Rocket Candy , o R-Candy , es un tipo de propulsor para cohetes modelo fabricado 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 los aditivos (opcionales). En el pasado, la sacarosa se utilizaba más comúnmente como combustible. Las formulaciones modernas utilizan con mayor frecuencia sorbitol por su facilidad de producción. El oxidante más común es el nitrato de potasio (KNO 3 ). El nitrato de potasio se encuentra más comúnmente en los removedores de tocones de árboles . Los aditivos pueden ser muchas sustancias diferentes y actuar como catalizadores o mejorar la estética del despegue o vuelo. Una formulación tradicional de propulsor de azúcar generalmente se prepara en una proporción de oxidante a combustible de 65:35 (13:7). [1] Esta relación 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 de 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 seca está menos saturada y puede ser peligrosa si se cae del cohete. El calentamiento en seco en realidad no derrite el KNO 3 , pero derrite el azúcar y luego los granos de KNO 3 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 los caramelos para cohetes son significativamente más baratos.
En los Estados Unidos, es legal fabricar motores de cohetes, pero es ilegal transportarlos sin un permiso de uso de explosivos bajos. [3] [4] Dado que cuentan como motores aficionados , normalmente se lanzan en lanzamientos de investigación autorizados por la Trípoli Rocketry Association que requieren que los usuarios posean una certificación de nivel 2 de alta potencia de la Trípoli Rocketry Association . Los usuarios también pueden realizar lanzamientos utilizando 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 en rápida expansión 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 de rúcula. El combustible más común suele ser la sacarosa, aunque a veces se utilizan glucosa y fructosa . Como alternativa, el sorbitol , un alcohol de azúcar comúnmente utilizado como edulcorante en los alimentos, produce un propulsor con una velocidad de combustión más lenta y es menos quebradizo cuando se convierte en granos de propulsor . [5] Los azúcares con un doble enlace de oxígeno, como la fructosa y la glucosa, son menos estables térmicamente y tienden a caramelizarse cuando se sobrecalientan. [6] Los azúcares que tienen grupos 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 (KNO 3 ). También se pueden utilizar otros oxidantes, como nitratos de sodio y calcio , así como mezclas de nitrato de sodio y potasio. [7] KNO 3 se puede adquirir comprando un "removedor de tocones" granulado en tiendas que venden suministros de jardinería. Otros oxidantes poco utilizados son el perclorato de amonio y potasio.
Es necesario abordar dos cuestiones principales 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 KNO 3 . 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 su KNO 3 molido a un tamaño de partícula pequeño, como malla 100 (aproximadamente 150 μm) o menos. [2] Esto se puede hacer usando un molinillo de café. Los tambores de roca también se pueden utilizar para moler hasta obtener un polvo de grano fino y bien mezclado.
A menudo se añaden aditivos a los propulsores de cohetes para modificar sus propiedades de combustión. Dichos aditivos se pueden usar para aumentar o disminuir la velocidad de combustión del propulsor. Algunos se utilizan para alterar el color de la llama o del humo producido. También se pueden utilizar para modificar cierta propiedad física del propio propulsor, como plastificantes o tensioactivos para facilitar la fundición de la formulación. Existen muchos tipos de aditivos experimentales; los que se enumeran aquí son los más utilizados.
Se ha descubierto que los óxidos metálicos aumentan la velocidad de combustión de los propulsores de azúcar. Se ha descubierto que estos aditivos funcionan mejor en niveles del 1 al 5 por ciento. [5] Los más utilizados son los óxidos de hierro. El óxido de hierro rojo se utiliza con mayor frecuencia porque 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.
Carbono en forma de carbón vegetal , negro de humo , grafito , etc; Puede usarse, y a veces se usa, como combustible en formulaciones de azúcar. Sin embargo, lo más frecuente es que se utilice una pequeña cantidad de carbono como opacificante, dejando un rastro de humo visible. El carbón actúa como un disipador de calor, manteniendo una parte del calor de combustión ubicado 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 formulación de azúcar, existe el peligro de que se encuentren trazas 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, reduciendo en gran medida su peligro.
El titanio metálico en forma de escamas o esponja (de aproximadamente 20 mallas de tamaño) a menudo se agrega a las formulaciones de azúcar en niveles del 5 al 10% para producir una llama chispeante y humo al despegar. [6]
Los tensioactivos se utilizan para reducir la viscosidad de fusión de los propulsores de azúcar. Por ejemplo, el propilenglicol ayuda a reducir la viscosidad en estado fundido de los propulsores a base de sacarosa. [5]
Una formulación típica de propulsor de azúcar se prepara típicamente en una proporción de oxidante a combustible de 13:7 (relación en peso). Sin embargo, esta formulación es ligeramente rica en combustible [6] y puede variarse hasta en un 10%. Existen otras formulaciones posibles que permiten el vuelo en cohetes de aficionados.
