Un cohete se utiliza, entre otras muchas aplicaciones, para llevar carga útil al espacio en diferentes órbitas, como la colocación de satélites artificiales, telescopios o misiones a la Estación Espacial Internacional, para ello, se emplean sistemas de lanzamiento basados en motores cohete de combustible líquido y/o de combustible sólido principalmente.
El empuje (
) depende de la cantidad de masa de propelente quemado por segundo (
) que sale del motor y de la velocidad de salida (
) del mismo, más el área de salida (
) del conducto denominado tobera, multiplicado por la diferencia de presiones (
) entre el motor y la atmósfera. En el caso del espacio exterior, la presión atmosférica se considera nula. Si dividimos el empuje entre la cantidad de masa por segundo, obtenemos el impulso específico (
), que puede estar dado en segundos o en newtons por segundo entre kilogramo, dependiendo del sistema de unidades utilizado (gravitacional o absoluto).
En la cohetería experimental, los motores utilizados pueden ser fabricados de forma casera o adquiridos de importación en tiendas de aeromodelismo. Estos motores se clasifican según el impulso total (
) que generan, asignándoles una letra del alfabeto inglés, comenzando con la letra A para motores de bajo impulso total. El impulso total se calcula como el producto del empuje por el tiempo de vuelo (
).
Los cartuchos de combustible, como se muestra en la figura 1, están identificados con un código de designación específico, como en este caso, E9-8. Este código de designación sigue un formato estándar donde cada letra y número tiene un significado específico. En primer lugar, la letra "E" indica el impulso total del motor, que según la clasificación internacional se encuentra en el rango de 20.01 hasta 40 N.s. Luego, el número "9" representa el empuje del motor en Newtons, indicando que este motor tiene un empuje de 9N. Finalmente, el último número en el código de designación, en este caso el "8", representa el tiempo estimado de retardo en segundos entre el agotamiento del combustible y la detonación de una carga para separar la carga de eyección y el paracaídas
Figura 1. Fotografia tomada en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del IPN de cartuchos de motores de combustible solido para modelos de cohete.
Para la fabricación de motores de cohetes experimentales de combustible sólido, se emplean ingredientes en la mezcla de los combustibles que modifican sus propiedades, aunque representen un porcentaje bajo en relación con la masa total del combustible. A estos ingredientes se les denomina aditivos funcionales. El combustible se trabaja y se manufactura como un compuesto plástico orgánico y sintético, se puede fabricar con base en métodos de manufactura como es el moldeo, extrusión o matriz. La falta de homogeneidad o de compresión puede provocar grietas en el grano de combustible cambiando el frente de combustión para el cual fue diseñado o provocando una combustión inestable.
Dentro del proceso de fabricación de motores de combustible sólido para cohetes experimentales, se siguen diversos procedimientos que están regulados por normas específicas. A continuación, se presenta un ejemplo de uno de estos procedimientos:
- Elección del tipo de oxidante o componente principal para la mezcla de combustible, esto involucra su clasificación, el tipo de grano y el proceso de secado ya que el combustible debe estar 100% sin humedad.
- Elección de los aditivos funcionales.
- Elección de porcentajes de la mezcla para el combustible sólido contemplando el resguardo de cada componente.
- Elección de los aditivos de procesamiento, reduciendo la fragilidad del grano y manteniendo unido a los componentes de la mezcla.
- Se genera la mezcla en función del peso o volumen total.
- Se produce el combustible en condiciones controladas y se espera el proceso de curado, en algunas ocasiones se mezclan con aditivos líquidos y se eleva la temperatura para la obtención final del combustible.
- Esperar y medir el proceso de curado.
- Para el paso 4, 5, 6 y 7 se deben usar herramientas y equipos limpios, si es necesario se debe manufacturar herramienta propia al proceso.
- Se verifica, y en su caso se manufactura la estructura o casco del motor y/o el herramental para generar el vaciado del combustible dentro del casco respetando las dimensiones internas del alma motor (Figura 2), de igual manera se debe fabricar la tobera e incorporar sin contaminar al combustible el sistema de encendido a distancia; se tiene que escoger cuidadosamente los procesos de manufactura y compactación del combustible dentro o fuera del casco.
