Para un desarrollo amateur, no se pretende alcanzar el 100% de fiabilidad (Eso se lo dejamos a las grandes agencias espaciales), pero sí acercarse mucho.

 

En cohetería amateur se conoce bien que la fuente principal de fallo motor es debido a que falla el iniciador o igniter (en inglés). La segunda causa es que el paracaídas no se abre. Pues bien, ese problema se multiplica cuando queremos arrancar un motor a 32 kilómetros de altura donde hay casi vacío, no hay oxígeno y todo está muy frío del orden de -50 ºC.

Como ya avanzamos en el artículo anterior, el motor, que lleva combustible sólido, solo arrancará si alcanzamos la temperatura de autoignición que es de unos 320 ºC. Hay muchas maneras de iniciar una reacción, pero en el caso que nos ocupa debe ser un método seguro, fiable y que además pese menos de un gramo. Si lo piensas bien, no es algo sencillo. No podemos usar un dispositivo pirotécnico por el peligro que supone para gente amateur como nosotros. No podemos usar una máquina con unos platos que al girar hacen chispas porque pesa y es poco fiable. Si usamos una resistencia térmica, consume tanta energía eléctrica, que las baterías pesarían tanto como el cohete en sí. Además, debe ser algo que con solo una señal eléctrica comandada por el ordenador de abordo inicie el arranque del motor.

Hay muchas maneras de solucionar esto, pero a nosotros se nos ha ocurrido usar un fino alambre de Cromo-Níquel o Nichrome 60 wire del inglés de galga 40ga (0,078 mm). Según el fabricante de este alambre, al pasar 310 miliamperios, el hilo alcanza unos 315ºC. Ahora bien, al pasar una corriente de varios amperios por el alambre de solo 8 centésimas de milímetro, este se funde enérgicamente generando unas gotitas de metal fundido a más de 1.400ºC que podrían usarse para iniciar la reacción. Este alambre puede ser alimentado por un transistor y una pequeña batería de polímero de litio que tienen la peculiaridad de que pueden descargarse muy rápido. Todo ello forma un sistema que pesa pocos gramos y que ya tenemos en la computadora de abordo a excepción del alambre de Nichrome.


Alambre de cromo-níquel de solo 8 centésimas de milímetro

Pero la práctica demuestra que la probabilidad de que una de estas gotas tan diminutas y ligeras arranque uno de nuestros motores es muy baja. Buscamos fiabilidad, no el 100% pero sí lo máximo que de forma amateur sea posible. La ignición es una de esas partes del sistema de puesta en órbita con alta criticidad, porque si falla, todo falla; es lo que llamamos en sistemas críticos un cuello de botella o eslabón más débil. Pero ¿Cómo puede ser que a pesar de que las gotas del alambre que están a más de 1.400 ºC no arranquen el combustible? ¿Por qué estos 1.400 ºC no bastan para alcanzar esos 320 ºC?

No solo es cuestión de temperatura. El calor se propaga a través de los materiales y el problema es que una pequeña masa de pocos miligramos a 1.400 ºC debe calentar una gran masa que está a -50 ºC. A eso lo llamamos sumidero de calor. Por así decirlo, la gota se congela en cuanto toca el combustible. Es inercia térmica, así que hay que cambiar de estrategia. Lo que hacemos es sumergir el alambre en pólvora que podemos conseguir de un petardo de manera que durante un momento tendremos una llamarada de más de 2.000 ºC con mucha inercia térmica. Pero aún así no es suficiente. El motor no arranca. ¿Cómo puede ser que tanta inercia térmica y temperatura no arranque el combustible que necesita 320 ºC?

No solo es cuestión de inercia térmica. La llamarada va a gran velocidad y no da tiempo de transferir el calor por lo que necesitamos tiempo de contacto. A la pólvora no la vamos a parar así que lo que hacemos es, con la pólvora, encender la cabeza de una cerilla. El fósforo genera una reacción química lo suficientemente energética y lenta como para arrancar, no el motor en sí, sino una punta afilada de combustible sólido. ¿Cómo podemos arrancar pues el resto del motor?

 

SECUENCIA DE ARRANQUE (Ver foto más abajo)

  • 00.000s El ordenador de abordo da la señal y un transistor cierra el circuito
  • 00.070s El alambre de cromo-níquel se funde y genera unas gotitas a más de 1.400ºC
  • 00.200s La polvora se incendia y genera una llamarada a más de 2.000ºC
  • 00.300s La cabeza de cerilla se enciende durante unos dos segundos
  • 00.400s La punta afilada del trocito de combustible se enciende
  • 02.000s El trocito de combustible quema durante unos 9 segundos
  • 11.000s Si el combustible principal no se ha encendido durante este tiempo, el motor no arranca

 

Hemos visto que con un pequeño impulso de corriente eléctrica comandado por el ordenador de abordo, amplificado por un transistor que es alimentado por una batería, es capaz de fundir un finísimo alambre de Nichrome que alcanza una temperatura mayor que la de autoignición pero no tiene suficiente inercia térmica. Este a su vez enciende un poco de pólvora que alcanza una temperatura aún mayor con mayor inercia térmica pero que es demasiado rápido y no da tiempo de calentar el combustible. No obstante, sí da tiempo de encender una cerilla que tiene inercia térmica pero es lento y hay tiempo para transmitir el calor. A partir de ahí encendemos una puntita de combustible con suficiente tiempo de exposición y suficiente temperatura como para alcanzar localmente esos 320 ºC. Este trozo de combustible, como se ve en la secuencia de la foto, quemará durante unos segundos dando tiempo suficiente como para calentar parte de la superficie del cilindro del combustible sólido y generar así un punto caliente.

