A continuación veremos una lista (y necesariamente incompleta) de propelentes sólidos que han sido empleados con diverso grado de éxito por aficionados de todo el mundo:
- Pólvora Negra (KNO3/Carbón/Azufre).
- Zinc/Azufre (también conocido como "Micrograin").-
- Propelentes tipo "candy" ("dulce", en inglés), compuestos por Nitrato de Potasio/Azúcar común de mesa (o KN/SU), o Nitrato de Potasio/Sorbitol (o KN/SO), o Nitrato de Potasio/Dextrosa (o KN/DX) o Perclorato de Potasio/Azucar (o PP/SU).-
- Nitrato de Potasio / Epoxy / Óxido Férrico
- Perclorato de Potasio /Asfalto (GALCIT)
- Nitrato de Amonio/HTPB /Magnesio metálico (o AN/HTPB/Mg)
- Perclorato de Amonio/HTPB/Aluminio
Pólvoras Negras:
La pólvora negra posee un impulso específico (Isp) de alrededor de 80 segundos, lo cual la hace uno de los propelentes menos poderosos, ya sea para su uso en fabricaciones comerciales o de modo amateur.- Además de eso, para lograr hacer un motor de BP mínimamente aceptable hace falta una gran cantidad de herramientas, equipos y operaciones bastante sucias (el fino carbón de la pólvora mancha muchísimo), razones por las cuales la mayoría de los aficionados ya casi no usa pólvoras.-
Los motores comerciales de modelismo espacial (clases A hasta F) se siguen haciendo mayoritariamente en pólvoras negras debido a que cuando se los fabrica en cierta cantidad su costo es relativamente bajo (aunque pueden no ser baratos en algunos casos), el herramental necesario es de uso generalizado en cualquier fábrica legal de pirotecnia, el personal de esas fábricas ya está entrenado en las operaciones básicas, y –finalmente- con pólvoras negras se logran motores de baja higroscopicidad (poco sensibles a la humedad), lo cual los hace especialmente aptos para su almacenamiento y venta al menudeo.-
Tal como adelantamos más arriba, los motores comerciales para modelismo espacial (desde clase A hasta Clase F), del tipo de los producidos por firmas como CondorTec en Argentina o Estes Industries en los EEUU emplean pólvora negra como propelente; por ejemplo, la formulación de la pólvora de los motores Estes consiste en un 71.8% de Nitrato de Potasio, 13.45% de Azufre, 13.8% Carbón vegetal, y un 0.95% de Dextrina, en la forma de un grano altamente comprimido, hasta lograr una densidad no menor a los 1.65 gramos por centímetro cúbico.- Esto es MUY importante, porque que si la densidad del grano de propelente de BP es menor a la antes citada, es muy probable que el motor estalle, independientemente de la exactitud en la formulación de la pólvora.- Para lograr esto, la pólvora debe ser prensada dentro de la carcaza de cada motor hasta lograr una consistencia sólida y maciza, en un proceso que se denomina sinterizado.- ¿Y como se lo logra? Mediante una prensa hidráulica o apisonando el propelente mediante golpes de maza (un proceso peligroso).- Esta densidad debe ser idealmente pareja en todo el volumen del grano de propelente, es decir que no debe haber zonas menos comprimidas que otras.- Esto es casi imposible de lograr si se comprime todo el propelente de una sóla vez y con cualquier método, es decir cuando se carga toda la BP dentro de la carcaza y se efectúa la compresión en una sola operación.-
Debido a que la pólvora granulada -y por lo tanto sin comprimir- tiene una densidad mucho baja que la deseada no será posible cargar el tubo o carcaza del motor en una sóla operación con toda la pólvora necesaria para efectuar la compresión; por ello, debe cargarse una porción pequeña, comprimir, agregar más pólvora, comprimir, otro poco de pólvora, comprimir... hasta completar la cantidad de gramos deseada u ocupar el volumen deseado.-
Esto producirá inevitablemente un grano con algunas transiciones o “escalones” en su densidad en lugar de un grano con un “gradiente” constante de compresión, pero con un adecuado nivel de compactación esas transiciones se unen tan íntimamente que son prácticamente imperceptibles en el funcionamiento del motor.-