Existen varios métodos diferentes para preparar un propulsor de cohetes a base de azúcar. Estos métodos incluyen compresión en seco, calentamiento en seco y disolución y calentamiento. Los dos últimos métodos implican calentar el propulsor.
En la compresión seca, el azúcar y el nitrato de potasio se muelen individualmente lo más finamente posible y luego se mezclan en un molino de bolas o en 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 empaquetar pólvora negra en un rifle de avancarga. Sin embargo, este método rara vez se utiliza para experimentos serios y se deben tomar cuidadosas 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 o se muele hasta obtener un polvo fino y luego se mezcla bien con azúcar en polvo que luego se calienta. En realidad, este método no derrite el nitrato de potasio, ya que la temperatura de fusión del KNO 3 es de 323 °C (613 °F), pero derrite el azúcar y cubre los granos de KNO 3 con el azúcar derretido. Rick Maschek, del proyecto Sugar Shot to Space, utilizó una alternativa a este método . En el que no muele ni muele el nitrato de potasio hasta convertirlo en polvo, lo que da como resultado una viscosidad lo suficientemente baja como para hacer que la solución se pueda verter cuando se usa sorbitol como combustible para fundir granos. El proceso de fusión debe realizarse mediante un disipador de calor , para evitar la creación de puntos calientes de autoignición. [ cita necesaria ]
James Yawn aboga por el método de disolución y calentamiento. [8] Al disolver y calentar el propulsor en realidad se disuelven ambos elementos del propulsor y los combina. Primero se coloca el KNO 3 y el azúcar en una olla o cazo. Luego se agrega agua suficiente para poder disolver completamente el KNO 3 y el azúcar. Luego se calienta la mezcla y se lleva a ebullición hasta que el agua se evapora. La mezcla pasa por varias etapas: primero hierve, luego burbujea y escupe, luego su consistencia se vuelve suave y cremosa. Hay varias ventajas al disolver el azúcar y el KNO 3 en agua antes de calentarlo. [2] Una ventaja es que el KNO 3 y el azúcar no tienen que estar finamente pulverizados, 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 da más tiempo para introducirlo en los motores. Un posible aspecto negativo es que el propulsor resultante es un poco más espeso (más viscoso). La mezcla no se puede verter y es necesario colocarla en un molde, y nunca será tan fina como el método de calentamiento en seco.
Los propulsores de cohetes a base de azúcar tienen un I sp ( impulso específico ) promedio de entre 115 y 130 segundos. Compare eso 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 proporción típica de 35:65 son capaces de alcanzar 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 de cohetes basados en xilitol y KNO 3 son capaces de generar un impulso específico de ~100 segundos. Estos tienen una velocidad de combustión ilimitada de aproximadamente 1,3 mm/s. Los combustibles a base de dextrosa y KNO 3 son capaces de alcanzar un I sp de 137 segundos. [9] En general, las características de rendimiento de los cohetes azucareros se aproximan a las de los propulsores de calidad profesional.
El caramelo de cohete también se conoce ocasionalmente como "caramelo de caramelo", 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 memorias más vendidas Rocket Boys .
También se empleó caramelo de cohete en un pequeño cohete amateur descrito por el teniente coronel Charles M. Parkin en un extenso artículo de Electronics Illustrated que continuó en varios números, comenzando en julio de 1958. Parkin describió cómo preparar la mezcla de propulsor usando una freidora eléctrica. sartén como fuente de calor para la operación de fusión. Este artículo fue reimpreso 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 de cohete entre los grupos de cohetes aficionados a partir de finales de los años cincuenta y principios de los sesenta.
Los cohetes alimentados con azúcar se han utilizado como armas de guerra toscas, como durante los ataques de Hamás a Israel entre 2000 y 2003. [10]
El programa Sugar Shot to Space (SS2S) se formó con el objetivo de "lanzar al espacio un cohete propulsado por un 'propulsor de azúcar'" [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 dual 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) superando Mach 1. En 2017, Rick Maschek y Chris Covany, del equipo SS2S, lanzaron con éxito su cohete propulsor de sorbitol y nitrato de potasio de 150 mm a más de Mach 2.5 y fue seguido más tarde ese mismo año por Rick y Eric Beckner del equipo SS2S con la primera de dos exitosas pruebas de motor estático KNSB de 300 mm, los motores 'azúcar' más grandes jamás realizados, en las instalaciones de Friends of Amateur Rocketry (FAR) que muestran grandes Se podrían fabricar motores de 'azúcar'. El cohete Extreme Sugar Shot , ahora planeado como un diseño de cohete convencional de 2 etapas y que se espera que cumpla el objetivo de ingresar al espacio, aún no se ha completado. [ ¿cuando? ] [11]