Ensamble y prueba de una motor cohete de combustible líquido, el SUA-I

(1)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 1

ENSAMBLE Y PRUEBA DE UNA MOTOR COHETE

1

DE COMBUSTIBLE LÍQUIDO, EL SUA-I

2

3 4 5 6 7 8 9

AUTOR:

10

Juan Sebastián Pinzón Pérez

11

200722748

13

14 15 16 17 18 19 20

ASESOR:

21

Fabio A. Rojas M., Dr.Eng.Mec.

22

[email protected]

23

24 25 26 27 28

Proyecto de grado para optar el título de ingeniero mecánico 29

30 31 32 33 34 35 36

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

37

FACULTAD DE INGENIERÍA

38

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

39

BOGOTÁ D.C-COLOMBIA

40

JUNIO 2013

41

(2)

Tabla de contenidos

42 43

1. Lista de figuras ... 4 44

2. Lista de Tablas ... 6 45

3. Lista de Gráficas ... 7 46

4. Simbología y unidades ... 8 47

5. Introducción ... 9 48

6. Antecedentes ... 11 49

7. Objetivos ... 13 50

7.1. General ... 13 51

7.2. Específicos ... 13 52

8. Marco Teórico ... 14 53

8.1. Principios básicos del motor cohete ... 14 54

8.2. Tipos de motor cohete ... 15 55

8.2.1. Propulsión química ... 15 56

8.2.2. Propulsión no química ... 17 57

8.3. Funcionamiento del Motor SUA-I ... 17 58

8.4. Cohetería amateur en Colombia y comercial ... 19 59

9. Parámetros de diseño ... 21 60

9.1. Presión cámara de combustión y tobera ... 22 61

9.2. Temperatura cámara de combustión y tobera ... 24 62

9.3. Volúmenes y tasas de flujo ... 24 63

9.3.1. Inyectores ... 25 64

9.3.2. Reservorio de presión ... 27 65

9.4. Empuje ... 29 66

9.5. Esfuerzo y materiales ... 31 67

10. Mantenimiento motor cohete SUA-I... 33 68

10.1. Desensamble e inventario del motor SUA-I ... 33 69

10.2. Mantenimiento a los sistemas de inyección ... 44 70

10.3. Modificación y fabricación de piezas del motor SUA-I ... 49 71

10.3.1. Modificación de mamparo ... 49 72

10.3.2. Modificación y fabricación de tapas soporte ... 51 73

(3)

10.3.3. Fabricación huecos de acople camisa y puente ... 56 74

10.3.4. Fabricación de Camisa ... 57 75

10.4. Calibración válvula de alivio ... 60 76

11. Ensamble motor cohete SUA-I ... 61 77

12. Preparación para pruebas estáticas motor cohete SUA-I ... 65 78

12.1. Sistema de instrumentación, conexiones eléctricas y programa de adquisición

79

de datos [27] ... 65 80

12.1.1. Instrumentación ... 65 81

12.1.2. Bornera ... 66 82

12.1.3. Armario ... 69 83

12.1.4. Programa para la adquisición de datos... 73 84

12.2. Sistema de ignición [28] ... 76 85

12.2.1. Fabricación de ignitores ... 77 86

12.2.2. Ensamble de ignitores ... 80 87

12.2.3. Pruebas de ignitores ... 82 88

12.2.3.1. Prueba ignitor #1 ... 83 89

12.2.3.2. Prueba ignitor #2 ... 84 90

12.2.3.3. Prueba ignitor #3 ... 86 91

12.2.3.4. Prueba ignitor #4 ... 88 92

12.3. Sistema de presurización ... 89 93

12.3.1. Pruebas de estanqueidad ... 89 94

12.3.2. Pruebas con hielo seco ... 91 95

12.4. Sistema de Seguridad... 93 96

12.4.1. Protocolos de seguridad en ejecución de prueba ... 93 97

12.4.2. Protocolos de verificación de ensamble y movimiento de herramientas. .... 94 98

12.4.3. Sistema de seguridad de ignición ... 94 99

13. Prueba estática motor cohete SUA-I ... 99 100

13.1. Procedimiento ... 99 101

14. Costos finales ... 103 102

15. Conclusiones ... 104 103

16. Bibliografía ... 105 104

Anexo A ... 108 105

Anexo B ... 109 106

(4)

Anexo C ... 111 107

Anexo D ... 119 108

Anexo E ... 124 109

Anexo F ... 131 110

Anexo G ... 132 111

112

1. Lista de figuras

113

Figura 1. Elementos fundamentales que componen un motor cohete [23]... 14 114

Figura 2. Configuración de motor cohete de combustible sólido [25]. ... 16 115

Figura 3. Configuración de motor cohete de combustible líquido [25]. ... 16 116

Figura 4. Relación geométrica de la cámara de combustión y tobera. ... 22 117

Figura 5. Ficha técnica de las boquillas de inyección. ... 25 118

Figura 6. Herramientas de trabajo utilizadas para la eliminación de corrosión. ... 46 119

Figura 7. Mantenimiento realizado a la pieza base inyector gasolina. ... 46 120

Figura 8. Mantenimiento realizado a la pieza inyector de gasolina. ... 47 121

Figura 9. Mantenimiento realizado a la pieza conector macho-hembra. ... 47 122

Figura 10.Mantenimiento realizado a la pieza niples largos 1/8’’. ... 47 123

Figura 11. Mantenimiento realizado a la pieza base inyector peróxido de hidrogeno. . 48 124

Figura 12.Mantenimiento realizado a la pieza base inyector peróxido de hidrogeno. .. 48 125

Figura 13. Pieza mamparo sin modificación. ... 49 126

Figura 14. Pieza mamparo modificada con orificios para la termocupla y el transductor

127

de presión. ... 50 128

Figura 15. Mamparo sin orificios de instrumentación. ... 50 129

Figura 16. Mamparo con orificios de instrumentación. ... 50 130

Figura 17. Tanque de peróxido de hidrogeno con tapa soporte de madera. ... 51 131

Figura 18. Tapa soporte 1. ... 52 132

Figura 19. Tapa soporte 2. ... 52 133

Figura 20. Tapa soporte 1 manufacturada. ... 53 134

Figura 21. Tapa soporte 2 manufacturada. ... 53 135

Figura 22. Trabajo de soldadura de tapa en reservorio de presión. ... 54 136

Figura 23. Vista completa del reservorio de presión con la tapa soldada en parte

137

superior. ... 54 138

Figura 24. Trabajo de soldadura de tapa en tanque de peróxido de hidrogeno. ... 55 139

Figura 25. Vista completa del tanque de peróxido de hidrogeno con la tapa soldada. . 55 140

Figura 26. Motor Sua-I con puente de unión entre tanques. ... 56 141

Figura 27. Tapas de soporte con sus respectivos huecos roscados. ... 57 142

Figura 28. CAD de la camisa del motor para pruebas estáticas. ... 57 143

Figura 29. Orificios para el acople de la camisa al motor SUA-I, suministro de gasolina

144

y manejo de instrumentación. ... 58 145

(5)

Figura 30. Motor cohete SUA-I centrado a su respectiva camisa. ... 58 146

Figura 31. Acople de camisa al motor cohete SUA-I. ... 58 147

Figura 32. Arte seleccionado para camisa y fuselaje del motor cohete SUA-I ... 59 148

Figura 33. Trabajos finales y puesta a punto de la camisa motor cohete SUA-I. ... 60 149

Figura 34. Conexiones hidráulicas para el paso y control de CO2. ... 61 150

Figura 35. Conexiones hidráulicas para el paso y control de CO2 hacia la línea de

151

combustible. ... 62 152

Figura 36. Ensamble de niples y manifold de los tanques al mamparo. ... 62 153

Figura 37. Conexiones para el transductor de presión al mamparo. ... 63 154

Figura 38. Ensamble de inyectores de oxidante y gasolina. ... 63 155

Figura 39. Conexiones de accesorios en la parte superior del reservorio de presión. . 64 156

Figura 40. Ensamble final del motor SUA-I sin cámara de combustión. ... 64 157

Figura 41. Bornera antigua [27]. ... 66 158

Figura 42. Bornera modificada [27]. ... 67 159

Figura 43. Conexiones de la instrumentación a la bornera [27]. ... 68 160

Figura 44. Armario de banco de pruebas [27]. ... 69 161

Figura 45. Conexiones de las tarjetas de adquisición de datos dentro del armario [27].

