El propulsante compuesto de perclorato de amonio ( APCP ) es un propulsante sólido para cohetes . Se diferencia de muchos propulsantes sólidos para cohetes tradicionales, como la pólvora negra o el cinc-azufre , no solo en su composición química y rendimiento general, sino también en que se moldea en forma, a diferencia del prensado de la pólvora [ ancla rota ] como ocurre con la pólvora negra. Esto proporciona regularidad y repetibilidad en la fabricación, que son requisitos necesarios para su uso en la industria aeroespacial.
El propulsor compuesto de perclorato de amonio se utiliza normalmente para la propulsión de cohetes aeroespaciales donde se desea simplicidad y fiabilidad y son adecuados impulsos específicos (dependiendo de la composición y la presión de funcionamiento) de 180-260 s (1,8-2,5 km/s). Debido a estos atributos de rendimiento, el APCP se ha utilizado en los cohetes propulsores sólidos del transbordador espacial , los asientos eyectables de los aviones y en aplicaciones especiales de exploración espacial, como los retrocohetes de la etapa de descenso del Mars Exploration Rover de la NASA . Además, la comunidad de cohetes de alta potencia utiliza regularmente el APCP en forma de "recargas" de propulsor disponibles comercialmente, así como en motores de un solo uso. Los coheteros experimentales y aficionados experimentados también suelen trabajar con APCP, procesándolo ellos mismos.
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El propulsor compuesto de perclorato de amonio es un propulsor compuesto, lo que significa que tiene combustible y oxidante combinados en una mezcla homogénea, en este caso con un aglutinante gomoso como parte del combustible. El propulsor se compone con mayor frecuencia de perclorato de amonio (AP), un aglutinante elastomérico como polibutadieno con terminación en hidroxilo (HTPB) o prepolímero de acrilonitrilo de ácido acrílico de polibutadieno (PBAN), metal en polvo (normalmente aluminio ) y varios catalizadores de velocidad de combustión . Además, los aditivos de curado inducen la reticulación del aglutinante elastomérico para solidificar el propulsor antes de su uso. El perclorato actúa como oxidante , mientras que el aglutinante y el aluminio actúan como combustible . Los catalizadores de velocidad de combustión determinan la rapidez con la que se quema la mezcla. El propulsor curado resultante es bastante elástico (gomoso), lo que también ayuda a limitar la fractura durante el daño acumulado (como el envío, la instalación, el corte) y las aplicaciones de alta aceleración, como la cohetería militar o de aficionados. Esto incluye las misiones del transbordador espacial , en las que se utilizó APCP para los dos SRB.
La composición del APCP puede variar significativamente según la aplicación, las características de combustión previstas y las restricciones, como las limitaciones térmicas de la boquilla o el impulso específico (I sp ). Las proporciones de masa aproximadas (en configuraciones de alto rendimiento) tienden a ser de aproximadamente 70/15/15 AP/HTPB/Al, aunque los "de bajo humo" de rendimiento bastante alto pueden tener composiciones de aproximadamente 80/18/2 AP/HTPB/Al. Si bien el combustible metálico no es necesario en el APCP, la mayoría de las formulaciones incluyen al menos un pequeño porcentaje como estabilizador de combustión, opacificante del propelente (para limitar el precalentamiento excesivo del propelente por infrarrojos ) y para aumentar la temperatura de los gases de combustión (lo que aumenta el I sp ).
Aunque el aumento de la relación de metal-combustible a oxidante hasta el punto estequiométrico aumenta la temperatura de combustión, la presencia de una fracción molar creciente de óxidos metálicos, particularmente óxido de aluminio ( Al2O3 ) que precipita de la solución gaseosa crea glóbulos de sólidos o líquidos que reducen la velocidad del flujo a medida que aumenta la masa molecular media del flujo. Además, la composición química de los gases cambia, variando la capacidad térmica efectiva del gas. Debido a estos fenómenos, existe una composición no estequiométrica óptima para maximizar la Isp de aproximadamente el 16% en masa, suponiendo que la reacción de combustión se complete dentro de la cámara de combustión .
