia, se busca en esta parte de nuestro modelo ligereza para evitar un aumento en el peso en nuestro cohete y prevenir ante problemas futuros que traten sobre un exceso de este.

En nuestro modelo optamos por el policarbonato, se trata de una materia que pertenece al grupo de los termoplásticos, en cuanto a su ligereza podemos decir como propiedad que tiene una densidad de 1,20 g/cm3 y si hablamos su resistencia, tiene un punto de fusión de 250° centígrados, resistencia a la tracción de entre 55 y 75 mPa. En definitiva se deduce que es un material óptimo para constituir las aletas de nuestro modelo.

DISEÑO DE LAS ALETAS En nuestro modelo el reparto de las aletas se compone por tres aletas mayores y tres aletas, distribuidas de manera en la que se encuentran tres pares de aletas mayores y menores y colocadas en el cuerpo con una separación de 120° entre ella en la superficie del cilindro que constituye el cuerpo.

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A la hora del diseño se debe utilizar una regla y rotulador para realizar un diseño sobre el policarbonato para posteriormente recortar, en nuestro cohete las aletas mayores están construida a base de dos triángulos, uno de ellos con base de 20 cm y altura de 15 cm, a su vez siendo esta altura la base del segundo triángulo con 10 cm de altura. En el caso de la aleta menor se trata de un trapecio con base mayor de 8 cm , base menor de 6 cm y una altura de 10 cm.

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Una vez diseĂąadas las alas y dibujadas sobre nuestra plancha de policarbonato

procedemos a su recorte, para obtener una mayor precisiĂłn en el corte utilizamos una sierra de calar, una vez realizados los cortes, con un papel de lijar, perfeccionamos el acabado de los bordes.

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ADHESIÓN DE LAS ALAS AL CUERPO Para una precisa adhesión de las aletas en nuestro modelo, debemos trazar sobre el cuerpo de este las zonas donde se encontrarán acopladas, para ello nos proveemos de

lápiz y regla para realizar unas líneas rectas y de portador de ángulos para precisar la distancia de 120° entre las 3 líneas trazadas.

Una vez dibujadas estas zonas haremos uso de nuestra pistola termofusible de silicona, para asegurarnos de que exista una buena sujeción de estas. Una vez seca la silicona pegamos sobre las juntas de las alas y el cuerpo una tira de cinta americana, tapando así los bultos producidos por la silicona creados por la pistola termofusible

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5.2 SISTEMA DE IGNICIÓN PARA EL MOTOR

En este apartado explicaremos como construir un ignitor casero para nuestro motor, para su realización necesitaremos de los siguientes elementos: 4 pinzas de cocodrilo, 1 destornillador de punta de estrella, cable; la longitud del cable variará según la distancia de seguridad que desee el usuario, desde el motor hasta el contacto, una batería preferentemente de una marca conocida, en nuestro caso usamos una batería Panasonic de 9V, cinta americana, una esponja de aluminio, una caja de cerillas y bengalas.

Para su construcción llevaremos a cabo los siguientes pasos:

1.Cogemos dos trozos de cable de una longitud segura para mantener alejados tanto la batería como al usuario de esta, del motor, se recomienda una distancia de 6 metros .

Una vez cortados los cables procedemos a pelar dichos cables por sus 4 extremos, destornillaremos en ese momento los tornillos que vienen incorporados en nuestras pinzas, sin extraerlos del todo, al rededor de los tornillos, los giramos dos veces; para asegurarnos de que haya contacto y atornillamos los tornillos.

2.En este paso tendremos que coger aproximadamente 3 o 4 cerillas, y una de las bengalas; lo mantendremos todo firme con la ayuda de nuestra cinta americana, y entre las cerillas compactas, con la bengala y entre si por la cinta deberemos introducir un filamento de aluminio de los que esta formada la esponja asegurándonos que roce con los fósforos de las cerillas, dejando que sobresalgan unos centímetros de cada extremo del filamento.

3.A continuación debemos coger las pinzas de cocodrilo de distintos cables y colocarlas de manera que hagan contacto con los extremos del filamento de aluminio que sobresalen de los fósforos, tendremos entonces dos cables conectados al ignitor por un extremo y libres por el otro, llegando así al paso final.

