Cohete modelo

Un cohete modelo es un pequeño cohete diseñado para alcanzar bajas altitudes (por ejemplo, entre 100 y 500 m (330 y 1640 pies) para un modelo de 30 g (1,1 oz) ) y ser recuperado mediante diversos medios (paracaídas, cinta, etc.).    

Según el Código de Seguridad de la Asociación Nacional de Cohetería de los Estados Unidos (NAR) , ^{[ 1 ]} los cohetes modelo se construyen con piezas ligeras y no metálicas. Los materiales suelen ser papel , cartón , madera de balsa o plástico . El código también proporciona directrices para el uso del motor, la selección del sitio de lanzamiento, los métodos de lanzamiento, la ubicación del lanzador, el diseño y despliegue del sistema de recuperación y más. Desde principios de la década de 1960, se ha proporcionado una copia del Código de Seguridad para Cohetes Modelo con la mayoría de los kits y motores de cohetes modelo. A pesar de su asociación inherente con sustancias extremadamente inflamables y objetos con punta afilada que viajan a altas velocidades, la cohetería modelo históricamente ha demostrado ^{[ 2 ] [ 3 ]} ser un pasatiempo muy seguro y se le ha atribuido una importante fuente de inspiración para niños que eventualmente se han convertido en científicos e ingenieros . ^{[ 4 ]}

El primer cohete modelo moderno y su motor fueron diseñados en 1954 por Orville Carlisle , un experto en pirotecnia con licencia, y su hermano Robert, un entusiasta de los aeromodelos . Originalmente diseñaron el motor y el cohete para que Robert los usara en conferencias sobre los principios del vuelo propulsado por cohetes. Pero luego Orville leyó artículos escritos en Popular Mechanics por G. Harry Stine sobre los problemas de seguridad asociados con los jóvenes que intentaban construir sus propios motores de cohete. Con el lanzamiento del Sputnik , muchos jóvenes intentaban construir sus propios motores de cohete, a menudo con resultados trágicos. Algunos de estos intentos fueron dramatizados en la película de 1999 basada en hechos reales, October Sky . ^{[ 5 ]} Los Carlisle se dieron cuenta de que su diseño de motor podía comercializarse y proporcionar una salida segura para un nuevo pasatiempo. Enviaron muestras al Sr. Stine en enero de 1957. Stine, un oficial de seguridad de campo de tiro en White Sands Missile Range , construyó y voló los modelos, y luego ideó un manual de seguridad para la actividad basado en su experiencia en el campo de tiro.

La primera empresa estadounidense de cohetes modelo fue Model Missiles Incorporated (MMI), en Denver, Colorado , fundada por Stine y otros. Stine encargó la fabricación de motores para cohetes modelo a una empresa local de fuegos artificiales recomendada por Carlisle, pero los problemas de fiabilidad y entrega obligaron a Stine a buscar otros proveedores. Finalmente, Stine contactó con Vernon Estes , hijo de un fabricante local de fuegos artificiales . Estes fundó Estes Industries en 1958 en Denver, Colorado, y desarrolló una máquina automatizada de alta velocidad para la fabricación de motores de cohetes modelo de combustible sólido para MMI. La máquina, apodada "Mabel", fabricaba motores de bajo coste con gran fiabilidad, y en cantidades mucho mayores de las que Stine necesitaba. El negocio de Stine fracasó, lo que permitió a Estes comercializar los motores por separado. Posteriormente, en 1960, comenzó a comercializar kits de cohetes modelo y, con el tiempo, Estes dominó el mercado. En 1961, Estes trasladó su empresa a Penrose, Colorado. Estes Industries fue adquirida por Damon Industries en 1970 y continúa operando en Penrose en la actualidad. ^{[ 6 ]}

Competidores como Centuri y Cox aparecieron y desaparecieron en Estados Unidos durante las décadas de 1960, 1970 y 1980, pero Estes continuó controlando el mercado estadounidense, ofreciendo descuentos a escuelas y clubes como los Boy Scouts de América para ayudar a que creciera la afición. ^{[ 7 ]} En los últimos años, empresas como Quest Aerospace ^{[ 8 ]} han tomado una pequeña porción del mercado, pero Estes continúa siendo la principal fuente de cohetes, motores y equipos de lanzamiento para la afición a la cohetería de baja a media potencia en la actualidad. Estes produce y vende motores de cohetes de pólvora negra .

