Cohetería experimental

Cohetería experimental

Introducción

Los trabajos sobre el diseño del motor de cohetes sólidos Epoch de la "clase I" comenzaron en agosto de 2002, después de una serie de pruebas estáticas de desarrollo con su precursor, el motor RNXS . Esto marcó el desarrollo exitoso del propulsor compuesto basado en epoxi RNX . La épocarepresenta el primer motor diseñado específicamente para su uso con el propulsor RNX. Se fabricaron dos prototipos de motores, siendo uno esencialmente el mismo que el motor aquí descrito, equipado con una boquilla supersónica deLaval. La segunda tenía una boquilla truncada que carecía de una porción divergente. El motor con esta boquilla truncada "sónica" se usó para pruebas estáticas tempranas que implicaban el ajuste fino de las formulaciones RNX. Dado que sólo se midió la presión de la cámara en estas pruebas, se consideró que no había necesidad de una boquilla supersónica. El motor con boquilla supersónica fue diseñado para la caracterización del propulsor y para las mediciones del rendimiento motor y, posteriormente, para los vuelos con cohetes.

Hasta la fecha, se han producido 28 descargas de motores de la época , consistentes en 19 disparos estáticos y 9 pruebas de vuelo ( cohetes Boreas y Zephyr ). Se incluyeron en esas pruebas estáticas los disparos de nuevas variaciones experimentales del propelente RNX, que condujeron al desarrollo eventual de las tres formulaciones RNX "estándar": RNX-57, RNX-71V y RNX-73. La principal diferencia entre estas tres versiones es la marca de epoxi utilizada.

Gracias a la temperatura de combustión relativamente baja del propulsor RNX, el motor Epoch es totalmente reutilizable, necesita limpiarse entre los disparos y se sustituyen los anillos tóricos, el anillo de la corona y el revestimiento térmico. La limpieza se hace con detergente y agua caliente. Un residuo de óxido de hierro crujiente que típicamente se forma en las superficies de flujo de la boquilla se elimina usando una herramienta de raspado y ácido muriático diluido.

El nombre " Epoch " fue elegido para simbolizar el advenimiento de un motor de nuevo milenio con el primer uso de un propulsor sólido nuevo AER prometedor.

Figura 2 - Izquierda: Motor de época siendo disparado estático. Derecha : Lanzamiento del cohete Boreas con motor Epoch

Descripción Básica

El motor de cohete Epoch tiene dimensiones básicas de 46 mm de diámetro interno con una longitud total de 286 mm. El motor es de acero de construcción con una boquilla estándar de perfil cónico supersónico, con una relación de expansión de 10,2. El grano propulsor es independiente, cilíndrico hueco, con la combustión en ambas superficies diametral. inhibido sólo en los extremos del grano. Esta geometría particular del grano se eligió para la sencillez de la preparación del grano, alta confiabilidad y la necesidad de un alto Knvalor, característico de los propulsores RNX. Una desventaja de esta configuración de grano es que la carcasa está expuesta a un calentamiento convectivo extremo, requiriendo el uso de acero como material de carcasa. Puesto que se inhiben ambos extremos del grano, el área superficial permanece constante a lo largo de la combustión, proporcionando así un perfil Kn completamente neutro . La masa nominal del propulsor para el motor Epoch es de 400 gramos (0.88 libras). La masa vacía del motor Epoch , incluyendo el revestimiento térmico y el anillo de la corona, es de 470 gramos (1,04 libras).

En la figura 2 se muestra una vista en sección transversal del conjunto del motor de época .

Figura 3 - Vista en sección transversal del conjunto de motor de época

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Boquilla

La boquilla es un tipo supersónico deLaval de perfil cónico, mecanizado en acero de bajo contenido en carbono (AISI 1018), con 30 ^° convergentes y 12 ^° divergentes. La relación de expansión es 10,2, y la presión de funcionamiento típica está entre 6,2 MPa y 6,9 MPa (800 psi y 1000 psi), siendo MEOP 1000 psi (6,9 MPa). La boquilla se fija con ocho tornillos de acero de aleación de cabeza de 6/6 "x 4" y de tornillos de acero de aleación se utilizan debido a su alta resistencia al corte de 95 kip / in ² (655 MPa). sellado de presión, un solo -129La junta tórica se utiliza junto con la grasa de silicona. Los anillos tóricos estándar buna-N (nitrilo) se han utilizado exclusivamente en los ensayos realizados hasta ahora. Se ha descubierto que la junta tórica de la tobera se puede reutilizar con seguridad varias veces, siempre que la junta tórica esté bien revestida con grasa protectora.

Para un rendimiento óptimo, es importante que la entrada de la garganta sea redondeada (redondeada) para acelerar los productos de combustión de forma más gradual. Esto reduce la pérdida de rendimiento asociada con el desfase de velocidad de flujo de dos fases (consulte la sección Teoría SRM para obtener detalles completos).

La boquilla Epoch se ilustra en la Figura 4.

Mamparo

El mamparo se mecaniza de acero de bajo carbono (AISI 1018). El mamparo se fija con ocho tornillos para máquinas de acero de aleación de cabeza de 6/6 "x 1/4" para el sellado, el tabique se provee para un solo -129 O-ring, usado conjuntamente con la grasa de silicona. nitrilo) se ha encontrado que son adecuados Se ha descubierto que la junta tórica del mamparo puede reutilizarse en numerosas ocasiones siempre que el anillo tórico esté bien revestido con grasa protectora.