Apisonado o prensado de BP Sinterizado:
La técnica de sinterizado mediante el "apisonado" simple (a golpes de maza) tiene sus bemoles.- En habla inglesa se la llama "ramming".- Sin entrar en detalles acerca de las precauciones a tomar durante estas operaciones, diremos que es MUY importante la técnica del golpe, es decir que es MUY importante ya no la fuerza, sino el "cómo" se aplica cada uno de los golpes: se debe usar una maza de madera, y el golpe debe ser seco y relativamente corto, brindado con la muñeca y no con todo el brazo.- Para quienes son deportistas, es un rápido golpe de muñeca como en la paleta vasca, y NO con todo el brazo, como en el tennis.- Quienes hayan jugado a estos deportes me entenderán rápidamente.-
Es difícil predecir si la densidad alcanzada es correcta con el método del ramming (varilla de madera y maza), y por ello se logran motores más "parejos" (comparando el funcionamiento de uno contra otro similar) usando una prensa; de todos modos, si al efectuar la compresión se usan muy pequeñas cantidades en cada "carga" en cada vez (tal como se explicó más arriba) y se van contando los golpes que se da a cada compresión, es posible lograr motores bastante buenos, aunque no necesariamente “parejos” cuando se los compara entre si; esto hace que una serie de motores “caseros” no sea apta para competencia, en razón a la dispersión de sus características.-
En cuanto a la extracción del molde central, si el nivel de densidad es correcto será MUY difícil extraer el mandril que forma el alma del motor (tanto que hará falta la ayuda de una pinza, sujetando la matriz que soporta la carcaza en una morsa... y sin apretarla demasiado para no rajar el grano!!!), pero en este caso la pólvora no se desmoronará; eso es también en cierta medida una indicación de haber logrado la densidad correcta, cosa que no releva al constructor serio de fabricar algunas "probetas" de propelentes, medirlas, pesarlas y calcular la densidad alcanzada.-
Los aficionados y la BP:
Existe una interminable discusión entre aficionados sobre lo bueno de hacer motores de pólvora negra (o BP, como se la conoce por sus siglas en inglés, Black Powder).- Luego de años de hacer motores y de participar activamente en interesantes discusiones sobre el tema, creo que en la generalidad de las veces la defensa de lo positivo de usar pólvora culmina en una de las siguientes dos cuestiones:
- Muchos aficionados hacen motores de BP por una cuestión de satisfacción personal, que va en la búsqueda de lograr el mismo rendimiento que un motor comercial (para poder expresar con razón “yo también lo logré”);
- Otros aficionados hacen motores de BP debido a la imposibilidad de obtener motores comerciales en su zona de residencia, desconociendo lo dificultoso que es hacer un buen motores de BP en escalas pequeñas.-
Creo que en esos dos asuntos queda encerrado el 95% de la motivación de discusiones.-
En mi humilde opinión y dejando de lado los gustos personales de cada aficionado, creo que la fabricación artesanal de motores de pólvora negra es una selección poco eficiente, porque cuando se manufactura de modo artesanal y en tiradas pequeñas un producto tan complejo como lo es un motor de BP, con un poco de conocimiento y con mucho trabajo es relativamente sencillo lograr el éxito... pero es un éxito que va a durar hasta que cambie algún parámetro que puede no estar bajo el total dominio del constructor de motores o cuando cambie alguna situación difícil de medir o aún de notar.- Además, para hacer motores de BP se requiere de tanto equipamiento o herramientas como muchos otros tipos de propelentes que pueden llegar a ser más eficientes, quizá no en términos de impulso específico sino como resultado global...