- Se debe contener el combustible compacto dentro del motor o en muchos casos se compacta dentro del casco del motor, removiendo la herramienta que se usa para crear el alma, para ello se debe tener contemplado un lubricante que no dañe la sección transversal del combustible.
- Se elimina el combustible que se daña dentro del motor, es decir el excedente de combustible que provoca que la geometría de las secciones transversales se modifique.
- Se genera una serie de inspecciones visuales, de ultrasonido o rayos X para verificar la compactación del combustible, asegurando con esto que no hay grietas internas que provoquen un cambio en el frente de combustión.
- Se verifica el ensamble de todas las partes que integran al vehículo cohete, que incluye el motor, la tobera, los sistemas del motor, etcétera.
- Se debe sellar antes del funcionamiento la salida del motor con un material aislante que asegure que no habrá contaminación ambiental o entrada de partículas extrañas dentro del motor que provoquen una mala ignición o combustión.
- Se verifica que los sistemas se encuentren funcionales, incluyendo el sistema de encendido sin provocar el pre encendido.
- Se procede a llevar a cabo el resguardo de combustible y traslado con la generación de manuales de operación del vehículo que incluye fiche técnica del motor.
Figura 2. Fotografia tomada en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del IPN de cartuchos de motores de combustible solido mostrando el alma del combustible.
Dentro de la cohetería experimental es muy común emplear motores con combustible sólido tipo “Rocket Candy” o “R-Candy” con un porcentaje de combustible base, generalmente nitrato de potasio en un 65% y un porcentaje de azúcar o derivado en un 35%, pudiendo agregar como aditivo funcional el oxido de hierro o aluminio en un 5% más del peso total empleando un poco de resina epóxica para rellenar fisuras en caso de que las hubiera.
En México, la cohetería experimental está en una fase de desarrollo. Existen competencias tanto a nivel nacional como internacional, donde aficionados, estudiantes e incluso profesionales con algunas certificaciones de asociaciones internacionales participan con modelos de cohete bien elaborados. Sin embargo, a pesar de contar con diseños propios validados en software comercial, manufactura de calidad y lanzamientos exitosos, aún existen brechas significativas que impiden el avance hacia el diseño y construcción de cohetes profesionales.
La cohetería experimental tiene como objetivos la educación, el aprendizaje y avance en el desarrollo tecnológico, mientras que la cohetería profesional debe adherirse a las regulaciones locales y nacionales para el lanzamiento de cohetes. Esto incluye una planificación detallada de misiones, abarcando aspectos como logística, seguridad y cumplimiento normativo ambiental. Además, la cohetería profesional contempla la producción en serie de motores y vehículos cohete, lo que implica la fabricación a gran escala con la finalidad de generar operaciones comerciales.
Una diferencia significativa entre los cohetes profesionales y los experimentales es su capacidad para alcanzar un punto de destino específico con precisión, lo que se conoce como un cohete balístico. Estos cohetes se distinguen por su habilidad para seguir una trayectoria predeterminada desde el momento en que su motor se activa, permitiéndoles llegar exactamente al lugar requerido.
Otra diferencia clara es la rigurosa documentación que se resguarda para la reproducibilidad y escalabilidad exacta del cohete. Se debe seguir una metodología precisa que incluya los datos de la misión, la ficha técnica, el manual de operación, el control de cambios, los cálculos analíticos y la memoria de cálculo, la validación numérica, los planos de construcción, la nomenclatura del proyecto, el tiempo de pruebas en bancos especializados, entre otros aspectos. Estas etapas deben respetarse independientemente de la metodología empleada:
- -Concepto de producto
- -Investigación
- -Diseño
- -Creación del diseño crítico o final
- -Prueba
- -Fabricación y ensamblaje
- -Calidad y pruebas
- -Lanzamiento oficial
- -Comercialización
Este enfoque meticuloso asegura que cada fase del desarrollo del cohete cumpla con los estándares requeridos para su éxito y funcionalidad.
Una diferencia clara entre la cohetería experimental y la profesional es el enfoque en las pruebas. En la cohetería experimental, el cohete se prueba en su totalidad una vez finalizada su manufactura. Por otro lado, en la cohetería profesional, todos los subsistemas que componen el vehículo aeroespacial deben ser probados por separado antes de la integración final.
