Un motor de cohete de pólvora negra impulsa un modelo de cohete utilizando pólvora negra . Los propulsores de cohetes de pólvora negra se componen de carbón vegetal, azufre y nitrato de potasio . Se pueden hacer ajustes en la cantidad de cada componente para cambiar la velocidad a la que se quema la pólvora negra.
Los motores de cohetes de pólvora negra fueron creados en una forma primitiva por los chinos a principios del siglo XIII y, a lo largo de los años, se han realizado mejoras y se han creado varios usos. Se han utilizado para armas y dispositivos de vigilancia, así como para recreación.
Los motores de cohetes de pólvora negra sólo se fabrican en tamaños pequeños, para reducir el riesgo de explosión y la pérdida de eficiencia. Los cohetes de pólvora negra se producen en las clases 1/8 A a F. Los motores de cohetes modelo de mayor tamaño utilizan un propulsor compuesto de perclorato de amonio u otros combustibles compuestos que contienen nitrato de amonio .
La pólvora negra es el propulsor más antiguo. Su uso en cohetes precedió a su uso en armas de fuego. [1] Los tres componentes principales de la pólvora negra son el carbón vegetal, el azufre y el salitre (o nitrato de potasio). Se sabe que, hacia 1045, los chinos ya producían pólvora negra, porque se encontraron muchas referencias al tema en El Wu-ching Tsung-Yao (Compendio completo de clásicos militares). [2] A principios del siglo XIII, los chinos convirtieron objetos propulsados por pólvora negra, que antes sólo se utilizaban para entretenimiento, en armas de guerra. El primer uso registrado de cohetes como arma militar fue en 1232. [1] Las "flechas de fuego" chinas fueron disparadas desde una especie de lanzador de catapultas. La pólvora negra estaba empaquetada en un tubo cerrado que tenía un agujero en un extremo para escapar de los gases calientes y un palo largo como sistema elemental de estabilidad y guía.
Sin embargo, la pólvora negra tenía un impulso específico muy bajo. Durante los siguientes cientos de años se realizaron mejoras en el diseño de cohetes. En 1591, un belga, Jean Beavie, describió y esbozó la importante idea de los cohetes de varias etapas.
Hacia las 16:00, se utilizaban cohetes en varias partes de Europa contra la caballería. En 1688, se habían construido y disparado con éxito en Alemania cohetes que pesaban más de 120 libras. Estos cohetes alemanes, que llevaban ojivas de 16 libras, utilizaban pólvoras de madera reforzadas con lino.
Los cohetes de pólvora negra alcanzaron un nuevo nivel de rendimiento con la introducción de cascos de hierro y combustión a alta presión, desarrollados en la India por los ingenieros de Tipu Sultan . Con un alcance de un kilómetro, sus granadas incendiarias y propulsadas por cohetes tomaron por sorpresa a los invasores británicos durante las guerras Anglo-Mysore . [3] Impresionado por estas armas, un abogado londinense, Sir William Congreve , quedó fascinado por el desafío de mejorar los cohetes. [4] Experimentó con propulsores y diseño de carcasas. Su enfoque sistemático del problema dio como resultado un alcance mejorado, orientación (estabilización) y capacidades incendiarias. Las fuerzas armadas británicas utilizaron los nuevos cohetes de Congreve con gran ventaja durante las guerras napoleónicas y de 1812.
En 1939, investigadores del Instituto de Tecnología de California que buscaban desarrollar un motor de cohete sólido de alto rendimiento para ayudar al despegue de aviones, combinaron pólvora negra con asfalto común para carreteras para producir el primer motor verdaderamente compuesto. Este fue el nacimiento del verdadero motor compuesto y marcó el fin del uso de pólvora negra en las principales aplicaciones de cohetes. [1] Este fue también el comienzo del Laboratorio de Propulsión a Chorro , y la fuente de su nombre. [5]
El propulsor de cohetes de pólvora negra tiene una composición muy similar a la pólvora antigua. La principal diferencia es la presencia de un aglutinante, normalmente dextrina . Los motores de cohetes modelo Estes de uso común están fabricados con propulsor de pólvora negra. [2] El propulsor de pólvora negra debe presionarse con mucha fuerza para que funcione bien. Los motores diseñados con pólvora negra suelen ser de quemadores finales, debido a la rápida velocidad de combustión de este propulsor. Una versión simple sin dextrina (la formulación más utilizada) incorpora un 75% de nitrato de potasio, un 10% de azufre y un 15% de carbón. [4] Se puede agregar dextrina según se desee (generalmente entre 0 y 5%). Se puede agregar carbón vegetal (grueso) o polvos metálicos (5 - 10%) adicionales para obtener una estela de chispas interesante. Sin embargo, esto puede alterar ligeramente la velocidad de combustión de la mezcla. [1]
El impulso (área bajo la curva empuje-tiempo) de un motor de cohete se utiliza para determinar su clase . Los motores de pólvora negra se dividen en clases desde 1/8A hasta F, que cubre un rango de impulso de 0 a 80 N·s ( newton-segundo ).
Las cifras de las pruebas de los motores de cohetes Estes se utilizan en los siguientes ejemplos de rendimiento de motores de cohetes. [6]
Para motores de cohetes de pólvora negra en miniatura (13 mm de diámetro), el empuje máximo está entre 5 y 12 N, el impulso total está entre 0,5 y 2,2 N·s y el tiempo de combustión está entre 0,25 y 1 segundo. Para los motores de cohetes Estes de "tamaño normal" (18 mm de diámetro), hay tres clases: A, B y C. Los motores de clase A de 18 mm tienen un empuje máximo de entre 9,5 y 9,75 N, un impulso total de entre 2,1 y 2,3 N. ·s, y un tiempo de combustión entre 0,5 y 0,75 segundos. Los motores clase B de 18 mm tienen un empuje máximo entre 12,15 y 12,75 N, un impulso total entre 4,2 y 4,35 N·s y un tiempo de combustión entre 0,85 y 1 segundo. Los motores clase C de 18 mm tienen un empuje máximo de 14 – 14,15 N, un impulso total de entre 8,8 y 9 N·s y un tiempo de combustión de entre 1,85 y 2 segundos.
También hay 3 clases incluidas en los motores de cohetes grandes Estes (24 mm de diámetro): C, D y E. Los motores de clase C de 24 mm tienen un empuje máximo de entre 21,6 y 21,75 N, un impulso total de entre 8,8 y 9 N· s, y un tiempo de combustión entre 0,8 y 0,85 segundos. Los motores clase D de 24 mm tienen un empuje máximo entre 29,7 y 29,8 N, un impulso total entre 16,7 y 16,85 N·s y un tiempo de combustión entre 1,6 y 1,7 segundos. Los motores clase E de 24 mm tienen un empuje máximo entre 19,4 y 19,5 N, un impulso total entre 28,45 y 28,6 N·s y un tiempo de combustión entre 3 y 3,1 segundos. Estes también produce motores de pólvora negra de 29 mm en las clases E y F. Los motores de clase F tienen un impulso total de 50 Newton-segundo y contienen 60 gramos de propulsor de pólvora negra. Los motores de pólvora negra más grandes no son prácticos en los Estados Unidos porque las leyes sobre explosivos limitan los motores de pólvora negra de consumo a 62,5 gramos de propulsor. Cantidades mayores de propulsor requerirían que los usuarios obtuvieran un permiso de explosivos de la Oficina de Alcohol, Tabaco, Armas de Fuego y Explosivos. Los motores que contienen más de 62,5 gramos de propulsor generalmente dependen del propulsor compuesto de perclorato de amonio porque ese propulsor está exento de la regulación como explosivo.