En otras palabras, esto significa que luego de mucho trabajo, muchos cálculos y muchas pruebas es perfectamente posible hacer una tirada de algunos motores caseros de BP que funcionarán admirablemente bien... y en algunos casos –si el constructor fue cuidadoso en sus presunciones, hizo sus cálculos y efectuó las pruebas suficientes- funcionarán aun mejor que sus contrapartes comerciales, hasta que un buen día y sin causa aparente, una nueva partida ya no funcionará tan bien o directamente estallará un motor tras otro.-
En esos casos... ¿Qué pasó? La determinación del problema sin duda que alimentará nuevamente decenas de rondas de coheteros discutiendo...
Lo concreto es que la situación descripta ocurrirá, por ejemplo, cuando se agote la pólvora que se había comprado (o fabricado) para las partidas iniciales de prueba y confección de motores y se la reemplace por otra que puede ser sutilmente diferente aunque sea igual en apariencia.- También pueden comenzar los problemas cuando varíe la humedad ambiente presente en el momento de la construcción de los motores; habrá nuevos e impensados inconvenientes si la prensa utilizada parece comportarse siempre de la misma manera pero en realidad no es así, y una de las causas de esto último está íntimamente relacionada con la temperatura del líquido hidráulico que se usa en cualquier prensa... hay muy pocos modelos de prensas al alcance de un aficionado que además de control de presión tengan compensación automática de la temperatura del fluido hidráulico.- Esto sólo por citar algunas de las variables que el constructor amateur puede no manejar con facilidad, porque hay muchas, muchas más.-
¿Y cómo hace un fabricante comercial para lograr consistencia en sus motores? Peor aún ¿Cómo hace un fabricante pequeño, con tiradas de sólo unos pocos miles de motores al año? Algo de esto hablamos en mi libro “Cohetes – Modelismo Espacial, Nivel Inicial”; el secreto está en las pruebas que se efectúan y en cómo y cuando se las hace.- Todo eso está relacionado de modo directo con la cantidad de materiales que se adquieren y comprueban antes de iniciar la fabricación seriada del primer motor de cada partida.-
Veamos ahora ese interesante tema...
En primer lugar, tengamos en cuenta que aún el más pequeño de los fabricantes comerciales seguramente gestiona la compra de sus pólvoras en cantidades impensables para un aficionado.- Por ejemplo, en la mayor parte de los países del planeta es ilegal para cualquier particular comprar o almacenar más de un kilogramo de pólvora; de hecho, las armerías venden lotes de a 200 gramos, es raro obtener lotes mayores.- Por el contrario, cualquier fabricante comercial almacena pólvora en cajas de 25 kilogramos, en locaciones adecuadas y autorizadas.- Eso le permite comprobar ese “enorme” lote de su principal materia prima, que es 125 veces mayor que lo que puede comprar un particular; teniendo en cuenta que -por dar un ejemplo- cada motor comercial de clase C lleva sólo unos pocos gramos de pólvora, el fabricante comercial puede caracterizar muy adecuadamente el lote de pólvora que ha comprado, hacer los ajustes necesarios en los pasos de construcción del motor (medidas, prensado, etc.) de acuerdo a las características del lote e iniciar la fabricación seriada de motores con un muy razonable grado de certeza acerca de la calidad final de su producto.-
No es imposible fabricar unos 1000 motores pequeños para modelismo con una sóla partida de pólvora, y de allí surge una de las razones de la tan pareja calidad de los motores comerciales.- Esto es algo casi IMPOSIBLE de alcanzar para un aficionado, y por eso a veces los aficionados logran hacer un buen motor de BP (o una partida pequeña de motores) y repitiendo exactamente los mismos pasos, otras veces no se alcanza el éxito.-