162

... 70 163

Figura 46. Puente entre ambas terminales negativas de las fuentes [27]. ... 71 164

Figura 47. Multitoma que permite energizar el sistema de adquisición de datos dentro

165

del armario [27]. ... 72 166

Figura 48. Montaje con fuente para energizar la instrumentación [27]. ... 72 167

Figura 49. Computador para adquisición de datos perteneciente al armario del banco

168

de pruebas [27]. ... 73 169

Figura 50. Diagrama en LabVIEW preliminar sin sistema de transmisión de datos [27].

170

... 73 171

Figura 51. Programa en LabVIEW con sistema de transmisión de datos [27]. ... 74 172

Figura 52. Interfaz para la verificación de la adquisición de datos [27]. ... 76 173

Figura 53. Modo de obtención del filamento [28]. ... 77 174

Figura 54. Modo de conectar el filamento y los cables de protoboard [28]. ... 78 175

Figura 55. Aseguramiento del sistema [28]. ... 78 176

Figura 56. Carga pirotécnica de iniciación [28]. ... 78 177

Figura 57. Combustible en el interior del rollo de cartón [28]. ... 79 178

Figura 58. Base del ignitor con yeso roca grado 5 [28]. ... 80 179

Figura 59. Esquema del ensamble del ignitor y fotografía del ensamble [28]. ... 81 180

Figura 60. Ignitor con cinta asegurando el papel aluminio y los cables de protoboard

181

[28]. ... 81 182

Figura 61. Esquema final del ensamble del ignitor [28]. ... 82 183

Figura 62. Montaje para caracterización de ignitores [28]. ... 83 184

Figura 63. Esquema de ubicación de termopares en el ignitor #1 [28]. ... 83 185

Figura 64. Prueba de ignitor #1 [28]. ... 84 186

Figura 65. Esquema de ubicación de termopares en el ignitor #2 [28]. ... 85 187

(6)

Figura 69. Pruebas de estanqueidad. ... 90 191

Figura 70. Soldadura aplicada al reservorio de presión por aparición de poro. ... 91 192

Figura 71. Temporizador y switch de llave. ... 95 193

Figura 72. Modificación realizada al temporizador... 95 194

Figura 73. Montaje de experimentación. ... 96 195

Figura 74. Esquema de zonas de seguridad para prueba de motor SUA-I. ... 100 196

Figura 75. Plano con modificaciones realizadas al mamparo. ... 108 197

Figura 76. Plano de tapa soporte 1. ... 109 198

Figura 77. Plano tapa soporte 2. ... 110 199

Figura 78. Plano camisa motor SUA-I. ... 131 200

2. Lista de Tablas

201

Tabla 1. Cohetes desarrollados a nivel comercial con sus características de diseño y

202

de desempeño [24]. ... 20 203

Tabla 2. Dimensiones de tobera motor SUA-I. ... 22 204

Tabla 3. Áreas transversales de tobera motor SUA-I. ... 22 205

Tabla 4. Volúmenes de trabajo. ... 24 206

Tabla 5. Flujos de las boquillas de inyección respecto a presiones. ... 25 207

Tabla 6. Tasa de flujo del propelente y comportamiento de presión. ... 27 208

Tabla 7. Obtención de flujo másico y relación O/C. ... 29 209

Tabla 8. Empuje generado por el flujo másico total. ... 30 210

Tabla 9. Inventario subgrupo reservorio de presión. ... 35 211

Tabla 10. Inventario subgrupo sistema hidráulico de CO2. ... 37 212

Tabla 11.Inventario subgrupo tanque de oxidante y combustible. ... 39 213

Tabla 12. Inventario subgrupo sistema inyección combustible. ... 41 214

Tabla 13.Inventario subgrupo sistema inyección oxidante. ... 42 215

Tabla 14. Inventario subgrupo sistema cámara de combustión y tobera. ... 44 216

Tabla 15. Especificaciones de instrumentación a utilizar para la obtención de datos. . 66 217

Tabla 16. Conexión de los instrumentos a la bornera [27]. ... 68 218

Tabla 17. Indicación de conexión de instrumentación para la obtención de datos [27].70 219

Tabla 18. Proceso de fabricación de combustible tipo Candy [29]. ... 79 220

Tabla 19. Resultados de prueba ignitor #1 [28]. ... 84 221

Tabla 23. Características físicas de CO2 [30]. ... 93 225

Tabla 24.Mediciones realizadas al temporizador después de modificado. ... 97 226

Tabla 25. Costos finales de proyecto. ... 103 227

Tabla 26. Inventario de entrega del motor SUA-I. ... 132 228

(7)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 7 229

3. Lista de Gráficas

230

Gráfica 1. Comportamiento de flujo respecto a la presión boquilla HH-1/8-1. ... 26 231

Gráfica 2. Comportamiento de flujo respecto a la presión boquilla HH-1/8-2. ... 26 232

Gráfica 3. Comportamiento del reservorio de presión respecto al tiempo. ... 28 233

Gráfica 4. Comportamiento de empuje respecto al tiempo. ... 30 234

Gráfica 5. Comportamiento de temperatura durante la prueba del ignitor #2 [28]... 85 235

Gráfica 8. Curva de calibración para hielo seco. ... 92 238

239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257

(8)

4. Simbología y unidades

258 259

̇ [

]

diente de temperatura [K]

260

261 262

(9)

5. Introducción

263 264

Los vehículos aeroespaciales son vehículos construidos para cruzar la frontera 265

espacial y transportar cargas útiles que sirvan para el estudio del 266

comportamiento de estas bajo las condiciones encontradas en el espacio 267

exterior. Igualmente el desarrollo de diferentes modelos de vehículos 268

aeroespaciales ha ayudado el estudio y mejoramiento de diseños y 269

mecanismos de propulsión. 270

Se sabe que el conocimiento y desarrollo de tecnología aeroespacial en 271

Colombia es mínima por lo que existe una motivación para la creación del 272

Proyecto Uniandino Aeroespacial (PUA) con el fin de construir cohetes a escala 273

que sirvan para la investigación y estudio de nuevas tecnologías de 274

construcción, ensamble de motores y combustibles para este tipo de vehículos. 275

A partir de esto se busca el objetivo de crear una base de conocimientos que 276

ayuden al desarrollo de este tema a nivel nacional. 277

La razón de este proyecto de grado es darle continuidad a los trabajos ya 278

realizados de cohetería amateur y experimental para la Misión Seneca IV de la 279

Universidad de los Andes. Por esta razón se estudiara y se tomara como base 280

el proyecto de grado “Diseño de un motor cohete de combustible líquido para 281

vehículos amateur” desarrollado por Florian, en el cual se diseñó y se 282

manufacturo un motor cohete aplicando ingeniería inversa teniendo como 283

referencia un motor cohete comercial [6] [14]. De igual manera se tendrá en 284

cuenta el proyecto “Construction of a model liquid fueled rocket engine” 285

desarrollado por Aljure, donde se desarrolló la construcción de un motor cohete 286

de combustible líquido comprobando que en Colombia se pueden conseguir los 287

materiales necesarios para al desarrollo de este tipo de proyectos [1]. 288

Al estudiar los alcances de estos dos proyectos desarrollados y mencionados 289

anteriormente se observó que se logró el objetivo de manufacturar y ensamblar 290

el motor cohete pero en ninguno de los dos casos se midió de forma 291

experimental el desempeño de estos motores. En el caso del proyecto de 292

(10)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 10 Florian a partir de la realización de simulaciones se concluyó que se pueden 293

hacer algunas modificaciones en los elementos del motor con el objetivo de 294

aumentar la eficiencia de desempeño. Por esta razón este proyecto de grado 295

se enfocara especialmente en el motor el cual ya se encuentra construido para 296