El mamparo como se muestra tiene provisión para la conexión de un grifo de presión o alternativamente para la instalación de un Dispositivo de Eyección de Retardo (DED) para un sistema de recuperación de paracaídas. Cuando no se utiliza, el orificio se cierra con un tapón de latón de 1/8 NPT o de aluminio.

En la Figura 5 se ilustra el mamparo de la Época .

Figura 5 - Gráfico de ingeniería del mamparo de la época

Caja

La carcasa del motor está hecha de tubería de acero de pared delgada (calibre 20) soldada por soldadura. El material de la tubería se adquiere como tubería de "vigas principales" de grado residencial (para cercas de eslabones de cadena). Como se obtiene, el tubo es galvanizado (revestido con zinc). Este recubrimiento puede ser opcionalmente eliminadopor inmersión de la tubería en un baño de ácido muriático.

El espesor de pared de la tubería, excluyendo el recubrimiento de zinc, es de 1,038 mm (1,038 mm), lo que hace que sea una carcasa excepcionalmente ligera. Para un MEOP de 1100 psi, el factor de seguridad de diseño es 1,8, basado en una presión de ruptura de tubo de 1800 psi. Sin embargo, la temperatura de funcionamiento elevada de la carcasa disminuye ligeramente la resistencia, reduciendo el factor de seguridad a alrededor de 1,5.Esta tubería ha sido sometida a prueba hidrostática a temperatura ambiente a 1600 psi sin fallo.La presión de ruptura medida es de aproximadamente 2000 psi, "falla que se produce en la costura soldada.

El motor está diseñado para fallar de una manera radial controlada por la división de la carcasa en la costura , en caso de sobrepresión. El material de acero utilizado para la carcasa es altamente dúctil y, como tal, no se fragmenta y permanece de forma segura como una sola pieza. Hasta la fecha, tres motores equipados con formulaciones propulsoras experimentales han sobrepresurizado, con las envolturas rompiendode esta manera, fundamentando el diseño. Es muy ventajoso tener un motor que falla de esta manera. Por un lado, es menos peligroso, ya que los componentes del motor permanecen juntos, sin que las partes salgan volando a alta velocidad. Otra razón importante es evitar daños a la célula de carga (en caso de pruebas estáticas), o vehículo de cohete (en caso de vuelo). Un modo de fallo axial provoca necesariamente un daño importante. Mi célula de carga ha sobrevivido a fallas radiales esencialmente ilesas.

Dado que el tubo está soldado por costura, se ha encontrado necesario modificar la parte de la carcasa que asienta los anillos en O tanto para la boquilla como para el mamparo. Esto se hace usando una herramienta de archivo o dremel para moler cuidadosamente cualquier parte elevada de la costura soldada. En algunos casos, existe una pequeña grieta o ranura en la costura. Esto se debe hacer liso y rasante por el relleno con epoxy (la soldadura de JB trabaja mejor) entonces el lijar rasante con el papel de lija fino. Es esencial limpiar bien el área antes de aplicar epoxi, usando acetona o diluyente de laca.

Retirada del revestimiento de zinc : El revestimiento galvanizado en el tubo se puede eliminar remojando el tubo en un baño de ácido muriático diluido. Este ácido está disponible en 20 baume (31,45%) de fuerza en las ferreterías, típicamente utilizadas para el grabado de hormigón y el ajuste del nivel de pH de las piscinas. El ácido debe diluirse con agua a una proporción de 2: 1. El recipiente del baño debe ser de plástico, como el polietileno. Utilice un cepillo de pintura antiguo para quitar la capa de zinc a medida que se afloja. Después de que todo el cinc se ha quitado, enjuague el motor inmediatamente con mucha agua caliente. Enjuague con agua caliente, luego seque completamente con un paño. Rocíe sobre una capa protectora de aceite WD-40 o similar .

Precaución- El ácido muriático es muy corrosivo y debe ser manipulado con mucho cuidado. El uso de guantes de goma, así como protección de ojos y cara son esenciales. Al diluir, agregue siempre el ácidoal agua , nunca el revés. Se produce una cantidad significativa de calor cuando el ácido reacciona con el zinc. Se produce gas hidrógeno inflamable. Como tal, este proceso de separación sólo debe realizarse al aire libre. No respirar los vapores (usar una máscara con filtro de vapor orgánico).

Forro térmico

Se requiere un revestimiento térmico para el motor Epoch con el fin de proteger la carcasa de pared delgada contra el calentamiento que se produciría debido al grano sin quemar. Aunque la carcasa de acero suave es muy adecuada para resistir las altas temperaturas de combustión, cierta pérdida de fuerzasi la carcasa no estuviera protegida de una manera adecuada. El revestimiento térmico se fabrica a partir de una sola capa de cartulina (papel de carpeta de archivo), normalmente de 0,010 "(0,025 mm) de espesor enrollado para ajustarse dentro de la carcasa del motor.El tamaño de la hoja de tablero es típicamente 7,4" de largo x 6 "de ancho (18,8 cm x 15,4 cm), lo que permite una junta superpuesta de 0,4 "(1 cm), que puede ser pegada con cualquier adhesivo de papel. El interior del tubo de revestimiento se empapa con epoxi, para proporcionar protección ablativa térmica y se deja a un lado para curar antes de la instalación en el motor.