El propulsor compuesto de perclorato de amonio ( APCP ) es un propulsor sólido para cohetes . Se diferencia de muchos propulsores sólidos tradicionales para cohetes, como la pólvora negra o el zinc-azufre , no solo en su composición química y rendimiento general, sino también en su forma , a diferencia del prensado de pólvora [ ancla rota ] como ocurre con la pólvora negra. Esto proporciona regularidad y repetibilidad de fabricación, que son requisitos necesarios para su uso en la industria aeroespacial.
El propulsor compuesto de perclorato de amonio suele utilizarse para la propulsión de cohetes aeroespaciales donde se desean simplicidad y confiabilidad y son adecuados impulsos específicos (dependiendo de la composición y la presión de operación ) de 180 a 260 s (1,8 a 2,5 km/s). Debido a estos atributos de rendimiento, APCP se ha utilizado en los propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial , asientos eyectables de aviones y aplicaciones especiales de exploración espacial, como los retrocohetes de etapa de descenso del Mars Exploration Rover de la NASA . Además, la comunidad de cohetes de alta potencia utiliza regularmente APCP en forma de "recargas" de propulsores disponibles comercialmente, así como motores de un solo uso. Los coheteros experimentados y aficionados también suelen trabajar con APCP, procesándolos ellos mismos.
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 suele estar compuesto de perclorato de amonio (AP), un aglutinante elastómero como polibutadieno terminado en hidroxilo (HTPB) o prepolímero de acrilonitrilo de ácido acrílico polibutadieno (PBAN), metal en polvo (normalmente aluminio ) y varios catalizadores de velocidad de combustión . Además, los aditivos de curado inducen la reticulación del aglutinante elastómero para solidificar el propulsor antes de su uso. El perclorato sirve como oxidante , mientras que el aglutinante y el aluminio sirven 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 aplicaciones de alta aceleración como los cohetes recreativos o militares. Esto incluye las misiones del transbordador espacial , en las que se utilizó APCP para los dos SRB.
La composición de APCP puede variar significativamente dependiendo de la aplicación, las características de combustión previstas y limitaciones 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 aproximadamente 70/15/15 AP/HTPB/Al, aunque un rendimiento bastante alto "bajo humo" puede tener composiciones de aproximadamente 80/18/2 AP/HTPB/Al. Si bien el combustible metálico no es necesario en APCP, la mayoría de las formulaciones incluyen al menos un pequeño porcentaje como estabilizador de la combustión, opacificador del propulsor (para limitar el precalentamiento infrarrojo excesivo del propulsor) y aumentan la temperatura de los gases de combustión (aumentando I sp ).
Oxidantes:
Combustibles de alta energía:
Combustibles de baja energía que actúan como aglutinantes:
Aunque aumentar la proporción de combustible metálico 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 (Al 2 O 3 ) que precipita de la solución gaseosa crea glóbulos de sólidos o Líquidos que disminuyen 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 calorífica efectiva del gas. Debido a estos fenómenos, existe una composición no estequiométrica óptima para maximizar el 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 motores APCP pequeños con 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, induciendo turbulencia (y por lo tanto una longitud de trayectoria característica y tiempo de residencia largos) y/o reduciendo el contenido de aluminio para asegurar un ambiente de combustión con un mayor potencial de oxidación neto, asegurando un aluminio más completo. combustión. La combustión de aluminio dentro del motor es la vía limitante de la velocidad, ya que las gotas de aluminio líquido (incluso aún líquidas a temperaturas de 3000 K) 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 la residencia de la combustión. tiempo y 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 más pequeñas de AP y Al conducen a una mayor eficiencia de combustión, pero también a una mayor tasa de combustión lineal. La velocidad de combustión depende en gran medida del tamaño medio de las partículas del AP, ya que el AP absorbe calor para descomponerse en gas antes de que pueda oxidar los componentes del combustible. Este proceso puede ser un paso limitante en la tasa de combustión general de APCP. El fenómeno se puede explicar considerando la relación flujo de calor-masa: a medida que aumenta el radio de la partícula, el