PUA y su funcionamiento es por medio de la utilización de combustible y 297

oxidante líquidos a temperatura atmosférica. A partir de lo mencionado se 298

busca realizar los arreglos pertinentes al motor SUA I como analizar el tipo de 299

gasolina que sea más conveniente para su funcionamiento, de igual forma 300

aspectos de diseño de los elementos que componen el motor como los 301

inyectores y la tobera utilizados ya que estas modificaciones mejorarían la 302

combustión aumentando así el empuje y propulsión que generaría el motor en 303

el cohete y obtenidas en las simulaciones realizadas en proyectos anteriores 304

[11]. Para realizar las modificaciones y los arreglos necesarios se utilizaran los 305

diferentes laboratorios del departamento de ingeniería mecánica de la 306

Universidad de los Andes ya que en estos laboratorios se cuenta con las 307

herramientas necesarias para realizar dichos ajustes. 308

Al realizar los arreglos pertinentes se busca hacer un ensamble final y poner a 309

punto el motor cohete con el propósito de realizar pruebas experimentales 310

donde se midan diferentes variables como empuje vs tiempo [5], presión en la 311

cámara de combustión [7], tiempo de quemado [13] y temperatura de salida de 312

gases [5]. Estas pruebas servirán para el estudio del comportamiento mecánico 313

del motor, donde ayudaran en próximos trabajos a la Misión Seneca IV para un 314

posible lanzamiento del vehículo aeroespacial AINKAA IV con el objetivo de 315

analizar, estudiar y medir en vuelo el comportamiento aerodinámico y balístico 316

del vehículo. Por último el desarrollo de este proyecto podría abarcarse y 317

culminarlo en el transcurso de un semestre académico (6 meses), de acuerdo a 318

lo establecido en el cronograma de este mismo. 319

320

(11)

6. Antecedentes

322 323

En las últimas décadas se han presentado distintos desarrollos en tecnología 324

aeroespacial que es fundamental para la obtención de información y estudio en 325

las diferentes áreas de la ciencia. Por esta razón varios países han 326

desarrollado programas aeroespaciales que incentiven a la investigación como 327

es el caso de Corea con su proyecto KSR III donde se han desarrollado 328

aeronaves de gran altitud [8] [12]. De igual forma con el desarrollo en 329

tecnología aeroespacial de otros países como Japón con su programa H-AII 330

[10], Alemania [9] y España [4] se han logrado avances en combustibles 331

líquidos que han mejorado la propulsión de las aeronaves. En Colombia se han 332

desarrollado diferentes prototipos y modelos de cohetes amateur por parte de 333

la Comisión Colombiana de Cohetería y astronáutica C3, la cual ha sido de 334

gran utilidad para exponer al público el tema de cohetería [2]. 335

A partir de lo anterior la Universidad de los Andes ha establecido un proyecto 336

aeroespacial PUA (Proyecto Uniandino Aeroespacial) el cual ha realizado 337

distintas investigaciones referentes a los cohetes a escala obteniendo nuevos 338

conocimientos acerca de estos [15]. Aunque la gran mayoría de los estudios, 339

diseños y caracterizaciones realizados han sido enfocados hacia la propulsión 340

por medio de combustibles sólidos como lo fue el proyecto “Misión Seneca, 341

Lanzamiento del cohete AINKAA 1” en la cual se obtuvieron resultados de 342

altura destacables [15] se han desarrollado proyectos enfocados al combustible 343

líquido como medio de propulsión como “Construction of a model liquid fueled 344

rocket engine” [1] y “Primera misión colombiana de cohetería experimental con 345

propulsión liquida y alcance estratosférico” [16]. 346

A pesar de los diferentes proyectos desarrollados con combustible liquido como 347

forma de propulsion para los cohetes se debe seguir investigando ya que que 348

esta forma de combustible traerá ventajas como la obtención de un mayor 349

impulso específico, mayor eficiencia y manejo [13], pero se deben mejorar 350

aspectos como reducción de costos y confiabilidad. Esta ultima es importante 351

(12)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 12 debido a que se debe garantizar el uso de los motores en mas de una 352

oportunidad y de forma segura [3]. 353

354 355 356 357 358 359 360 361

362 363 364 365 366 367 368 369 370

(13)

7. Objetivos

371

7.1. General 372

1. Ensamblar y probar un motor cohete de combustible líquido, el SÚA-I 373

7.2. Específicos 374

1.1. Ensamblaje final y puesta a punto del motor SUA I orientado a pruebas 375

estáticas en banco de pruebas. 376

1.2. Realizar ensayos estáticos del motor SUA I para determinar con 377

precisión su desempeño por primera vez. Se utilizarán protocolos de 378

ensayo y seguridad previamente establecidos y certificados. 379

1.3. Construcción, ensamblaje, puesta a punto y embalaje para transporte al 380

sitio de lanzamiento, del vehículo AINKAA IV y su torre de servicio. El 381

vehículo ya se encuentra diseñado faltando solamente su construcción y 382

puesta a punto para lanzamiento. La torre de servicio se encuentra en 383

proceso de construcción y se pondrá a punto paralelamente durante la 384

realización de este proyecto. 385

1.4. Posible realización de una misión de lanzamiento, la Misión Séneca IV, 386

para determinación del desempeño del cohete AINKAA IV por primera 387

vez. Incluye instrumentación científica de diferentes variables en vuelo, 388

incluyendo telemetría y recuperación. El procedimiento de lanzamiento 389

se regirá por protocolos de lanzamiento y seguridad ya establecidos y 390

certificados. La realización de la misión se encuentra supeditada al 391

desempeño exitoso del motor SUA I en sus pruebas de desempeño 392

estático y las autorizaciones correspondientes de la Fuerza Aérea 393

Colombiana. 394

1.5. Producción de un informe final, tipo PUA, con la descripción 395

pormenorizada de los detalles de la misión, análisis forense y 396

recomendaciones sobre el desempeño del vehículo y su misión. 397

1.6. Divulgación de los resultados obtenidos en escenarios de publicación 398

técnica y de socialización del proyecto. 399

(14)

8. Marco Teórico

400

8.1. Principios básicos del motor cohete 401

402

Como se había mencionado anteriormente la cohetería amateur juega un papel 403

importante para la generación de nuevo conocimiento a partir de la 404

experimentación permitiendo mejorar los diseños y los diferentes mecanismos 405

de propulsión. La propulsión es aquella utilizada por los cohetes con el objetivo 406

de generar un incremento en su movimiento que se logra a partir del empuje, el 407

cual es la fuerza formada por la expulsión rápida de gases de combustión 408

logrando producir una aceleración [13]. 409

Para que el motor cohete pueda generar el empuje está compuesto por 410

inyectores que son los elementos encargados de inyectar a presión el 411

combustible y el oxidante, la cámara de combustión donde se mezclan la 412

gasolina y el oxidante para generar la combustión y la tobera que es la 413

encargada de acelerar la expulsión de gases de la cámara de combustión al 414

exterior [11]. La configuración de estos elementos se puede apreciar en la 415

figura 1. 416

417

Figura 1. Elementos fundamentales que componen un motor cohete [23].