Desde la llegada de la cohetería de alta potencia , que comenzó a mediados de la década de 1980 con la disponibilidad de motores de clase G a J (cada designación de letra tiene hasta el doble de energía que la anterior), varias empresas han compartido el mercado de cohetes más grandes y potentes. A principios de la década de 1990, Aerotech Consumer Aerospace, LOC/Precision y Public Missiles Limited ^{[ 9 ]} (PML) habían asumido posiciones de liderazgo, mientras que una multitud de fabricantes de motores proporcionaban motores cada vez más grandes y a costos mucho más altos. Empresas como Aerotech, Vulcan y Kosdon eran muy populares en los lanzamientos durante este tiempo, ya que los cohetes de alta potencia superaban rutinariamente Mach 1 y alcanzaban alturas de más de 3000 m (9800 pies) . En un lapso de aproximadamente cinco años, los motores de producción más grandes disponibles regularmente alcanzaron la clase N, que tenía la potencia equivalente a más de 1000 motores D combinados, y podía levantar cohetes que pesaban 50 kg (110 lb) con facilidad. Los fabricantes de motores personalizados siguen operando en la periferia del mercado actual, creando a menudo propelentes que producen llamas de colores (siendo comunes el rojo, el azul y el verde), humo negro y combinaciones que generan chispas, además de construir ocasionalmente motores enormes de clase P, Q e incluso R para proyectos especiales, como intentos de alcanzar altitudes extremas superiores a los 17.000 m (56.000 pies) .      

La fiabilidad de los motores de alta potencia fue un problema importante a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, con fallos catastróficos que ocurrían con relativa frecuencia (aprox. 1 de cada 20) en motores de clase L o superior. Con costes superiores a 300 dólares por motor, la necesidad de encontrar una alternativa más barata y fiable era evidente. Aerotech introdujo los diseños de motores recargables (manguitos metálicos con tapas roscadas y rellenos de propelente fundido), que se popularizaron rápidamente. Estos contenedores metálicos solo necesitaban limpiarse y rellenarse con propelente y algunos componentes desechables después de cada lanzamiento. El coste de una "recarga" era normalmente la mitad del de un motor comparable de un solo uso. Si bien las catástrofes en el despegue (CATO) todavía ocurren ocasionalmente con los motores recargables (principalmente debido a técnicas de montaje deficientes por parte del usuario), la fiabilidad de los lanzamientos ha aumentado significativamente. ^{[ 10 ]}

Es posible modificar el perfil de empuje de los motores de propulsión sólida mediante la selección de diferentes diseños de propulsor. Dado que el empuje es proporcional a la superficie de combustión, los propulsores pueden diseñarse para generar un empuje muy elevado durante uno o dos segundos, o un empuje menor que se mantenga durante un tiempo prolongado. En función del peso del cohete y del límite de velocidad máxima de la estructura y las aletas, se pueden utilizar motores adecuados para maximizar el rendimiento y las probabilidades de una recuperación exitosa.

Aerotech, Cesaroni, Rouse-Tech, Loki y otros han estandarizado un conjunto de tamaños de recarga comunes, de modo que los clientes tienen una gran flexibilidad en sus selecciones de hardware y recarga, mientras que sigue existiendo un grupo entusiasta de constructores de motores personalizados que crean diseños únicos y ocasionalmente los ofrecen a la venta. ^{[ 11 ]}

El modelismo de cohetes es un pasatiempo seguro y muy popular. Personas como G. Harry Stine y Vernon Estes contribuyeron a ello mediante el desarrollo y la publicación de los Códigos de Seguridad para Modelos de Cohetes de la NAR ^{[ 1 ] [ 12 ] [ 13 ]} y la producción comercial de motores para modelos de cohetes seguros, diseñados y fabricados profesionalmente. El código de seguridad es una lista de directrices y su uso es obligatorio únicamente para los miembros de la Asociación Nacional de Cohetería (NAR).

