El caramelo para cohetes , o R-Candy , es un tipo de propulsor para cohetes modelo elaborado con una forma de azúcar como combustible y que contiene un oxidante . El propulsor se puede dividir en tres grupos de componentes: el combustible, el oxidante y el (los) aditivo(s) (opcionales). En el pasado, la sacarosa se usaba más comúnmente como combustible. Las formulaciones modernas usan más comúnmente sorbitol por su facilidad de producción. El oxidante más común es el nitrato de potasio (KNO3 ) . El nitrato de potasio se encuentra más comúnmente en el removedor de tocones de árboles . Los aditivos pueden ser muchas sustancias diferentes y actúan como catalizadores o mejoran la estética del despegue o el vuelo. Una formulación tradicional de propulsor de azúcar se prepara típicamente en una proporción de oxidante a combustible de 65:35 (13:7). [1] Esta proporción puede variar de un combustible a otro según la velocidad de combustión, el tiempo y el uso.
Existen muchos métodos diferentes para preparar un propulsor para cohetes a base de azúcar. La compresión en seco no requiere calentamiento; solo requiere moler los componentes y luego empaquetarlos en el motor. Sin embargo, este método no se recomienda para experimentos serios, esto se debe a que la compresión en seco está menos saturada y puede ser peligrosa si se cae del cohete. El calentamiento en seco en realidad no derrite el KNO3 , pero derrite el azúcar y luego los granos de KNO3 quedan suspendidos en el azúcar. Alternativamente, el método de disolución y calentamiento implica que ambos elementos se disuelvan en agua y luego se combinen hirviendo el agua, creando una mejor mezcla. [2]
El impulso específico, el impulso total y el empuje son generalmente menores para la misma cantidad de combustible que otros combustibles para cohetes de modelos compuestos, pero el combustible para cohetes es significativamente más barato.
En los Estados Unidos, los motores de cohetes Candy son legales de fabricar, pero ilegales de transportar sin un permiso de usuario de bajo nivel de explosivos. [3] [4] Dado que cuentan como motores amateurs , generalmente se lanzan en lanzamientos de investigación autorizados por la Asociación de Cohetería de Trípoli , que requieren que los usuarios tengan una certificación de nivel 2 de alta potencia de la Asociación de Cohetería de Trípoli . Los usuarios también pueden lanzar usando estos motores solicitando una exención de vuelo de la FAA .
Los caramelos para cohetes se pueden dividir en tres grupos principales de componentes: combustibles , oxidantes y aditivos. El combustible es la sustancia que se quema, liberando gases que se expanden rápidamente y que proporcionan empuje cuando salen de la boquilla. El oxidante proporciona oxígeno, que es necesario para el proceso de combustión. Los aditivos pueden ser catalizadores, para acelerar o hacer más eficiente la combustión. Sin embargo, algunos aditivos son más estéticos y pueden agregar chispas y llamas al despegue, o agregar humo para facilitar el seguimiento del cohete en el aire.
Se utilizan muchos azúcares diferentes como combustible para los caramelos cohete. El combustible más común suele ser la sacarosa, sin embargo, a veces se utilizan glucosa y fructosa . Como alternativa, el sorbitol , un alcohol de azúcar que se utiliza habitualmente como edulcorante en los alimentos, produce un propulsor con una velocidad de combustión más lenta y es menos frágil cuando se convierte en granos de propulsor . [5] Los azúcares con un oxígeno de doble enlace, como la fructosa y la glucosa, son menos estables térmicamente y tienden a caramelizarse cuando se sobrecalientan. [6] Los azúcares que tienen grupos de alcohol, como el sorbitol, son mucho menos propensos a esta descomposición. Algunos otros azúcares de uso común incluyen eritritol , xilitol , lactitol , maltitol o manitol .
El oxidante más utilizado en la preparación de motores de azúcar es el nitrato de potasio (KNO3 ) . También se pueden utilizar otros oxidantes, como los nitratos de sodio y calcio , así como mezclas de nitrato de sodio y potasio. [7] El KNO3 se puede adquirir comprando un "quitatocones" granulado en tiendas que vendan artículos de jardinería. Otros oxidantes que rara vez se utilizan son el perclorato de amonio y el de potasio.
Hay dos cuestiones principales que deben abordarse con respecto al oxidante si se utiliza nitrato de potasio. La cuestión más importante es la pureza del material. Si un material comprado no funciona satisfactoriamente, puede ser necesario recristalizar el KNO3 . La segunda cuestión importante con respecto a la porción oxidante de un propulsor es su tamaño de partícula. La mayoría de los fabricantes de propulsores prefieren que su KNO3 se muele a un tamaño de partícula pequeño, como 100 mesh (aproximadamente 150 μm) o más pequeño. [2] Esto se puede hacer usando un molinillo de café. También se pueden usar pulidoras de rocas para moler hasta obtener un polvo bien mezclado de grano fino.