418 419

(15)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 15 8.2. Tipos de motor cohete

420 421

Al tener claro los conceptos básicos del funcionamiento de un motor cohete se 422

debe tener en cuenta que existen diferentes tipos de motor cohete esto 423

dependiendo del sistema de propulsión que utilice para generar el movimiento 424

en el cohete. Existen varias formas de producir el empuje y se dividen en dos 425

grandes clasificaciones que son propulsión química y propulsión no química 426

[13]. A continuación se explicara cada una de ellas. 427

8.2.1. Propulsión química 428

429

Los motores cohete que utilizan propulsión química son aquellos que crean su 430

propulsión por el producto generado por la mezcla entre sustancias y la quema 431

de estas. Los cohetes que utilizan este tipo de propulsión tienen algo en común 432

y es que carecen de oxígeno para quemar el combustible por lo que tienen que 433

transportar su propio oxidante para realizar una quema efectiva del 434

combustible. Los cohetes de propulsión química están divididos en los que 435

utilizan combustible sólido y combustible líquido que para crear su propulsión 436

generan gases a altas temperaturas y presión expulsando los gases sobrantes 437

con una aceleración elevada [25]. 438

Los motores cohete con combustible sólido utilizan propulsantes sólidos y un 439

oxidante el cual viene granulado dentro de la mezcla del combustible lo cual al 440

quemarse genera el empuje [22]. La configuración del motor cohete que utiliza 441

combustible sólido se puede observar en la figura 2 [25]. 442

(16)

Figura 2. Configuración de motor cohete de combustible sólido [25].

444 445

Los motores cohete con combustible líquido utilizan propulsantes líquidos y un 446

oxidante los cuales están separados en tanques diferentes. El propulsante 447

líquido y el oxidante se mezclan en la cámara de combustión y son quemados 448

generando el empuje del cohete [16]. Los motores cohete que trabajan con 449

combustible líquido generan el movimiento del combustible y del oxidante por 450

medio de presurización de tanques o con bombas. La configuración del motor 451

cohete que utiliza combustible líquido se puede observar en la figura 3 [25]. 452

453

Figura 3. Configuración de motor cohete de combustible líquido [25].

454 455

(17)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 17 8.2.2. Propulsión no química

456 457

Los motores cohete que utilizan propulsión no química son aquellos que crean 458

su propulsión mediante energía eléctrica o energía térmica para acelerar y 459

luego expulsar el propulsante. Dentro de este tipo de propulsión se pueden 460

hallar en diferentes representaciones como cohetes motor de iones o de 461

energía nuclear. El motor cohete que genera propulsión mediante iones lo hace 462

por medio de la expulsión de partículas ionizadas que son aceleradas en 463

campo electro magnético. Los que trabajan con energía nuclear generan la 464

propulsión mediante la expulsión de gas a altas temperaturas calentando 465

partículas livianas en un reactor nuclear [25]. 466

8.3. Funcionamiento del Motor SUA-I 467

468

Para realizar un posible lanzamiento del cohete SUA-I se deben ejecutar con 469

anterioridad pruebas estáticas del motor cohete en el banco de pruebas. Antes 470

de hacer este tipo de pruebas se debe tener un amplio conocimiento del 471

funcionamiento del motor cohete, por esta razón a continuación se hará una 472

descripción detallada del funcionamiento del motor SUA-I. 473

El funcionamiento de un motor cohete puede estar basado en combustible 474

sólido, líquido o una combinación entre sólido y líquido, el cual es el encargado 475

de hacer combustión con el objetivo de generar empuje. El motor cohete que 476

se estudia en este proyecto genera empuje trabajando con combustible líquido 477

el cual logra su combustión a partir de la reacción química entre el combustible 478

y el oxidante creando un liberación de energía térmica. Esta liberación de 479

energía térmica genera una fuerza de empuje logrando impulsar el vehículo 480

(cohete) en dirección contraria a la salida de los gases generados por la 481

combustión [17]. 482

El motor SUA-I está dividido en tres partes fundamentales que son las 483

encargas de producir el proceso de combustión y empuje del cohete, estas 484

(18)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 18 partes son el reservorio de presión, tanque de oxidante y línea de combustible, 485

y cámara de combustión y tobera. 486

El proceso empieza en el reservorio de presión donde es introducido hielo seco 487

triturado donde cambia de estado sólido a vapor logrando presurizar el 488

reservorio. El reservorio al estar presurizado tiene acoplado una válvula 489

solenoide de dos vías con cuerpo en bronce y de referencia EV210B de la 490

compañía Danfoss® la cual es utilizada para la liberación del gas (CO2). Esta 491

liberación de gas de la válvula solenoide se hace mediante la activación de un 492

switch de presión el cual permite la liberación del gas (CO2) entre 270 psi a 493

295 psi, en el caso del motor SUA-I esta liberación se debe hacer manual. Por 494

seguridad el reservorio a presión tiene igualmente acoplado una válvula de 495

alivio con referencia SS-4R3A5 por la compañía Swagelok® la cual libera el 496

gas (CO2) cuando el reservorio excede los límites de presión [6] [21]. 497

El gas (CO2) al ser liberado del reservorio de presión por parte de la válvula 498

solenoide se encarga de presurizar la línea de combustible y el tanque del 499

oxidante (Peróxido de Hidrogeno). La presión ejercida sobre el combustible y el 500

oxidante logra que sean inyectados a la cámara de combustión por medio de 501

seis inyectores para el oxidante de referencia HH 1/8-2 y un inyector para el 502

combustible de referencia HH 1/8-1 de la compañía Spraying Systems de 503

Colombia®, estos siete inyectores tienen boquilla de cono y manufacturadas en 504

bronce debido a las altas temperaturas a las que están expuestas [6] [21]. 505

En la cámara de combustión se encuentra el cartucho de ignición el cual 506

contiene una mezcla de nitrato de potasio y sorbitol que está rodeado por 507

permanganato de potasio que al entrar en contacto con el combustible, 508

oxidante y chispa se genera la combustión generando gases a alta temperatura 509

y presión que son expulsados por la tobera y logrando así el empuje para 510

impulsar al vehículo (cohete) [21] [17]. 511

A la hora del lanzamiento, el cohete es ubicado en una plataforma con el fin de 512

que despegue en una posición vertical con el objetivo de aprovechar el impulso 513

y alcanzar altitudes deseables. Cuando el vehículo alcanza su máxima altura 514

(19)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 19 es activado el sistema de recuperación con el fin de poder recuperar partes del 515

motor que pueden reutilizarse para próximos lanzamientos. En el sistema de 516

recuperación se utiliza un paracaídas para disminuir la velocidad de caída de 517

los objetos, para activar el sistema de recuperación se utilizan varios 518

mecanismos como un diferencial de presión, un temporizador o un medidor de 519

altitud [22]. 520

8.4. Cohetería amateur en Colombia y comercial 521

522

Actualmente en Colombia la cohetería amateur es un tema nuevo el cual 523

necesita una mayor investigación y experimentación de este tipo de vehículos 524

con el objetivo de generar nuevo conocimiento y tener nuestra propia carrera 525

astronáutica. En el país se han desarrollado diferentes grupos de investigación 526

de aficionados al tema de la cohetería donde se ha avanzado en temas como 527

diseño y funcionamiento entre otros de cohetes que trabajan con combustible 528

sólido e hidroneumático [2]. 529

A nivel comercial se han desarrollado diferentes modelos de cohetes que han 530

ayudado a mejorar tres factores importantes que influyen en el desarrollo de 531

este tipo de vehículos que son la eficiencia, costo de fabricación y confiabilidad. 532

Estos tres factores están ligados mutuamente ya que la eficiencia se ha 533

mejorado por medio de la implementación de diferentes métodos de propulsión 534

como la sólida, liquida o hibrida. La eficiencia de estos cohetes igualmente se 535

ha visto mejorada por la mejora en sus diseños y materiales utilizados que han 536

ayudado a reducir sus costos de fabricación lo que hace viable que estos 537

diseños se puedan replicar a nivel mundial. Por ultimo al mejorar la eficiencia y 538

la reducción de costos por la mejora de materiales se ha logrado mejorar la 539

confiabilidad de estos vehículos de propulsión logrando utilizarlos más de una 540

vez y de forma segura. A continuación se puede observar una tabla con 541

algunos cohetes desarrollados a nivel comercial de distintas partes del mundo 542

como Estados Unidos de América, Asia y Europa donde se muestra sus 543

principales características de diseño y desempeño [24]. 544

(20)

Tabla 1. Cohetes desarrollados a nivel comercial con sus características de diseño y de

546 desempeño [24]. 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559 560

c* máxima (m/s) N.D. N.D. N.D. N.D. 1453.6 N.D. 1588.1 1502.7 N.D.