Una de las principales motivaciones para el desarrollo de esta afición en las décadas de 1950 y 1960 fue permitir que los jóvenes construyeran modelos de cohetes voladores sin tener que construir las peligrosas unidades de motor ni manipular directamente los propelentes explosivos .

La NAR y la TRA demandaron con éxito a la Oficina de Alcohol, Tabaco, Armas de Fuego y Explosivos de EE. UU . (BATFE) por la clasificación del propelente compuesto de perclorato de amonio (APCP), el propelente más utilizado en motores de cohetes de alta potencia, como explosivo. La decisión del 13 de marzo de 2009 del juez del Tribunal de Distrito de DC, Reggie Walton, eliminó el APCP de la lista de explosivos regulados, eliminando de facto la regulación de la BATFE sobre la cohetería amateur. ^{[ 14 ]}

La mayoría de los motores para cohetes modelo pequeños son desechables, con cuerpos de cartón y boquillas ligeras de arcilla moldeada, y su clase de impulso varía de la fracción A a la G. Los cohetes modelo suelen usar motores de pólvora negra de fabricación comercial . Estos motores son probados y certificados por la Asociación Nacional de Cohetería (NA) , la Asociación de Cohetería de Trípoli (TRA) o la Asociación Canadiense de Cohetería (CAR). Los motores de pólvora negra tienen rangos de impulso de 1/8A a F.

Los motores de cohetes modelo de pólvora negra más grandes suelen ser de clase F, ya que la pólvora negra es muy frágil. Si un motor grande de pólvora negra es el motor de la etapa superior de un cohete que excede el peso máximo recomendado para el despegue, o si se cae o se expone a muchos ciclos de calentamiento/enfriamiento (por ejemplo, en un vehículo cerrado expuesto a altas temperaturas o en un área de almacenamiento con control de temperatura inconsistente), la carga propulsora puede desarrollar microfracturas. Estas microfracturas aumentan la superficie del propulsor, de modo que cuando el motor se enciende, el propulsor arde mucho más rápido y produce una presión interna en la cámara mayor de lo normal. Esta presión puede exceder la resistencia de la carcasa de papel y provocar la explosión del motor. La explosión de un motor puede causar daños al cohete modelo que van desde la simple rotura del tubo del motor o del cuerpo hasta la eyección violenta (y ocasionalmente la ignición) del sistema de recuperación.

Por lo tanto, los motores de cohete con potencias superiores a D o F suelen utilizar propelentes compuestos de perclorato de amonio , polvo de aluminio y un aglutinante elástico , contenidos en una carcasa de plástico rígido. Este tipo de propelente es similar al utilizado en los cohetes propulsores sólidos del Transbordador Espacial y, al ser menos frágil que la pólvora negra, aumenta la fiabilidad del motor y su resistencia a las fracturas. Estos motores tienen una potencia de impulso que varía de la A a la O. Los motores compuestos generan mayor impulso por unidad de peso ( impulso específico ) que los motores de pólvora negra.

También se encuentran disponibles motores recargables de propulsor compuesto. Estos motores, fabricados comercialmente, requieren que el usuario ensamble los granos de propulsor, las juntas tóricas y las arandelas (para contener los gases en expansión), los granos retardadores y las cargas de eyección en carcasas especiales de aluminio irrompibles con extremos (cierres) roscados o de encaje a presión. La ventaja de un motor recargable radica en su costo: en primer lugar, dado que la carcasa principal es reutilizable, las recargas cuestan significativamente menos que los motores desechables del mismo impulso. En segundo lugar, el ensamblaje de motores compuestos de mayor tamaño requiere mucha mano de obra y es difícil de automatizar; delegar esta tarea al consumidor supone un ahorro de costos. Los motores recargables están disponibles desde la clase D hasta la O.

Los motores se encienden eléctricamente con una cerilla eléctrica que consiste en un trozo corto de alambre puente de nicromo , cobre o aluminio recubierto de pirógeno , introducido en la boquilla y sujeto con guata ignífuga, una goma elástica, un tapón de plástico o cinta adhesiva. Sobre el propulsor se encuentra una carga retardadora de seguimiento , que produce humo pero prácticamente ningún empuje , ya que el cohete disminuye su velocidad y describe un arco eléctrico. Cuando la carga retardadora se ha consumido, enciende una carga de eyección , que se utiliza para desplegar el sistema de recuperación.