4.Por último debemos introducir la bengala en el agujero de la tobera de nuestro motor y de los cables resultantes debemos conectar uno a nuestra batería en el polo negativo , y dejar el otro libre, con el cual haremos contacto en el positivo cuando deseemos llevar a cabo la ignición.

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EXPLICACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL IGNITOR

Este ignitor consiste en el aprovechamiento de la energía eléctrica de la batería para transformar esa corriente en una llama capaz de encender el combustible del motor.

Funciona a partir de un conjunto de reacciones encadenadas que podríamos resumir en 3:

1.La batería crea un circuito eléctrico en el que a través de los cables, uno conectado al positivo y otro al negativo crean un flujo de energía eléctrica que desemboca en el filamento de aluminio y produce como consecuencia que este se ponga de forma que vulgarmente se llama “al rojo vivo".

2.El contacto del filamento al rojo vivo el cuál está produciendo energía calorífica, produce la combustión del fósforo rojo de las cerillas, es decir una llama.

3.La llama producida por la combustión de las cerillas enciende la bengala alojada en el hueco de la tobera, la cual empezará su reacción que consiste en una continuidad de chispas las cuales permitirán el encendido del combustible.

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Imagen del paso 2 en la construcciรณn del ignitor.

Dibujo esquemรกtico del ignitor y el Motor

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5.3 PARACAIDAS

INTRODUCCIÓN Y CÁLCULOS En la práctica de la cohetería amateur, a parte de la construcción de un modelo para su posterior vuelo, también se ha de pensar en la posterior recuperación del cohete, es por eso que también se encuentra dentro de la construcción del cohete, una parte al diseño y desarrollo de un sistema de recuperación, es decir, la construcción de un paracaídas para el descenso de nuestro modelo.

La construcción del paracaídas no puede hacerse sin ningún tipo de conocimiento sobre el modelo, gracias a la investigación y la experimentación en este campo se han conseguido desarrollar fórmulas matemáticas que permiten determinar el tamaño necesario para cada modelo, aumento en ellas las distintas variables y características dependiendo del cohete para el que se diseñe el paracaídas.

En la construcción de nuestro cohete hemos optado por el diseño de un paracaídas octogonal, se recomienda como material, telas resistentes como seda, o telas plásticas.

Una vez elegido el material, procedemos a estudiar la fórmula que determinará el tamaño que debe tener nuestro paracaídas.

Expresamente, en los paracaídas poligonales se utiliza la fórmula:

√

Cd • V2

En la que; d = diámetro g = aceleración de la gravedad terrestre; 9,81 m/s2 m = masa del modelo n = número de lados del polígono, en el caso de nuestro paracaídas octogonal, n=8 p = densidad del aire en alturas no superiores a los 1000 metros, en este caso p tiene un valor de 1,225 kg/m3 Cd = coeficiente de arrastre del paracaídas, se ha estimado que su valor según su forma se aproxima a 0,75 v = velocidad de descenso que desee cada uno, los valores óptimos deben estar entre 3.35 y 4,26 metros por segundo, en nuestro caso hemos tomado como velocidad de descenso 4 m/s 12

Calculamos así la medida necesaria por el paracaídas que se adapte a las características de nuestro modelo;

√

0,75• 42

√

√

0,7525 ;

Una vez hechos los cálculos obtenemos un diámetro de 1,50 metros para nuestro paracaídas octogonal.

FUNCIONAMIENTO

El proceso mediante el que el paracaídas sale una vez se ha agotado el combustible es por que la acumulación de gases en el cuerpo, junto con un pequeño impulso producido por la presencia de pólvora negra en el principio del motor produce el destaponamiento de la ojiva y por consecuencia, la calidad del sistema de recuperación.

MATERIALES

Para la construcción del paracaídas necesitaremos:

-Una tela resistente de una superficie mayor al diámetro al cuadrado del diámetro calculado con la fórmula anteriormente.

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-Cuatro cuerdas de una longitud mayor al diámetro calculado con la fórmula anteriormente.

-Cinta adhesiva.

-Lápiz.

-Cutex.

-Regla.