9 16.2

1.51 1.5 N.D.

N.D. N.D. N.D. N.D. 7 N.D. 8.27

N.D. N.D. N.D. N.D. 1.53 N.D.

N.D.

3279.2 4186.6 2644.6 6832.3 2224 6879.6 2398 2254 N.D.

2 N.D.

0.0052 0.0075 0.03 0.1 0.6 0.16 0.85 0.74

137 125 N.D.

4.6 1.2 1.5 0.9 0.7 2.7 1.75

913.9 2046 1821 N.D.

74.8 215.4 179.02 109.72 115.4 207.23

158.85 117 160.1 170 500

17.6 19 81.1 100 792

Presión máx. cámara de combustión (MPa)

20 24 29 38 48

1.74 3.2 8.32 72

Impulso total (Ns)

Impulso especifico (s) Tiempo de quemado

(s) Flujo másico propelante (kg/s) Velocidad efectiva máxima (m/s) Cf promedio KDX002 "Kappa DX" KSB002 "Kappa SB" LDX001 "Lambda" Diámetro del motor

(mm) Empuje máximo (kgf)

54 63.5 63.5 74

Quest D5 Aerotech D15 Aerotech G54 Contrail G130 JDX001 "Juno" Contrail J358

(21)

9. Parámetros de diseño

561 562

Al diseñar y construir un motor cohete se debe tener en cuenta ciertos 563

parámetros los cuales nos indicaran ciertas características, comportamiento y 564

desempeño del motor, por esta razón fue necesario verificar los cálculos 565

termodinámicos, de esfuerzos y de empuje realizados por Florian [6]. Se hizo la 566

comprobación de los cálculos realizados referentes a la cámara de combustión, 567

en este punto se hallaron las diferentes presiones y temperaturas dentro de la 568

cámara y tobera. Para poder hallar estas variables se utilizaron las 569

dimensiones de la tobera las cuales se obtuvieron a partir de la planoteca 570

realizada por Florian [6], igualmente para realizar dichos cálculos de las 571

variables se tomó el motor cohete SUA-I como un cohete ideal con el fin de 572

obtener errores mínimos, estas características son [24]: 573

 El flujo dentro del motor cohete es adiabático. 574

 Las sustancias químicas y los productos obtenidos por la reacciones son 575

químicamente homogéneas. 576

 Todos los fluidos dentro de la cámara de combustión son gaseosos. 577

 No hay discontinuidades, ni choque de ondas del flujo a través de la 578

tobera. 579

 El flujo del propelente es constante, estable y sin vibraciones. 580

 Los gases tienen una temperatura, densidad y velocidad constante en su 581

dirección axial. 582

 Existe equilibrio químico de los gases dentro de la tobera y no cambia 583

tras el flujo por la tobera. 584

Las dimensiones obtenidas de la planoteca fueron las siguientes: 585

(22)

Figura 4. Relación geométrica de la cámara de combustión y tobera.

587

mm m

Diámetro garganta tobera (Dt) 17,8 0,0178

Diámetro salida tobera (De) 22,5 0,0225

Radio garganta tobera (Rt) 8,9 0,0089

Radio salida tobera (Re) 11,25 0,0113

Tabla 2. Dimensiones de tobera motor SUA-I.

588

9.1. Presión cámara de combustión y tobera 589

590

A partir de las dimensiones de la tobera del motor SUA-I se obtuvieron las 591

áreas transversales de la garganta y salida de la tobera ya que son necesarios 592

para hallar las presiones y temperaturas necesarias. 593

mm^2 m^2

Área trans. Garganta (At) 248,85 0,000249

Área trans. Salida (Ae) 397,61 0,000398

Tabla 3. Áreas transversales de tobera motor SUA-I.

594

Teniendo las áreas transversales se obtuvo el número mach con la siguiente 595

formula. 596

[

( )

]

( )

(1) 597

598 599

(23)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 23 Dónde:

600

Entonces: 601

(

)

Este número mach concuerda con el obtenido por Florian [6]. 602

Con el número mach y la presión atmosférica sobre el nivel del mar (Patm) se 603

calculó la presión dentro de la cámara de combustión (Pc) con la siguiente 604

expresión matemática. 605

[(

)

] (2)

606

[(

)

]

El valor de la presión dentro de la cámara de combustión obtenido no tiene 607

gran diferencia sobre el obtenido por Florian [6] que fue de 84 psi. 608

A partir de la presión de la cámara de combustión se calcula la presión en la 609

garganta de la tobera con la siguiente formula. 610

(

)

(3)

611

( )

(24)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 24 El valor de la presión de la garganta de la tobera obtenido no tiene un cambio 612

significativo sobre el calculado por Florian [6] que fue de 47 psi. 613

9.2. Temperatura cámara de combustión y tobera 614

615

Para hallar la temperatura dentro de la tobera se tuvo en cuenta la temperatura 616

teórica dentro de la cámara de combustión la cual fue obtenida dentro de la 617

literatura revisada donde tiene un valor de 400 grados centígrados [13]. La 618

temperatura dentro de la tobera se halló de la siguiente manera. 619

(4) 620

Al comparar estos datos de temperatura con los obtenidos por Florian [6] se 621

encontró una diferencia de 70 grados kelvin en la temperatura de la cámara de 622

combustión. En la temperatura de la tobera no se presentó ninguna diferencia 623

ya que Florian no realizo este cálculo. 624

9.3. Volúmenes y tasas de flujo 625

626

Para poder observar el comportamiento de las boquillas de inyección para el 627

combustible (1/8 HH-1), oxidante (1/8 HH-2) y del reservorio de presión dentro 628

de las presiones de trabajo fue necesario saber los diferentes volúmenes de 629

trabajo. Estos volúmenes se pueden ver a continuación y fueron obtenidos a 630

partir de la planoteca hecha por Florian [6]. 631

m^3 L

Reservorio a presión 0,00336 3,36

Tanque gasolina 0,00032 0,32

Tanque oxidante 0,00269 2,69

Total 6,37

Tabla 4. Volúmenes de trabajo.

(25)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 25 9.3.1. Inyectores

633 634

Teniendo el volumen total de trabajo del motor SUA-I se analiza el 635

comportamiento de las boquillas a distintas presiones. Para esto se utiliza la 636

ficha técnica de las boquillas la cual es suministrada por Spraying Systems® 637

con el fin de realizar una regresión potencial y poder obtener la tasa de flujo de 638

las boquillas a las presiones de trabajo del motor cohete SUA-I con el fin de 639

poder calcular el empuje que genera el motor. 640

641

Figura 5. Ficha técnica de las boquillas de inyección.

642

Se transcribieron los datos obtenidos de los inyectores suministrada por el 643

proveedor con el fin de obtener el flujo en litro sobre segundos. 644

645

Tabla 5. Flujos de las boquillas de inyección respecto a presiones.