A menudo se añaden aditivos a los propulsores de cohetes para modificar sus propiedades de combustión. Dichos aditivos se pueden utilizar para aumentar o disminuir la velocidad de combustión del propulsor. Algunos se utilizan para alterar el color de la llama o el humo producido. También se pueden utilizar para modificar una determinada propiedad física del propio propulsor, como plastificantes o surfactantes para facilitar la fundición de la fórmula. Hay muchos tipos de aditivos experimentales; los que se enumeran a continuación son los más utilizados.
Se ha descubierto que los óxidos metálicos aumentan la velocidad de combustión de los propelentes de azúcar. Se ha descubierto que estos aditivos funcionan mejor en niveles del 1 al 5 por ciento. [5] Los óxidos de hierro más utilizados son los óxidos de hierro. El óxido de hierro rojo es el más utilizado, ya que es algo más fácil de obtener que las versiones amarilla , marrón o negra . El óxido de hierro marrón exhibe propiedades inusuales de aceleración de la velocidad de combustión bajo presión.
El carbón en forma de carbón vegetal , carbón negro , grafito , etc., puede utilizarse y, en ocasiones, se utiliza como combustible en formulaciones de azúcar. Sin embargo, lo más frecuente es que se utilice una pequeña cantidad de carbón como opacificante, lo que deja un rastro de humo visible. El carbón actúa como disipador de calor, manteniendo una parte del calor de la combustión en el propulsor en lugar de transferirlo rápidamente a la carcasa del motor.
Si se utilizan combustibles metálicos como el aluminio o el magnesio en una fórmula de azúcar, existe el peligro de que se encuentren rastros de ácidos en el oxidante. Los materiales ácidos pueden reaccionar fácilmente con el metal, produciendo hidrógeno y calor, una combinación peligrosa. La adición de bases débiles ayuda a neutralizar estos materiales ácidos, lo que reduce en gran medida su peligrosidad.
El metal de titanio en forma de escamas o esponjas (de tamaño de malla 20 aproximadamente) se añade a menudo a las formulaciones de azúcar en niveles de 5 a 10% para producir una llama chispeante y humo al despegar. [6]
Los surfactantes se utilizan para reducir la viscosidad de fusión de los propelentes azucarados. Por ejemplo, el propilenglicol ayuda a reducir la viscosidad de fusión de los propelentes a base de sacarosa. [5]
Una formulación típica de propulsor de azúcar se prepara normalmente en una proporción de oxidante a combustible de 13:7 (relación en peso). Sin embargo, esta formulación es ligeramente rica en combustible [6] y se puede variar hasta en un 10 %. Hay otras formulaciones posibles que permiten el vuelo en cohetería amateur.
Existen varios métodos diferentes para preparar un propulsor para cohetes a base de azúcar. Estos métodos incluyen la compresión en seco, el calentamiento en seco y la disolución y el calentamiento. Los dos últimos métodos implican el calentamiento del propulsor.
En la compresión en seco, el azúcar y el nitrato de potasio se muelen individualmente lo más fino posible y luego se mezclan en un molino de bolas o un tambor para asegurar una mezcla uniforme de los componentes. Luego, esta mezcla se comprime en el tubo del motor, de manera similar al método para envasar pólvora negra en un rifle de avancarga. Sin embargo, este método rara vez se utiliza para experimentos serios y se deben tener en cuenta consideraciones de seguridad antes de decidir emplearlo.
Otro método más común y seguro para preparar un propulsor de cohetes a base de azúcar es el calentamiento en seco. Primero, el nitrato de potasio se muele hasta obtener un polvo fino y luego se mezcla completamente con azúcar en polvo que luego se calienta. Este método en realidad no funde el nitrato de potasio, ya que la temperatura de fusión del KNO3 es de 323 °C (613 °F), pero funde el azúcar y recubre los granos de KNO3 con el azúcar fundido. Una alternativa a este método fue utilizada por Rick Maschek del proyecto Sugar Shot to Space . En él no se muele ni se muele el nitrato de potasio hasta obtener un polvo que dé como resultado una viscosidad lo suficientemente baja como para hacer que la solución sea vertible cuando se usa sorbitol como combustible para fundir granos. El proceso de fusión debe realizarse utilizando un difusor de calor , para evitar la creación de puntos calientes de autoignición. [ cita requerida ]
James Yawn aboga por el método de disolución y calentamiento. [8] La disolución y el calentamiento del propulsor en realidad disuelven ambos elementos del propulsor y los combinan. Primero, el KNO3 y el azúcar se colocan en una olla o cacerola. Luego, se agrega la cantidad de agua suficiente para poder disolver completamente el KNO3 y el azúcar. Luego, la mezcla se calienta y se lleva a ebullición hasta que el agua se evapora. La mezcla pasa por varias etapas: primero se hierve, luego se burbujea y se escupe, luego su consistencia se vuelve suave y cremosa. Hay varias ventajas de disolver el azúcar y el KNO3 en agua antes de calentar. [2] Una ventaja es que el KNO3 y el azúcar no tienen que ser pulverizados finamente, porque ambos terminan completamente disueltos. También se puede preparar a una temperatura más baja y requiere menos agitación. Este método de preparación también hace que el propulsor resultante resista la caramelización en la olla, lo que le da más tiempo para compactarse en los motores. Un posible inconveniente es que el propulsor resultante es un poco más espeso (más viscoso). La mezcla no se puede verter y es necesario verterla en un molde, y nunca será tan líquida como con el método de calentamiento en seco.