CONSTRUCCIÓN

Dispuestos de lápiz y regla empezaremos a realizar el trazo de las líneas de recorte sobre la tela de paracaídas, buscando obtener finalmente un cuadrado de una superficie de dxd dependiendo del diámetro del paracaídas, en nuestro caso un cuadrado de 150cmx150cm.

Con la ayuda de un cutex recordamos por las líneas marcadas deshaciéndonos de la tela sobrante. Obtenemos así nuestro paracaídas con forma de polígono octogonal.

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Una vez tengamos la tela del paracaídas lista, toca la unión de este a la ojiva del

modelo, para ello utilizaremos 4 cuerdas de una longitud mayor a la distancia existente entre el centro del paracaídas y los puntos de sujeción de dichas cuerdas.

Para la sujeción de las cuerdas, llegaremos sobre los puntos dónde perforaremos con un lápiz, unas cintas de celo, dándole consistencia al la zona para evitar posibles desgarramientos de la tela, una vez hecho esto, como ya hemos dicho perforaremos con nuestro lápiz, un tornillo, o cualquier objeto punzante que no cree un agujero de un diámetro excesivamente grande.

Hechos ya los agujeros, nos disponemos a coger nuestras cuerdas, doblamos las cuatro por la mitad para obtener una cuerda doble, cosa necesaria para el nudo que realizaremos, las mediros, primero para asegurarnos de que siguen siendo de una longitud mayor a la mitad del diámetro, y después, comparándolas entre ellas para que todas tengan la misma longitud, ya que si tuvieran diferencias drásticas de longitudes se daría el caso de un desplazamiento del descenso provocando una caída con una inclinación no deseada, en vez de ser lo más vertical posible.

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Realizamos un nudo ballestrinquel a través de los orificios en los extremos del paracaídas, de las dos cuerdas restantes eliminamos una con cuidado de no deshacer el nudo y pegamos el extremo suelto al nudo ballestrinquel con nuestra pistola termofusible de silicona.

PLIEGUE, ANCLAJE Y ACOPLAMIENTO

Una vez con nuestro paracaídas terminado llega el momento de doblarlo, anclarlo a la ojiva y acoplarlo al cuerpo.

El proceso a través el cuál lo doblamos se explica mediante este imagen, obtenida del Manual del constructor de modelos espaciales por Jesús Manuel Recuenco Andrés (Figura 111)

A continuación, se juntan las cuerdas del paracaídas mediante el sistema de unión explicado en el apartado de la ojiva, y posteriormente se introduce el paracaídas doblado en el cuerpo del cohete.

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5.4 OJIVA La ojiva fue una de las partes del cohete, aparte de los motores, a la que más tiempo le dedicamos. En principio pensamos en hacerla con una copa de champagne de plástico del revés, pero estas copas son muy frágiles y además no encajaban bien en la parte superior del cohete. Como solución pegamos con silicona la base de un vaso de un plástico más resistente a la parte más ancha del vaso de champagne.

Esta solución trajo otro problema, ahora el vaso era demasiado grande como para encajarse en el cuerpo de cohete. Una vez más lo arreglamos pegando un tapón de espray al fondo del vaso, teniendo este tapón el diámetro perfecto para quedarse encajado en la tubería del cohete.

El tapón debía quedarse encajado y no pegado al cohete porque la ojiva era por donde se tenía que liberar el paracaídas, de tal forma que el tapón debía estar apretado para no caerse pero no demasiado para que se desprendiera con la presión de los gases.

En este tapón también atornillamos 4 arandelas para cada una de las cuerdas del paracaídas, de tal forma que no se fuera, y otra arandela en la que iba una cuerda que unía la ojiva con el cuerpo del cohete.

Vaso de champagne

Silicona

Tapón espray Vaso plástico duro

Cuerdas del paracaídas

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5.5 GUÍA DE LANZAMIENTO

La guía de lanzamiento es una estructura de apoyo que está diseñada para mantener el cohete en una posición vertical, cuya función es dirigir el lanzamiento del modelo en un angulo de 90 grados, es decir perpendicular al suelo.

MATERIALES Respecto a la construcción de una guía de lanzamiento no existen unos materiales predeterminados, simplemente, se deben buscar figuras planas y de una longitud considerable para que guíen la dirección que llevará el cohete.