646

Presión (Bar) 0,4 0,5 0,7 1,5 2 3 4 6 7 10

Flujo (L/m) 0,29 0,33 0,38 0,54 0,62 0,74 0,85 1 1,1 1,3

Flujo (L/s) 0,0048 0,0055 0,0063 0,0090 0,010 0,012 0,014 0,017 0,018 0,022

Presión (Bar) 0,4 0,5 0,7 1,5 2 3 4 6 7 10

Flujo (L/m) 0,59 0,65 0,76 1,1 1,2 1,5 1,7 2 2,2 2,6

Flujo (L/s) 0,0098 0,0108 0,0127 0,0183 0,02 0,025 0,028 0,033 0,037 0,043

Boquilla para Combustible (HH-1/8-1)

(26)

Gráfica 1. Comportamiento de flujo respecto a la presión boquilla HH-1/8-1.

648

649

Gráfica 2. Comportamiento de flujo respecto a la presión boquilla HH-1/8-2.

650

Al ser comparado el análisis realizado a las boquillas con el realizado por 651

Florian [6] se encuentra la diferencia de que el realizo fue una regresión lineal 652

ya que no utilizo todo los datos suministrados por la ficha técnica de las 653

boquillas. Al utilizar diferentes regresiones se encontraran pequeñas 654

diferencias en las tasas de flujo. 655

(27)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 27 9.3.2. Reservorio de presión

657 658

Al conocer el comportamiento de flujo de las boquillas a diferentes presiones se 659

conoce el flujo de la gasolina y el oxidante mediante el descenso de presión en 660

el reservorio a presión. Para esto se aplicó la ley de gases ideales con el fin de 661

realizar una discretización para observar el comportamiento del reservorio de 662

presión respecto a su presión y al flujo de la gasolina y oxidante. Esto se puede 663

observar en la siguiente tabla y gráfica. 664

665

Tabla 6. Tasa de flujo del propelente y comportamiento de presión.

666

Tiempo (s) Tasa de flujo (L/s)

Flujo acum (L/s)

Volumen gas presurizado

(L)

Presión reservorio

(psi)

0 0,33 0,33 3,36 295

1 0,31 0,64 3,69 268,57

2 0,29 0,94 4,00 247,71

3 0,28 1,22 4,30 230,75

4 0,27 1,48 4,58 216,65

5 0,26 1,74 4,84 204,71

6 0,25 1,98 5,10 194,46

7 0,24 2,22 5,34 185,53

8 0,23 2,45 5,58 177,69

9 0,22 2,66 5,81 170,74

10 0,21 2,88 6,02 164,53

11 0,20 3,08 6,24 158,95

12 0,20 3,28 6,44 153,89

13 0,19 3,47 6,64 149,30

14 0,19 3,66 6,83 145,10

15 0,18 3,84 7,02 141,25

16 0,18 4,01 7,20 137,71

17 0,17 4,18 7,37 134,44

(28)

Gráfica 3. Comportamiento del reservorio de presión respecto al tiempo.

668

Como se había mencionado anteriormente debido a la diferente regresión 669

utilizada para el cálculo de la tasa de flujo se encontraron diferencias entre 0,03 670

y 0,01 L/s. 671

Al saber el comportamiento del motor en 18 segundos respecto a su tasa de 672

flujo total se prosigue a obtener la tasa de flujo independientemente de la 673

gasolina y el oxidante con el objetivo de encontrar su respectivo flujo másico y 674

obtener la relación oxidante/combustible. Para esto se debe tener en cuenta 675

que la gasolina utiliza una sola boquilla de inyección mientras que el oxidante 676

maneja 6 boquillas. Igualmente se debe tener en cuenta que el oxidante 677

(peróxido de hidrogeno al 50%) al reaccionar con el permanganato de potasio 678

aporta un 23% de oxígeno en relación con la masa total que reacciona. Estos 679

resultados se pueden ver a continuación en la tabla 7. 680

(29)

Tabla 7. Obtención de flujo másico y relación O/C.

682

Al comparar los resultados obtenidos de la proporción de mezcla (O/C) la cual 683

es el peso de flujo del oxidante sobre el peso de flujo del combustible, se 684

encontró una diferencia con lo reportado por Florian [6] ya que la relación 685

obtenida por él tiene un valor de 1,6 en promedio, mientras que la calculada 686

tiene un valor de 2,3 la cual se acerca a la relación teórica de los motores que 687

trabajan con oxígeno y gasolina la cual es de 2,5. 688

9.4. Empuje 689

690

Al tener en comportamiento del flujo másico tanto de la gasolina como del 691

oxidante se calcula el empuje del motor en un rango de 18 segundos, esto 692

mediante la siguiente formula. 693

̇ (5) 694

Tiempo (s) flujo oxid (L/s) flujo comb (L/s) Flujo oxidante (kg/s) Flujo comb (kg/s) Oxigeno Neto (kg/s) Gasolina Neta (kg/s) RELACIÓN O/C

0 0,30 0,026 0,37 0,018 0,043 0,018 2,3

1 0,29 0,024 0,34 0,017 0,040 0,017 2,3

2 0,27 0,023 0,33 0,016 0,038 0,016 2,3

3 0,26 0,022 0,31 0,016 0,036 0,016 2,3

4 0,25 0,021 0,30 0,015 0,035 0,015 2,3

5 0,24 0,020 0,28 0,014 0,033 0,014 2,3

6 0,23 0,019 0,27 0,014 0,032 0,014 2,3

7 0,22 0,018 0,26 0,013 0,031 0,013 2,3

8 0,21 0,018 0,25 0,013 0,030 0,013 2,3

9 0,20 0,017 0,24 0,012 0,029 0,012 2,3

10 0,20 0,016 0,23 0,012 0,028 0,012 2,3

11 0,19 0,016 0,23 0,011 0,027 0,011 2,3

12 0,18 0,015 0,22 0,011 0,026 0,011 2,3

13 0,18 0,015 0,21 0,011 0,025 0,011 2,3

14 0,17 0,014 0,21 0,010 0,024 0,010 2,3

15 0,17 0,014 0,20 0,010 0,023 0,010 2,3

16 0,16 0,014 0,19 0,010 0,023 0,010 2,3

17 0,16 0,013 0,19 0,009 0,022 0,009 2,3

(30)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 30 Donde la constante gravitacional es igual 9,81 m/s^2 y el impulso especifico es 695

de 48,3 segundos el cual difiere con el obtenido por Florián [6] que es de 70 696

segundos. Los resultados de empuje del motor son los siguientes. 697

698

Tabla 8. Empuje generado por el flujo másico total.

699

700

Gráfica 4. Comportamiento de empuje respecto al tiempo.