Los motores de los cohetes modelo generalmente no ofrecen ningún tipo de vectorización de empuje , sino que se basan únicamente en aletas en la base para mantener la estabilidad aerodinámica del vehículo. Sin embargo, algunos cohetes sí cuentan con control de vectorización de empuje (TVC) mediante el cardán del propio motor en lugar de la tobera. Esto se realiza en algunos cohetes construidos por muchos constructores de cohetes modelo, como Joe Barnard de BPS.space. ^{[ 15 ]}

El impulso (área bajo la curva de empuje-tiempo) de un motor de modelo se utiliza para determinar su clase. Los motores se dividen en clases desde 1/4A hasta O y más allá. Los motores de cohetes de pólvora negra generalmente solo se fabrican hasta la Clase F. El límite superior de cada clase es el doble del límite superior de la clase anterior. Los cohetes modelo solo usan motores que son de clase G o inferior. ^{[ 16 ]} Los cohetes que usan motores con un impulso mayor se consideran cohetes de alta potencia .

En los siguientes ejemplos de rendimiento de motores de cohete se utilizan cifras de pruebas de motores de cohete Estes. ^{[ 17 ]}

Para los motores de cohete miniatura de pólvora negra (13 mm de diámetro), el empuje  máximo está entre 5 y 12 N, el impulso total entre 0,5 y 2,2 Ns, y el tiempo de combustión entre 0,25 y 1 segundo. Para los motores de cohete Estes de tamaño estándar (18 mm de diámetro), existen tres clases: A, B y C. Los motores de clase A de 18 mm tienen un empuje máximo entre 9,5 y 9,75 N, un impulso total entre 2,1 y 2,3 Ns, y un tiempo de combustión entre 0,5 y 0,75 segundos. Los motores de 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 Ns, y un tiempo de combustión entre 0,85 y 1 segundo. Los motores de clase C de 18 mm tienen un empuje máximo de entre 14 y 14,15 N, un impulso total de entre 8,8 y 9 Ns y un tiempo de combustión de entre 1,85 y 2 segundos.   

También hay 3 clases incluidas en  los motores de cohete grandes (24 mm de diámetro) de Estes: C, D y E. Los  motores de clase C de 24 mm tienen un empuje máximo entre 21,6 y 21,75 N, un impulso total entre 8,8 y 9 Ns, y un tiempo de combustión entre 0,8 y 0,85 segundos. Los  motores de 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 Ns, y un tiempo de combustión entre 1,6 y 1,7 segundos. Los  motores de 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 Ns, y un tiempo de combustión entre 3 y 3,1 segundos. Estes también ha lanzado una línea de motores de pólvora negra E y F de 29 mm. El proyectil E de 29 mm produce un impulso total de 33,4 Newton-segundos durante una combustión de 2,1 segundos, y el proyectil F produce 49,6 Newton-segundos durante una combustión de 3,45 segundos.

Varias fuentes independientes han publicado mediciones que muestran que los motores de cohetes modelo Estes a menudo no cumplen con sus especificaciones de empuje publicadas. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

Los motores para cohetes modelo fabricados por empresas como Estes Industries , Centuri Engineering y Quest Aerospace llevan impreso un código (como A10-3T o B6-4) que indica varias características del motor.

Los motores Quest Micro Maxx son los más pequeños, con un diámetro de 6 mm. La empresa Apogee Components fabricaba micromotores de 10,5 mm, pero se dejaron de fabricar en 2001. Estes fabrica motores de tamaño "T" (Tiny) de 13  mm de diámetro y 45  mm de longitud, desde la clase 1/4A hasta la clase A, mientras que los motores estándar A, B y C tienen 18  mm de diámetro y 70  mm de longitud. También están disponibles motores de pólvora negra de clase C, D y E; tienen 24  mm de diámetro y 70 mm (motores C y D) o 95  mm de longitud (motores E). Estes también produce una línea de motores de pólvora negra de clase E y F de 29 mm de diámetro y 114 mm de longitud. Los motores de propulsor compuesto más grandes, como los motores desechables F y G, también tienen 29 mm de diámetro. Los motores de alta potencia (generalmente recargables) están disponibles en diámetros de 29 mm, 38 mm, 54 mm, 75 mm y 98 mm.