Los cohetes profesionales deben acumular horas significativas en bancos de pruebas estandarizados y certificados, mismas que deben registrarse en una bitácora de funcionamiento. Los bancos de prueba presentan una ventaja considerable en comparación con las pruebas experimentales amateur en vuelo. Sus sistemas de control están ubicados en tierra y pueden ser monitoreados con mayor facilidad que durante el vuelo. Estos sistemas permiten la supervisión de parámetros como los circuitos eléctricos, la transmisión de comandos del sistema de control, los puntos de operación y funcionamiento del motor, así como los elementos de automatización del banco, incluyendo los equipos de corte de emergencia y la orientación de las toberas, entre otros.
Para determinar la duración de las pruebas en vuelo de cada motor, se compara el tiempo de funcionamiento en un banco de pruebas, que incluye un número 'n' de pruebas, con el tiempo de funcionamiento durante una prueba de vuelo. Realizar pruebas en tierra aumenta la probabilidad de que el motor funcione correctamente en un vuelo real, lo que a su vez permite reducir el número de pruebas de vuelo necesarias. Esta reducción en el número de pruebas de vuelo conlleva una disminución de los costos operativos, al tiempo que mejora la confiabilidad de los sistemas y permite una validación experimental más profesional.
Los cohetes experimentales utilizan sistemas de control que en su mayoría son monitoreados a distancia a través de una estación terrena propia. En contraste, los cohetes profesionales cuentan con un alto nivel de automatización y autocorrección, lo que optimiza el tiempo necesario para completar la misión de manera exitosa, eliminando errores humanos que son más comunes en los cohetes experimentales. Además, la eficiencia, calidad y cantidad de la adquisición de datos se incrementan gracias a una estación terrena de control bien equipada, considerada un centro de control de misión o centro de misiones espaciales.
En la cohetería experimental, se utiliza una lista de verificación de vuelo que opera bajo criterios de seguridad para la operación. En contraste, en la cohetería profesional, esta lista de verificación se convierte en una serie de procedimientos de vuelo, incluso con un guion preestablecido entre los diferentes operadores de las diversas estaciones terrenas de enlace, desde el ingreso de la carga útil hasta el seguimiento de la misión. Estos operadores supervisan cada aspecto del lanzamiento, incluyendo:
- -Director de operaciones de vuelo
- -Director de misión de la sede del control de misión
- -Representante del departamento de defensa o autoridad
- -Oficial de asuntos públicos o relaciones
- -Director de vuelo
- -Oficial de dinámica de vuelo
- -Ingenieros de sistemas de vehículos
- -Oficial de instrumentación y comunicaciones
- -Ingeniero de propulsión
- -Oficial de retroceso o aborto de vuelo
- -Oficial de navegación
- -Oficial de operaciones y procedimientos
- -Subdirector de vuelo
- -Controlador de red
- -Ingeniero de sistemas de refuerzo
- -Supervisor de mantenimiento y operaciones
- -Oficial de experimentos/operaciones
Estos especialistas trabajan en conjunto para garantizar que cada aspecto del lanzamiento se lleve a cabo de manera segura y eficiente, siguiendo los procedimientos establecidos y manteniendo los más altos estándares de operación del cuarto de control de misión (ejemplo, Figura 3).
Figura 3. Fotografia cortesia de la pagina web de Space Center Houston de la NASA.
Para la transición de la cohetería experimental a la profesional en México, es esencial considerar una serie de aspectos clave. Si bien el país cuenta con el talento técnico y la capacidad tecnológica necesarios, es crucial fortalecer ciertos aspectos para garantizar una transición exitosa. Entre estos, se destaca la necesidad de mejorar la gestión de proyectos, la ingeniería de sistemas, la elaboración de procedimientos, programas de capacitación y control presupuestario. Además, es fundamental realizar una planificación detallada de laboratorios, bancos de pruebas y equipamiento especializado. Con estos esfuerzos, se asegura una transición efectiva hacia la cohetería profesional en México.
Centro de Desarrollo Aeroespacial, Instituto Politécnico Nacional
parizpec@ipn.mx