En nuestro caso utilizamos un par de bloques de cemento, dos barras de hierro de 1,50 metros, dos barras de metal de 50 cm, abrazaderas y aceite a modo de lubricante.

CONSTRUCCIÓN La guía consistía en dos baras de metal de 50 cm enganchadas a las barras de hierro gracias a unas abrazaderas, dichas barras de hierro están atoradas en unos bloques de cemento con posibilidad de ser movidas par obtener una distancia óptima para la guía del cohete.

Las baras de hierro, pasan a través de unos tubos de PVC pegados en el cuerpo del cohete a través de los que se deslizan a la hora del lanzamiento, para facilitar la salida del modelo, lubricamos las baras con aceite. (Representación gráfica del modelo y de la guía de lanzamiento a distintas escalas).

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5.6 COMBUSTIBLES FABRICADOS

-Azúcar y nitrato potásico/ fructosa y nitrato potásico: Elegimos hacer estos dos tipos de propelentes porque en todas las páginas donde nos informamos decían que eran los más sencillos y baratos. La idea era hacer uno con azúcar común y otro con sorbitol porque al tener diferente estructura química pero igual composición queríamos observar las diferencias en cuanto a efectividad y potencia de las reacciones. Desgraciadamente no pudimos encontrar sorbitol y utilizamos otro isómero de la glucosa, la fructosa, cuya efectividad era parecida a la del sorbitol.

Fabricarlos es sencillo, la mezcla consiste en un 35% de azúcar o fructosa y un 65% de nitrato potásico. Para preparar cada uno de los ingredientes, los licuamos de tal forma que queden en forma de polvo, de esa manera habrá mayor contacto entre los reactivos y la reacción será más efectiva.

A la hora de medir las cantidades de cada ingrediente decidimos basarnos en echarle 1 kg de nitrato potásico por lo cual:

de azúcar

Una vez fijadas las cantidades solo tuvimos que mezclarlo con cuidado, ya que en ese momento ya es un combustible muy inflamable y la mínima chispa podría encenderlo.

La reacción que se produce con este tipo de combustibles es la siguiente:

KNO3 + C6H12O6 + O2 ===> CO2 + H2O + KOH + NO En estos casos lo que produce la ascensión del cohete es la presión de los gases liberados por la reacción que salen a gran velocidad por la tobera.

Como hemos dicho anteriormente este es el combustible más barato ya que el kilo de nitrato potásico nos salió a 8, el de azúcar a 1,5 y el de fructosa a 3,5 euros.

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-Pólvoras negras: Este propelente lo seleccionamos porque también era bastante barato y fácil de realizar.

Está formado por nitrato de potasio (70%), carbón (15%) y azufre (15%). Al igual que en el de azúcar tomamos como referencia el echarle un kilo de nitrato potásico, y así calculamos las cantidades de azufre y carbón:

El nitrato potásico (KNO3), también conocido como salitre, se descompone a altas temperaturas para proporcionar oxígeno a la reacción, lo que significa que la pólvora no necesita estar expuesta al aire para prender. El carbón (C) descompone la celulosa y proporciona la fuente de energía para la reacción. Aunque también puede actuar como tal el azufre (S), pero más por el hecho de que sufra reacciones exotérmicas a temperaturas relativamente bajas.

10KNO3 + 8C +3S → 2K2CO3 + 3K2SO4 + 6CO2 + 5N2 Para mezclar este combustible fue más complicado, ya que el azufre tiende a crear pequeños tropezones. Para machacar estos tropezones tuvimos la idea de meter canicas metálicas grandes en el recipiente donde íbamos a hacer la mezcla, pero si lo mezclábamos muy rápido podía saltar alguna chispa al colisionar las canicas y encender la pólvora.

Así llegamos a la magnífica idea de ponerlo todo en un recipiente esférico y subir y bajar lentamente una toalla para que fuera rodando y así se mezclase más rápido.

La pólvora también fue barata ya que nos costó 8 el kilo de nitrato potásico, 1,8 el de azufre y 2,5 euros 5 kilos de carbón vegetal.