701

Tiempo (s) Flujo oxidante (kg/s) Flujo comb (kg/s) Flujo masico total (kg/s) Empuje (N)

0 0,428 0,022 0,449 213,07

1 0,407 0,021 0,427 202,68

2 0,392 0,020 0,412 195,47

3 0,380 0,019 0,399 189,34

4 0,370 0,019 0,388 184,04

5 0,360 0,018 0,378 179,39

6 0,352 0,018 0,370 175,28

7 0,345 0,017 0,362 171,59

8 0,338 0,017 0,355 168,27

9 0,332 0,017 0,349 165,26

10 0,326 0,016 0,343 162,50

11 0,321 0,016 0,337 159,98

12 0,317 0,016 0,332 157,65

13 0,312 0,016 0,328 155,49

14 0,308 0,016 0,324 153,49

15 0,304 0,015 0,320 151,63

16 0,301 0,015 0,316 149,89

17 0,298 0,015 0,313 148,26

18 0,295 0,015 0,309 146,72

120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220

0 5 10 15 20

Em

p

u

je

(N

)

Tiempo (s)

(31)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 31 Al comparar los datos con los obtenidos por Florian se encuentra una diferencia 702

en el empuje promedio de 13 Newton esto debido a la diferencia del impulso 703

específico. 704

9.5. Esfuerzo y materiales 705

706

Al saber las temperaturas y presiones dentro de la cámara de combustión se 707

calcularon los esfuerzos tanto por presión como por temperatura. Al calcular los 708

esfuerzos se comparara con los esfuerzo de fluencia y máximo del material del 709

cual fue manufacturado con el objetivo de saber si tiene la suficiente resistencia 710

para soporta las presiones y temperaturas de trabajo. En el caso de la cámara 711

de combustión se obtuvieron los siguientes resultados. 712

Para obtener el esfuerzo generado por el gradiente de temperatura es utilizada 713

la siguiente expresión [13]. 714

(6) 715

Esfuerzo por gradiente de temperatura

Delta T 20

E (Pa) 2E+11

Lambda (C-1) 0,0000119

v 0,29

716

Al comparar el resultado obtenido con el de Florian [6] se encuentra una 717

diferencia de 1 MPa. 718

Para obtener el esfuerzo generado por la presión es utilizada la siguiente 719

expresión [13]. 720

(7) 721

(32)

Al comparar este resultado con el obtenido por Florian [6] se encuentra una 723

diferencia de 0,3 MPa. 724

Al tener los dos esfuerzos se obtiene un esfuerzo total de 151,4 MPa. Se sabe 725

que la cámara de combustión fue construida con acero 1020 el cual tiene un 726

esfuerzo máximo de 380 MPa y un esfuerzo a la fluencia de 210 MPa. Con 727

estos datos se obtiene un factor de seguridad de 2,5. 728

729 730 731 732 733 734 735 736 737 738 739 740 741 742 743 744 745

Presión (Pa) 583097

Diámetro (m) 0,089

Espesor pared (m) 0,0015

(33)

10. Mantenimiento motor cohete SUA-I

746 747

Para poder realizar adecuadamente las pruebas estáticas donde se mida 748

empuje, temperatura y presión del motor cohete SUA-I se debe primero realizar 749

un mantenimiento detallado de todas las piezas que componen el motor con el 750

fin de poder ensamblarlo y ponerlo a punto para el éxito de dichas pruebas. 751

Para esto se realizaron distintas tareas que nos enfocaran al éxito del 752

mantenimiento del motor y el ensamble deseado. 753

10.1. Desensamble e inventario del motor SUA-I 754

755

Se realizó el desensamble e inventario del motor SUA-I con el fin de observar 756

el estado actual del mismo. Con desensamble e inventario se hizo una 757

inspección visual a cada una de las piezas que componen el motor para tener 758

información del mantenimiento que se debe realizar a cada una de las piezas. 759

El resultado del desensamble e inventario fue el siguiente. El inventario fue 760

dividido en cinco subgrupos que componen en su totalidad el motor cohete. 761

Estos subgrupos fueron reservorio de presión, sistema hidráulico de CO2, 762

tanque de oxidante y combustible, sistema de inyección combustible, sistema 763

de inyección oxidante y cámara de combustión y tobera. 764

765

766 767 768 769 770 771

(34)

Inventario de piezas de motor SUA-1

Reservorio de presión

Código Pieza Cantidad(und) Observaciones Fotografía

SUA-1001 Reservorio de

presión 1

En su exterior se observan algunos desgastes

superficiales. En su interior se debe hacer una limpieza ya que se observan

suciedades. En uno de los extremos hace falta adherir una placa circular de aluminio con el fin de poder unir el reservorio a presión con el

tanque de

oxidante y la línea de combustible. Las roscas deben ser limpiadas.

SUA-1002 Válvula de alivio

¼’’ 1

Se encuentra en buen estado, se debe limpiar su

rosca y

comprobar su funcionalidad.

SUA-1003 Rancor ¼’’ 1

El conector de manguera se encuentra roto, se debe limpiar la

rosca y

comprobar su funcionalidad.

(35)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 35 SUA-1004 Manómetro ¼’’ 1

Se observan algunos golpes superficiales, se

debe hacer

limpieza a la rosca y comprobar su funcionalidad.

SUA-1005 Tapón de

Sellamiento ½’’ 1

Presenta oxido sobre la mayoría de

su superficie, se debe limpiar su rosca.

Tabla 9. Inventario subgrupo reservorio de presión.

772

Sistema Hidráulico de CO2

SUA-1006

Adaptador macho-hembra

1/8’’-1/4’’

3

Presentan golpes superficiales, se debe realizar limpieza en rosca interior y exterior.

SUA-1007 Niple Conector

macho 1/8’’ 1

Presenta desgaste superficial, se debe limpiar su rosca y hacer limpieza en su interior.

(36)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 36 SUA-1008 Niple Conector

macho ¼’’ 2

Presenta desgaste superficial, se debe limpiar su rosca y hacer limpieza en su interior. Hace falta un conector.

SUA-1009 Tee hembra ¼’’ 1

Presenta desgaste

y golpes

superficiales, se debe limpiar roscas internas.

SUA-1010 Codo 90°

macho 1/8’’ 1

Presenta desgaste superficial y golpes en una de sus roscas, se debe limpiar roscas y su interior.

SUA-1011 Válvula

solenoide ¼’’ 1

Presenta un golpe

que no

compromete su funcionalidad, se debe limpiar su interior ya que se observó que no tuvo abertura cuando se probó con el asistente graduado Jorge Mario Garzón.

SUA-1012 Manguera 2

La manguera de mayor longitud presenta un dobles

permanente. La manguera de menor longitud se encuentra en buen estado.

(37)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 37 SUA-1013

Adaptador hembra-macho de ¼’’-3/8’’ NPT

1

Presenta desgaste

y golpes

superficiales, igualmente en la rosca exterior. Se debe realizar limpieza de roscas como interior, exterior y en la parte interior de la pieza.

SUA-1014

Válvula de Cheque 1/8’’

NPT

1

Se encuentra en un buen estado, toca realizar limpieza exterior e interior.

SUA-1015

Adaptador macho de

1/8’’-1/4’’ NPT

1

Presenta golpes exteriores, se debe

realizar limpieza interior y exterior de roscas.

SUA-1016 Tapón 1/8’’ 1

Se encuentra en buen estado, se debe realizar limpieza interior y exterior.

SUA-1017 Tee macho 1/8’’ 1

Presenta un poco

de desgaste

superficial, se debe realizar limpieza de roscas y en la parte interior de la pieza.

Tabla 10. Inventario subgrupo sistema hidráulico de CO2.

773 774

(38)

Tanque oxidante y combustible(gasolina)

SUA-1018 Tanque

oxidante 1

Presenta desgaste superficial, pero no afecta su funcionalidad. La placa circular de madera la cual hace conexión con el reservorio presenta un golpe. Se debe realizar una limpieza externa como interna del tanque, como en sus diferentes

roscas de

conexión.

SUA-1019 Tanque

combustible 1

Presenta desgaste

y golpes

superficiales, aunque los golpes no afectan su funcionalidad. Se debe realizar limpieza exterior como interior de

la pieza,

igualmente en sus diferentes roscas.

SUA-1020 Línea de carga

combustible 1

Presenta desgaste superficial, pero no afecta su funcionalidad. Se debe realizar limpieza interior y exterior.

(39)

SUA-1021 Tapón 1

Presenta oxido en gran parte de su superficie exterior como interior, sobre todo en la rosca exterior. Se debe realizar limpieza exterior e interior.

Tabla 11.Inventario subgrupo tanque de oxidante y combustible.

775

Sistema inyección combustible(gasolina)

SUA-1022

Codo 90° macho ¼’’-3/8’’

NPT

1

Se encuentra en buen estado, se debe realizar limpieza interior de la pieza y exterior en las roscas.