Motores recargables

Los motores de cohete recargables se especifican de la misma manera que los motores de cohete modelo de un solo uso, como se describió anteriormente. Sin embargo, cuentan con una designación adicional que especifica tanto el diámetro como el impulso total máximo de la carcasa del motor en forma de diámetro/impulso. A continuación, se incluye una serie de letras que indican el tipo de propulsor. No obstante, no todas las empresas que fabrican motores recargables utilizan las mismas designaciones.

Una recarga Aerotech diseñada para una vaina de 29 milímetros de diámetro con un impulso total máximo de 60 newton-segundos lleva la designación 29/60 además de su especificación de impulso.

Sin embargo, los motores de Cesaroni Technology Incorporated (CTI) utilizan una designación diferente. Primero aparece "Pro", seguido de un número que representa el diámetro del motor en milímetros; por ejemplo, un motor Pro38 tiene un diámetro de 38 mm. ^{[ 22 ]} A continuación, se incluye una nueva cadena de caracteres donde primero se indica el impulso en newton-segundos , seguido de la clasificación del motor, el empuje promedio en newtons , seguido de un guion y el tiempo de retardo en segundos. Por ejemplo, un Pro29 110G250-14 es un motor G con un impulso de 110 Ns, un empuje de 250 N y un retardo de 14 segundos. ^{[ 23 ]}

Los cohetes modelo y de alta potencia están diseñados para ser recuperados de forma segura y reutilizados. Los métodos de recuperación más comunes son el paracaídas y la cinta. El paracaídas suele desplegarse mediante la carga de eyección del motor, que se desprende de la ojiva. El paracaídas está sujeto a la ojiva, lo que permite que esta lo expulse y realice un aterrizaje suave.

Paracaídas/Bandera

El sistema de paracaídas/cinta se utiliza con mayor frecuencia en cohetes modelo pequeños, pero también puede emplearse en cohetes de mayor tamaño. Este sistema aprovecha la fuerza de eyección del motor para desplegar el paracaídas o la cinta. El paracaídas se sujeta al cuerpo del cohete directamente mediante un cordón de apertura o indirectamente, al cono de la nariz, que a su vez se sujeta al cuerpo mediante un cordón de apertura. Normalmente, se inserta una bola o masa de papel o material ignífugo, a veces denominado guata de recuperación, en el cuerpo del cohete antes del paracaídas o la cinta. Esto permite que la carga de eyección impulse la guata, el paracaídas y el cono de la nariz sin dañar el equipo de recuperación. La resistencia del aire frena la caída del cohete, lo que resulta en un aterrizaje suave, controlado y sin sobresaltos.

Al igual que los cohetes modelo de baja potencia, los cohetes de alta potencia también se construyen con materiales ligeros. A diferencia de los cohetes modelo, los cohetes de alta potencia suelen requerir materiales más resistentes, como la fibra de vidrio, para soportar las mayores tensiones durante los vuelos, que a menudo superan la velocidad de Mach 1 (340  m/s) y los 3000 m (9800 pies) de altitud. Debido al riesgo potencial para otras aeronaves, suele ser necesaria la coordinación con las autoridades competentes. Por ejemplo, en Estados Unidos, se requiere un Certificado de Autorización o Exención (COA) de la FAA para lanzar cohetes de alta potencia.  

Los cohetes de alta potencia se impulsan con motores de mayor tamaño, que van desde la clase H hasta la clase O, y/o pesan más de 1500  gramos (3,3 libras ) al despegar. Sus motores son casi siempre recargables, en lugar de desechables, para reducir costes. La recuperación y/o el encendido multietapa pueden iniciarse mediante pequeñas computadoras a bordo, que utilizan un altímetro o un acelerómetro para detectar cuándo encender los motores o desplegar los paracaídas.

Los cohetes modelo de alta potencia pueden transportar grandes cargas útiles, incluyendo cámaras e instrumentación como unidades GPS .

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