El tiempo de combustión de las partículas de aluminio en el gas de combustión caliente varía según el tamaño y la forma de las partículas de aluminio. En los motores APCP pequeños con un alto contenido de aluminio, el tiempo de residencia de los gases de combustión no permite la combustión completa del aluminio y, por lo tanto, una fracción sustancial del aluminio se quema fuera de la cámara de combustión, lo que conduce a una disminución del rendimiento. Este efecto a menudo se mitiga reduciendo el tamaño de las partículas de aluminio, lo que induce turbulencia (y, por lo tanto, una longitud de trayectoria característica larga y un tiempo de residencia), y/o reduciendo el contenido de aluminio para garantizar un entorno de combustión con un potencial oxidante neto más alto, asegurando una combustión más completa del aluminio. La combustión del aluminio dentro del motor es la vía limitante de la velocidad, ya que las gotitas de aluminio líquido (incluso todavía líquidas a temperaturas de 3000 K (2730 °C; 4940 °F)) limitan la reacción a una interfaz de glóbulos heterogéneos, lo que hace que la relación entre el área de superficie y el volumen sea un factor importante para determinar el tiempo de residencia de la combustión y el tamaño/longitud requeridos de la cámara de combustión.
La distribución del tamaño de las partículas del propulsor tiene un profundo impacto en el rendimiento del motor del cohete APCP. Las partículas de AP y Al más pequeñas conducen a una mayor eficiencia de combustión , pero también conducen a una mayor tasa de combustión lineal. La tasa de combustión depende en gran medida del tamaño medio de las partículas de AP, ya que el AP absorbe calor para descomponerse en un gas antes de que pueda oxidar los componentes del combustible. Este proceso puede ser un paso limitante de la velocidad en la tasa de combustión general del APCP. El fenómeno se puede explicar considerando la relación entre el flujo de calor y la masa: a medida que aumenta el radio de la partícula, el volumen (y, por lo tanto, la masa y la capacidad térmica) aumenta como el cubo del radio. Sin embargo, el área de superficie aumenta como el cuadrado del radio, que es aproximadamente proporcional al flujo de calor hacia la partícula. Por lo tanto, la tasa de aumento de temperatura de una partícula se maximiza cuando se minimiza el tamaño de la partícula.
Las formulaciones comunes de APCP requieren partículas de AP de 30 a 400 μm (a menudo esféricas), así como partículas de Al de 2 a 50 μm (a menudo esféricas). Debido a la discrepancia de tamaño entre el AP y el Al, el Al a menudo ocupará una posición intersticial en una pseudored de partículas de AP.
El APCP deflagra desde la superficie del propulsor expuesto en la cámara de combustión. De esta manera, la geometría del propulsor dentro del motor del cohete juega un papel importante en el rendimiento general del motor. A medida que se quema la superficie del propulsor, la forma evoluciona (un tema de estudio en balística interna), generalmente cambiando el área de superficie del propulsor expuesta a los gases de combustión. El flujo de masa (kg/s) [y, por lo tanto, la presión] de los gases de combustión generados es una función del área de superficie instantánea (m 2 ), la densidad del propulsor (kg/m 3 ) y la velocidad de combustión lineal (m/s):
Dependiendo de la aplicación y la curva de empuje deseada, a menudo se utilizan varias configuraciones geométricas :
Si bien la superficie se puede adaptar fácilmente mediante un diseño geométrico cuidadoso del propulsor, la velocidad de combustión depende de varios factores sutiles:
En resumen, sin embargo, la mayoría de las formulaciones tienen una velocidad de combustión de entre 1 y 3 mm/s a STP y de 6 a 12 mm/s a 68 atm. Las características de combustión (como la velocidad de combustión lineal) a menudo se determinan antes de encender el motor del cohete mediante una prueba de combustión en cadena . Esta prueba permite al fabricante de APCP caracterizar la velocidad de combustión como una función de la presión. Empíricamente, el APCP se adhiere bastante bien al siguiente modelo de función de potencia:
Vale la pena señalar que, por lo general, para el APCP, n es de 0,3 a 0,5, lo que indica que el APCP es sensible a la presión de forma subcrítica. Es decir, si el área de superficie se mantuviera constante durante una combustión, la reacción de combustión no se desbordaría hasta el infinito (teóricamente), ya que la presión alcanzaría un equilibrio interno. Esto no quiere decir que el APCP no pueda causar una explosión , sino que no detonará. Por lo tanto, cualquier explosión sería causada por una presión que superaría la presión de ruptura del contenedor (motor del cohete).