SUA-1023

Adaptador hembra-macho

1/8’’-1/4’’ NPT

1

Se encuentra en buen estado, se debe realizar limpieza interior y exterior en las roscas.

SUA-1024

Niple Conector hembra 1/8’’

NPT

2

Presentan un poco de desgaste superficial. Una de

las piezas

presenta un poco de deformación por lo que no se pueden enroscar piezas

adecuadamente. Se debe realizar limpieza interna de las roscas.

(40)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 40 SUA-1025

Niple Conector corto macho

1/8’’ NPT

2

Una de las piezas presenta golpes externos, la otra

pieza se

encuentra

en buen estado. Se de realizar limpieza en las rocas externas y en

la parte interna de las piezas.

SUA-1026 Tee hembra

1/8’’ NPT 1

Presenta un poco

de desgaste

superficial. Se debe realizar limpieza a las roscas internas.

SUA-1027

Codo 90° macho 1/8’’

NPT

1

Presenta golpes en partes de sus roscas. Se debe realizar limpieza externa de sus roscas y en la parte

interna de la pieza.

SUA-1028 Tapón 1/8’’ NPT 1

Se encuentra en buen estado. Se debe realizar limpieza interna a la rosca.

SUA-1029

Niple Conector macho 1/8’’

NPT

1

Presenta desgaste superficial, se debe limpiar su rosca y hacer limpieza en su interior.

(41)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 41 SUA-1030 Base inyector

gasolina 1

Presenta desgaste superficial y golpes.

Igualmente presenta oxido en superficie interna y externa, sobre todo en las roscas.

SUA-1031

Inyector 1/8HH-1

1

Presenta golpes externos pero no

afecta su

funcionalidad. Igualmente presenta oxido en el interior. Se debe realizar limpieza externa como interna de la pieza.

Tabla 12. Inventario subgrupo sistema inyección combustible.

776

Sistema inyección oxidante (peróxido de hidrógeno)

SUA-1032

Conector macho-hembra

1/8’’-1/4’’ NPT

6

Algunas piezas presentan golpes

y desgaste

superficial.

Presentan oxido al interior de las piezas por lo que se debe realizar una limpieza como interna y externa.

SUA-1033 Niples largos

1/8’’ NPT 6

Presentan oxido en toda la superficie externa y

considerablement

(42)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 42 interna. Se debe

hacer una

limpieza

tanto externa como interna de la

pieza.

SUA-1034 Tuercas 1/8’’

NPT 12

Se observa que hay 6 tuercas que se encuentran totalmente fijas a los niples. Presentan

desgaste superficial.

SUA-1035

Base inyector peróxido de

hidrógeno

6

Presentan desgaste superficial. Igualmente se observa oxido tanto

en la superficie externa como interna. Se debe realizar limpieza interna de las roscas y de la superficie externa.

SUA-1036 Inyector

1/8HH-2 6

Presentan golpes los cuales no se sabe si afectan su funcionalidad. Presentan oxido en la superficie interna. Se debe realizar limpieza interna y externa.

Tabla 13.Inventario subgrupo sistema inyección oxidante.

777 778

(43)

Cámara de combustión y tobera

SUA-1037 Cartucho de

ignición 1

Se encuentra en buen estado.

SUA-1038 Contenedor

cartucho 1

Se encuentra en buen estado.

SUA-1039 Cámara de

combustión 1

Presenta oxido en la superficie externa como interna. Presenta pequeños golpes que no afectan su funcionalidad.

(44)

SUA-1040 Tobera 1

Presenta oxido en la superficie externa e interna. Se debe limpiar superficies.

SUA-1041 Mamparo 1

Presenta un poco de óxido. Se debe limpiar superficie, roscas y oring.

SUA-1042

Tornillo bristol cabeza plana

M5

6 Se encuentran en

buen estado.

SUA-1043

Tuerca para tornillo bristol

M5

6 Se encuentran en

buen estado.

Tabla 14. Inventario subgrupo sistema cámara de combustión y tobera.

779

10.2. Mantenimiento a los sistemas de inyección 780

781

Para el buen funcionamiento del motor cohete SUA-I se realizó una inspección 782

visual para determinar que piezas necesitaban mantenimiento o cuales debían 783

ser adquiridas nuevamente en el mercado ya que muchas de ellas presentaban 784

(45)

Juan Sebastián Pinzón Pérez Página 45 un gran grado de corrosión tanto interna como externamente. Al realizar la 785

inspección se determinó que las piezas que fueron diseñadas, manufacturadas 786

y que son únicas del motor se les realizaría mantenimiento el cual permitiría 787

eliminar la corrosión presentada en sus superficies ya que con el 788

mantenimiento se asegura su funcionalidad y reduce costos ya que no hay 789

necesidad de manufacturarlas nuevamente. Para las piezas que son estándar 790

se determinó adquirirlas nuevamente en el mercado ya que muchas de ellas 791

presentaban golpes y corrosión en sus superficies pero el costo de adquisición 792

es bajo. 793

Las piezas a las que se les realizo mantenimiento fueron las siguientes: 794

 Base inyector gasolina 795

 Inyector 1/8HH-1 796

 Conector macho-hembra 1/8’’-1/4’’ 797

 Niples largos 1/8’’ 798

 Base inyector peróxido de hidrógeno 799

 Inyector 1/8HH-2 800

Nota: Los inyectores a pesar de que son piezas estándar no se adquirieron

801

nuevamente en el mercado por su alto costo, por esta razón se le realizo 802

mantenimiento. 803

Para el mantenimiento de estas piezas se utilizaron tres herramientas de 804

trabajo como se puede ver en la figura 6 que fueron un líquido con una 805

concentración alta de gas y un pH levemente acido, un cepillo de hebras 806

metálicas y una esponjilla de hebras metálicas. 807

(46)

Figura 6. Herramientas de trabajo utilizadas para la eliminación de corrosión.

809

El procedimiento que se siguió para eliminar en gran parte la corrosión de las 810

piezas fue el siguiente: primero se sumergieron las piezas en 500 ml del líquido 811

ya mencionado por un tiempo de dos horas, luego se cepillan con el cepillo de 812

hebras metálicas con el fin de eliminar el óxido de las piezas y por último se 813

pasa la esponjilla de hebras metálicas sobre las piezas para darles un buen 814

acabado superficial. Los resultados del mantenimiento se pueden apreciar a 815

continuación. 816

817

Figura 7. Mantenimiento realizado a la pieza base inyector gasolina.

818 819

(47)

Figura 8. Mantenimiento realizado a la pieza inyector de gasolina.

821

822

Figura 9. Mantenimiento realizado a la pieza conector macho-hembra.

823

824

Figura 10.Mantenimiento realizado a la pieza niples largos 1/8’’.

(48)

Figura 11. Mantenimiento realizado a la pieza base inyector peróxido de hidrogeno.

827

828

Figura 12.Mantenimiento realizado a la pieza base inyector peróxido de hidrogeno.

829

Como se puede observar en los resultados del mantenimiento se aprecia que el 830

trabajo ejecutado fue satisfactorio ya que en la mayoría de las piezas se logró 831

eliminar la corrosión que había afectado las piezas. Con este mantenimiento se 832

asegura el funcionamiento de estas piezas para las pruebas estáticas que se 833

van a realizar al motor cohete SUA-I. 834

El resto de piezas que componen el sistema de inyección de combustible y el 835

sistema de inyección del gas de presurización fueron adquiridas a nivel 836

comercial. Las piezas que se adquirieron fueron las siguientes: 837

 Adaptador macho-hembra 1/8’’-1/4’’ 838

 Niple Conector macho 1/8’’ 839

 Niple Conector macho ¼’’ 840

 Tee hembra ¼’’ 841