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5.7 CONSTRUCCIÓN DEL CUERPO DEL COHETE Y MOTORES



Cuerpo de cohete y materiales

Para el cuerpo utilizamos una tubería de PVC que en principio medía 80 cm pero que, tras varios intentos de lanzamiento, decidimos reducirlo a 60 para intentar disminuir el peso del cohete. En esta tubería fuimos uniendo todas las demás partes anteriormente explicadas con silicona caliente. También unimos un manguito de PVC con rosca hembra en la parte inferior del cohete para facilitar la unión y separación con los motores. El cohete (con el motor vacío de propelente) tiene un peso de 1,2 kg aproximadamente y con el cohete incluido mide 110 cm.

La tubería de PVC inicialmente medía 200 cm por lo que decidimos dividirlo en una parte de 80 cm para el cuerpo, y el resto en 4 partes de 30 cm para hacer los motores. También compramos 3 manguitos de unión con rosca macho para unir los tres motores con diferentes combustibles al cuerpo, el motor sobrante lo utilizaríamos de prueba. Al final encontramos otra tubería de PVC de 150 cm aproximadamente con la que hicimos 3 motores más de pruebas.

Todos los materiales nombrados nos costaron un total de 10,53 euros (2,95 la tubería, 3,47 el manguito hembra y 4,11 los tres manguitos macho)

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 Motores Para la construcción de los motores nos basamos en un vídeo del canal de Youtube “The King of Random”1, en el que mostraba como hacer motores de azúcar enroscables.

Nuestra idea era replicar su método, pero a una escala mayor, de tal forma que se adaptara al tamaño y peso de nuestro cohete. Para esto, al igual que él hace en su vídeo, cogimos un cilindro de madera del tamaño exacto para que cupiera justo dentro del motor y así poder compactar los propelentes.

Decidimos hacer todos los motores de prueba de azúcar y nitrato potásico puesto que era el combustible más barato y seguro.

Ahora os describiré como fueron las pruebas de cada motor y que cambios efectuamos: -

1

1er Motor: Para los motores utilizamos arena de gato triturada para hacer de aislante y tobera. La arena de gato común está en gran parte hecha de arcilla, lo que la hace muy fácil de compactar y, a la vez, muy resistente al calor. Echamos la arena de gato en el motor y la compactamos hasta que se quedó sólida, después echamos el propelente, lo volvimos a compactar, y por último otra capa de arena de gato para que no se desprendiera el combustible. Para introducir el ignitor y hacer un agujero que funcionase de tobera, utilizamos un tornillo con el que agujereamos la parte inferior hasta atravesar la arena de gato.

https://www.youtube.com/watch?v=4v_utrMar9Y 22

El principal fallo que le encontramos a este cohete fue que, debido a las altas temperaturas que alcanza el motor, el PVC se deformó y la tobera se destrozó por completo.2

-

2º Motor: En este decidimos hacer el motor más resistente a las altas temperaturas, para ello cogimos el cartón, ya que es un material muy resistente al calor y también fácil de encontrar. Envolvimos la tubería por dentro y repetimos el proceso de compactar los materiales.

En esta prueba, al contrario que en la anterior, el motor no sufrió ninguna deformación y el PVC aguantó perfectamente.

-

2

3er Motor: Viendo los buenos resultados del 2º motor introdujimos en el siguiente el sistema por el que se tenía que liberar el paracaídas. Para esto hicimos un agujero parecido a la tobera, pero en la parte de atrás. La idea era introducir un poco de la pólvora negra en el agujero, de tal forma que al estarse quemando la parte final del propelente, se prendiera también la pólvora. Con la presión de los gases que liberarían la combustión de la pólvora, la ojiva saldría disparada y detrás el paracaídas.

https://www.youtube.com/watch?v=n3nxjtZauds

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Desgraciadamente el despegue no salió tan bien debido a que, al tener que comprimir la pólvora por el lado contrario, debilitamos la arena, que se desprendió durante la combustión.

-

4º Motor o definitivo: En el modelo definitivo arreglamos el desprendimiento de arena colocando dos “tapones” de madera encajados en los dos extremos, de tal manera que la arena de gato se pudiera mantener rígida hasta el final. Después hicimos los agujeros del ignitor y de la pólvora al igual que en anterior.