Los propulsores para cohetes a base de azúcar tienen un impulso específico ( I sp ) promedio de entre 114 y 130 segundos. Compárese con el I sp promedio de un APCP ( propulsor compuesto de perclorato de amonio ), que es de 180 a 260 segundos. Los propulsores a base de sorbitol y KNO 3 con una relación típica de 35:65 son capaces de un I sp de entre 110 y 125 segundos. Sin embargo, se ha registrado que los cohetes de sorbitol y KNO 3 con aditivos tienen impulsos específicos de hasta 128 segundos. [6]
Los propulsores para cohetes a base de xilitol y KNO3 son capaces de generar un impulso específico de aproximadamente 100 segundos. Tienen una velocidad de combustión sin confinamiento de aproximadamente 1,3 mm/s. Los combustibles a base de dextrosa y KNO3 son capaces de generar una Isp de 137 segundos. [9] En general, las características de rendimiento de los cohetes de azúcar se acercan a las de los propulsores de grado profesional.
El caramelo de cohete también se conoce ocasionalmente como "caramelo de caramelo", un término que fue popularizado por Bertrand R. Brinley , en su libro sobre cohetería amateur , Rocket Manual for Amateurs , publicado en 1960. Este propulsor se utilizó en algunos de los cohetes amateur descritos por Homer Hickam en sus exitosas memorias Rocket Boys .
El caramelo para cohetes también se empleó en un pequeño cohete amateur descrito por el teniente coronel Charles M. Parkin en un extenso artículo de Electronics Illustrated que se publicó durante varios números, a partir de julio de 1958. Parkin describió cómo preparar la mezcla propulsora utilizando una sartén eléctrica como fuente de calor para la operación de fusión. Este artículo se reimprimió en el libro de Parkin, The Rocket Handbook for Amateurs , que se publicó en 1959. El artículo de Parkin contribuyó a la creciente popularidad del propulsor de caramelo para cohetes entre los grupos de coheteros amateurs a partir de finales de los años 50 y principios de los 60.
Los cohetes alimentados con azúcar se han utilizado como armas de guerra rudimentarias, como durante los ataques a Israel por parte de Hamás entre 2000 y 2003. [10]
El programa Sugar Shot to Space (SS2S) se formó con el objetivo de "lanzar un cohete propulsado por un 'propulsor de azúcar' al espacio" [11] equivalente a 100 kilómetros (62 millas) de altitud. Se esperaba que el cohete Double Sugar Shot alcanzara los 33 kilómetros (21 millas), o un tercio de la altitud objetivo. [11] El primer cohete Mini Sugar Shot , un prototipo de motor de diseño de pulso doble de una sola etapa del cohete Extreme Sugar Shot , alcanzó una altitud de 4 kilómetros (2,5 millas) antes de que ocurriera un mal funcionamiento catastrófico del motor; El contacto con el segundo cohete Mini Sugar Shot se perdió a una altitud de casi 6 kilómetros (3,7 millas) yendo por encima de Mach 1. En 2017, Rick Maschek y Chris Covany del equipo SS2S lanzaron con éxito su cohete de 150 mm con propulsor de sorbitol y nitrato de potasio a más de Mach 2,5 y fueron seguidos más tarde ese mismo año por Rick y Eric Beckner del equipo SS2S con la primera de dos pruebas exitosas de motor estático de 300 mm KNSB, los motores de "azúcar" más grandes de la historia, en las instalaciones de Friends of Amateur Rocketry (FAR) que demostraron que se podían fabricar grandes motores de "azúcar". El cohete Extreme Sugar Shot , ahora planeado como un diseño de cohete convencional de 2 etapas y el cohete que se espera que cumpla el objetivo de ingresar al espacio, aún no se ha completado. [ ¿Cuándo? ] [11]