Los motores de cohetes APCP comerciales suelen presentarse en forma de sistemas de motor recargables (RMS) y motores de cohetes de un solo uso completamente ensamblados. Para los RMS, los " granos " APCP (cilindros de propulsor) se cargan en la carcasa reutilizable del motor junto con una secuencia de discos aislantes y juntas tóricas y una boquilla ( de grafito o resina fenólica rellena de vidrio ). La carcasa del motor y los cierres suelen comprarse por separado al fabricante del motor y, a menudo, están mecanizados con precisión a partir de aluminio. El RMS ensamblado contiene componentes reutilizables (normalmente de metal) y desechables.
Los principales proveedores de APCP para uso aficionado son:
Para lograr diferentes efectos visuales y características de vuelo, los proveedores de APCP para aficionados ofrecen una variedad de diferentes tipos de propulsores característicos. Estos pueden variar desde los de combustión rápida con poco humo y llama azul hasta los clásicos humo blanco y llama blanca. Además, hay disponibles formulaciones de colores para mostrar humo rojo, verde, azul e incluso negro.
En las aplicaciones de cohetes de potencia media y alta, el APCP ha sustituido en gran medida a la pólvora negra como propulsor de cohetes. Los trozos de pólvora negra compactados tienden a fracturarse en aplicaciones más grandes, lo que puede provocar una falla catastrófica en los vehículos cohete. Las propiedades elásticas del material del APCP lo hacen menos vulnerable a las fracturas por golpes accidentales o vuelos de alta aceleración. Debido a estos atributos, la adopción generalizada del APCP y otros tipos de propulsores relacionados en el hobby ha mejorado significativamente la seguridad de la cohetería.
Los gases de escape de los motores de cohetes sólidos APCP contienen principalmente agua , dióxido de carbono , cloruro de hidrógeno y un óxido metálico (normalmente óxido de aluminio ). El cloruro de hidrógeno puede disolverse fácilmente en agua y crear ácido clorhídrico corrosivo . El destino ambiental del cloruro de hidrógeno no está bien documentado. El componente de ácido clorhídrico de los gases de escape de APCP conduce a la condensación de la humedad atmosférica en la columna y esto mejora la firma visible de la estela. Esta firma visible, entre otras razones, llevó a la investigación de propulsores de combustión más limpia sin firmas visibles. Los propulsores de firma mínima contienen principalmente moléculas orgánicas ricas en nitrógeno (por ejemplo, dinitramida de amonio ) y, dependiendo de su fuente oxidante, pueden arder a mayor temperatura que los propulsores compuestos APCP.
En los Estados Unidos, el APCP para uso aficionado está regulado indirectamente por dos agencias no gubernamentales: la Asociación Nacional de Cohetería (NAR) y la Asociación de Cohetería de Trípoli (TRA). Ambas agencias establecen reglas sobre la clasificación de impulso de los motores de cohetes y el nivel de certificación requerido por los coheteros para comprar ciertos motores de impulso (tamaño). La NAR y la TRA requieren que los fabricantes de motores certifiquen sus motores para su distribución a vendedores y, en última instancia, a los aficionados. El vendedor tiene la responsabilidad (por parte de la NAR y la TRA) de verificar que los aficionados cuenten con la certificación para cohetes de alta potencia antes de que se pueda realizar una venta. La cantidad de APCP que se puede comprar (en forma de recarga de motor de cohete) se correlaciona con la clasificación de impulso y, por lo tanto, la cantidad de APCP que puede comprar un aficionado (en cualquier kit de recarga individual) está regulada por la NAR y la TRA.
La legalidad general relativa a la implementación de APCP en motores de cohetes se describe en la norma NFPA 1125. El uso de APCP fuera del ámbito de los pasatiempos está regulado por los códigos de incendios estatales y municipales. El 16 de marzo de 2009, se dictaminó que el APCP no es un explosivo y que la fabricación y el uso de APCP ya no requieren una licencia o permiso de la ATF . [1]