volumen (y, por lo tanto, la masa y la capacidad calorífica) aumenta como el cubo del radio. Sin embargo, el área de la superficie aumenta con el cuadrado del radio, que es aproximadamente proporcional al flujo de calor hacia la partícula. Por lo tanto, la velocidad 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 AP y Al, el Al a menudo tomará una posición intersticial en una pseudored de partículas 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 la superficie del propulsor se quema, la forma evoluciona (un tema de estudio en balística interna), cambiando con mayor frecuencia el área de la 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 función del área de superficie instantánea (m 2 ), la densidad del propulsor (kg/m 3 ) y la velocidad de combustión lineal (m/s):
A menudo se utilizan varias configuraciones geométricas según la aplicación y la curva de empuje deseada :
Si bien el área de la superficie se puede adaptar fácilmente mediante un cuidadoso diseño geométrico 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 quemador de hebra . Esta prueba permite al fabricante de APCP caracterizar la tasa de combustión en función de la presión. Empíricamente, APCP se adhiere bastante bien al siguiente modelo de función de potencia:
Vale la pena señalar que normalmente para APCP, n es 0,3–0,5, lo que indica que APCP es subcríticamente sensible a la presión. Es decir, si el área de superficie se mantuviera constante durante una combustión, la reacción de combustión no llegaría (teóricamente) al infinito ya que la presión alcanzaría un equilibrio interno. Esto no quiere decir que APCP no pueda causar una explosión , solo que no detonará. Por lo tanto, cualquier explosión sería causada por una presión que supera la presión de estallido del contenedor (motor de 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 RMS, los " granos " APCP (cilindros de propulsor) se cargan en la carcasa del motor reutilizable junto con una secuencia de discos aislantes y juntas tóricas y una boquilla ( resina fenólica rellena de grafito o vidrio ). La carcasa del motor y los cierres normalmente se compran por separado del fabricante del motor y, a menudo, están mecanizados con precisión en aluminio. El RMS ensamblado contiene componentes reutilizables (normalmente metálicos) y desechables.
Los principales proveedores de APCP para uso aficionado son:
Para lograr diferentes efectos visuales y características de vuelo, los proveedores aficionados de APCP ofrecen una variedad de diferentes tipos de propulsores característicos. Estos pueden variar desde combustión rápida con poco humo y llama azul hasta el clásico humo blanco y llama blanca. Además, hay disponibles formulaciones de colores para mostrar rojos, verdes, azules e incluso humo negro.
En las aplicaciones de cohetes de potencia media y alta, la APCP ha sustituido en gran medida a la pólvora negra como propulsor de cohetes. Las pastillas de pólvora negra compactadas se vuelven propensas a fracturarse en aplicaciones más grandes, lo que puede provocar fallas catastróficas en los vehículos cohete. Las propiedades elásticas del material de APCP lo hacen menos vulnerable a fracturas por golpes accidentales o vuelos de alta aceleración. Debido a estos atributos, la adopción generalizada de APCP y tipos de propulsores relacionados en el hobby ha mejorado significativamente la seguridad de los cohetes.
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 medioambiental del cloruro de hidrógeno no está bien documentado. El componente de ácido clorhídrico del escape APCP provoca la condensación de humedad atmosférica en la columna y esto realza 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 (p. ej., dinitramida de amonio ) y, dependiendo de su fuente de oxidante, pueden quemarse a mayor temperatura que los propulsores compuestos APCP.
En los Estados Unidos, la APCP para uso recreativo está regulada 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 exigen que los fabricantes de motores certifiquen sus motores para su distribución a proveedores y, en última instancia, a aficionados. El proveedor tiene la responsabilidad (por parte de la NAR y la TRA) de verificar que los aficionados obtengan la certificación de 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) está regulada por la NAR y la TRA.
La legalidad general relativa a la implementación de APCP en motores de cohetes se describe en NFPA 1125. El uso de APCP fuera del hobby 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 uso del APCP ya no requiere licencia o permiso de la ATF . [1]