La combustión de este motor fue perfecta, aún así, ni siquiera se levantó del suelo, en ese momento fue cuando empezamos a temernos los peor.3

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https://www.youtube.com/watch?v=1WveGX2eQNE 24

6 LANZAMIENTOS

Realizamos tres lanzamientos diferentes, cada uno con un combustible diferente: Pólvoras negras: La combustión fue muy limpia y prácticamente no dejo más residuos que humo.

Como ya nos imaginábamos por las pruebas de los motores anteriores ni siquiera se levantó pese a que los motores funcionaron perfectamente. Lo que no funciono fue el paracaídas que (aunque era totalmente prescindible porque no despegó) no se liberó al final de la propulsión.4 Azúcar y nitrato potásico: Al contrario que la anterior esta dejó muchísimo residuo sólido y liberó un humo negro con olor entre caramelo y hollín. Ni despegó, ni funcionó el paracaídas.5 Fructosa y nitrato potásico: Tras la desesperación y la frustración de no haber visto ninguno de los dos motores despegar, decidimos tirar la casa por la ventana e intentar algo nuevo. A este motor le colocamos otro depósito de combustible abajo, este lo fabricamos con un bote de plástico forrado con cartón al igual que los motores normales, pero al no poder compactarlo por lo ancho que era, probamos otra cosa.

Colocamos dos tapones de plástico grandes superpuestos uno encima de otro y los encajamos en el nuevo motor, después le hicimos un agujero para que hiciera de tobera.

Con la poca esperanza que nos quedaba intentamos que despegara, aunque poca fue nuestra sorpresa cuando el tapón reventó y todo el propelente se cayó al suelo. 6

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https://www.youtube.com/watch?v=dRcWTT9JrPA https://www.youtube.com/watch?v=vok8ZEBf2PI 6 https://www.youtube.com/watch?v=zwbicIevtmI 5

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7. CONCLUSIONES

Si alguna vez piensas hacer un cohete casero y quieres que vuele, céntrate más en hacer los cálculos, y menos en construir el cohete.

FIN

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8. BIBLIOGRAFÍA

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JUAN PARCZEWSKI, JP COHETERIA (2003) HTTP://WWW.JPCOHETERIA.COM.AR

-

JESÚS MANUEL RECUENTO ANDRÉS, MODELISMO ESPACIAL (2008) HTTPS://WWW.GOOGLE.ES/URL?SA=T&SOURCE=WEB&RCT=J&URL=HTTPS://WWW

.UV.ES/JBOSCH/PDF/MODELISMOCOHETES.PDF&VED=2AHUKEWJP7C3E3NDAA HVMOHQKHULIDW4QFJAAEGQICRAB&USG=AOVVAW2QHKO4QKP1JO8O RMZOUOTK

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JORDI MORENO ROIG, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA BASE DE PRUEBAS DE MOTORES DE COHETE AMATEURS (2011) HTTPS://WWW.GOOGLE.ES/URL?SA=T&SOURCE=WEB&RCT=J&URL=HTTP://UPCO MMONS.UPC.EDU/PFC/BITSTREAM/2099.1/15292/1/MEMORIA.PDF&VED=2AHUKE WJP7C3E3NDAAHVMOHQKHULIDW4QFJADEGQIARAB&USG=AOVVAW1X TUO9RNMNVV8MFGAXRPMI

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WIKIPEDIA, COMBUSTIBLE DE CARAMELO (ÚLTIMA EDICIÓN DE LA PÁGINA 2016) HTTPS://WWW.GOOGLE.ES/URL?SA=T&SOURCE=WEB&RCT=J&URL=HTTPS://ES.WI KIPEDIA.ORG/WIKI/COMBUSTIBLE_DE_CARAMELO&VED=2AHUKEWIIHQS53DDA

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UNIVERSIDAD DE VALENCIA, QUÍMICA DE LA PÓLVORA (2016) HTTPS://WWW.UV.ES/UVWEB/MASTER-QUIMICA/ES/BLOG/QUIMICA-POLVORA-

1285949128883/GASETARECERCA.HTML?ID=1285960614806

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9. AGRADECIMIENTOS

Queremos agradecerle la ayuda a Juan José Martínez Ortiz, por dejarnos un sitio donde construir el cohete y asesorarnos en algunas dudas, y al hombre de la tienda de abonos que nos indicó donde comprar nitrato potásico.

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