Este punto caliente se propagará rápidamente a toda la superficie expuesta en la cámara de combustión. El área de quemado, entre otras cosas, determinará el empuje que proporciona el motor de cohete a lo largo de tiempo. Por eso es muy importante cómo se quema todo el bloque de combustible. Hay dos principalmente: Quemado axial, como un cigarro (End burner en inglés) y quemado anular (Bore burner en inglés). Hay más tipos, pero estos son los principales.


Secuencia de ignición del motor

Y para terminar, ¿te has preguntado por qué el combustible sólido solo quema por fuera y no quema en el interior? No es por falta de oxígeno, como cuando quema una madera que lo hacer por fuera, nunca por dentro. Este combustible ya lleva el oxígeno en su interior en una molécula llamada perclorato de amonio pero aún así no quema. Si lo hiciera, explotaría, como lo hace la dinamita. El interior del combustible no llega a quemar por dentro porque está frío pero ¿Qué pasa si la estructura que envuelve el combustible se calienta más de 320 ºC? Así es, que toda la superficie en contacto con el metal quemará, la presión subirá tan rápido que el motor explotará tal y como se ve en el vídeo. Para evitar esto hay que poner un material ablativo entre el metal, que es muy conductor del calor, y el combustible, que hace de sumidero de calor. Pero en el espacio, el exceso de calor del cohete no se puede refrigerar a base de radiadores como lo hacen en la Estación Espacial Internacional. En la foto de abajo, se ven los radiadores en horizontal mientras que los paneles solares están en vertical para captar toda la luz. Por eso, el material ablativo se consume a costa de absorber ese exceso de calor y proteger así el metal del motor.

En nuestro grupo, WikiSat, el desarrollo del ignter es quizá el reto que más ensayos ha necesitado (Más de 40 pruebas), solo superado por el desarrollo del motor cohete de la segunda etapa (Ese sí que es difícil. Llevamos 51 pruebas y aún sigue en desarrollo). En el vídeo en el minuto 9:40 se ve cómo se ha probado cada uno de los pasos explicados anteriormente. Por suerte contamos con nustro socio Mecanitzats PARES que fabrican algunas de las piezas del cohete para mejorar la fiabilidad. Aún así, la fiabilidad no es tan alta como la que garantizan las grandes agencias espaciales. Para un desarrollo amateur, no se pretende alcanzar el 100%, pero sí acercarse mucho.

 

 La Estación Espacial Internacional tiene radiadores para controlar la temperatura

Estación Espacial Internacional. Fuente: Moon2.0

 

ALGUNAS DEFINICIONES

Ablatividad de un material es la capacidad de absorber energía calorífica al cambiar de estado como cuando se evapora agua o una goma se quema. Si lo piensas bien, es la única manera que tenemos de refrigerar mucho el motor en el espacio pues allí no hay aire para enfriar por conducción. También se puede refrigerar por radiación pero necesita grandes paneles que un cohete no se puede permitir aunque un satélite sí. El mejor ejemplo son los radiadores (Paneles en horizontal de la foto de arriba) de la ISS, la Estación Espacial Internacional.

Inercia térmica es un concepto para referirse a que, una vez que algo empieza a quemar, cuesta parar o también para decir que para empezar a quemar algo que tiene mucha masa y está frío respecto a su punto de autoignición, necesitas calentarlo un rato.

Autoignición quiere decir aquí una temperatura en la que, si todo el material alcanza dicha temperatura, es capaz de mantener la llama y quemarse por completo. Muchas veces este punto solo se puede alcanzar localmente, como el cigarro que se irá quemando progresivamente.

 

Joshua Tristancho Martínez
Joshua Tristancho Martínez

Profesor de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Responsable del programa de espacio para femto-satélites y mini-lanzaderas en Team FREDNET y WikiSat.  Ingeniero Técnico Aeronáutico, esp. Aeronavegación, y Master in Aerospace Science and Technology por la UPC.

Sobre este blog

El creciente desarrollo que la tecnología experimenta en el sector aeroespacial hace que cada vez sea más barato el acceso al espacio. El uso de femto-satélites (menos de 100 gramos) con plena capacidad de comunicación y control, nos permitirá usar micro-lanzaderas (menos de 100 kg) de bajo coste para ponerlos en órbitas LEO (Low Earth Orbit).

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