Desconociendo estos asuntos, en mi caso y cuando era muy jóven, mis primeras experiencias personales en cohetería –quizá como las de la mayoría de los aficionados- fueron con pólvora negra, ya sea casera como de procedencia comercial.- Esas primeras pólvoras caseras surgieron simplemente de copiar formulaciones de una colección de diccionarios enciclopédicos de mi abuelo Emilio Rexach y estudiando los libros de física de Fernández y Galloni.- Y tal como lo hacen muchos noveles aficionados, algunas veces reemplacé el Nitrato de Potasio por Clorato de Potasio, cosa que luego aprendí que NUNCA debe hacerse ya que las pólvoras hechas con clorato de potasio pueden ser sensibles a la fricción o estallar fácilmente por golpes, choques o compresión; además, no es cierto que los cloratos generen necesariamente mejores pólvoras que las sales nitradas de potasio (KNO3).-
Micrograin
Muchos aficionados han hecho buenas experiencias con un propelente al que a veces se lo llama "micrograin".- Se trata de una mezcla que fue muy popular entre los años '50 y '60 y está formada por dos elementos simples (zinc y azufre) altamente compactados- Ambos elementos deben estar muy finamente granulados, como un talco, y al igual que las pólvoras, se los comprime dentro de un tubo que hace las veces de cámara de combustión.-
Uno de los mayores promotores de este tipo de motores en los años '50 fue el capitán Brinley, en su obra "Rocket Manual for Amateurs"; una mezcla típica es la de 67% de Zinc y 33% de Azufre, aunque algunos autores (como C. Stong) proponen una relación de 75% de Zinc y 25% de zufre.-
Un motor de micrograin posee como "chorro" de salida una violenta exhalación de llamaradas nubosas de gases verde-amarillentos.... Estos motores tienen por lo general tiempos de operación muy cortos, es decir que provocan una verdadera "explosión controlada" (que calificamos de "controlada" siempre y cuando no estalle el motor...), característica que lleva a los cohetes impulsados por este tipo de motores a lograr aceleraciones muchas veces inmanejables desde el punto de vista de su resistencia estructural; por eso, cualquier cohete con propelente de micrograin debe estar diseñado y construído de manera tal que soporte aceleraciones elevadísimas.- Lo mismo vale para la carga útil de un cohete de ese tipo; si bien a veces se oyen por allí a personas contando año tras año un cruel relatos sobre un cohete impulsado por micrograin que ha llevado un vertebrado superior (una pequeña mona) como “carga biológica viva”, se trata de historias que pueden no ser verídicas... aunque si en verdad lo son, no es necesario decir que es una experiencia de extrema crueldad en cuanto a la tortura y escasa posibilidad de sobrevida del "tripulante" embarcado en ese tipo de cohetes; se sabe con certeza que cualquier vertebrado sometido a ese tipo de trato seguramente fallecerá inmediatamente luego del despegue mismo, debido a la enorme aceleración generada por el micrograin, la cual aplastará al tripulante contra el piso de la cápsula, matándolo en un tiempo mediano.- Ufffhhh... qué crueldad innecesaria.- Volviendo al micrograin, en razón de las enormemente altas aceleraciones que genera, sumadas a su bajo impulso específico justifican el porqué del escaso atractivo de esta formulación en la actualidad.-
El micrograin -al encenderse- no se quema ni oxida, sino que se trata de una redución rápida, un proceso químico que se da en ausencia de oxígeno, y que finalmente culmina fuera de la cámara de combustión, produciendo inmensas cantidades de gases.- Esos gases hacen que la cámara de combustión pasa a comportarse como una "garrafa" de alta presión dotada de una tobera en su parte baja.- Se trata de un propelente que es interesante visualmente, recordando que su impulso específico es bajo y siempre teniendo en cuenta la enorme robustez que debe tener el motor para soportar las presiones desarrolladas y también el cohete... para soportar a un motor de ese tipo.-Candy
El primer propelente práctico con el que muchos aficionados han logrado buenos resultados es el "candy", el cual -más allá de mi propia opinión personal- es el propelente más utilizado y recomendado por aficionados con experiencia; el "candy" consiste en una fusión térmica de algún tipo de azúcar (puede ser azúcar comestible blanco, el de uso común de mesa) y ciertos oxidantes.- |
"Granos" de candy (Sorbitol/Nitrato de potasio) prepartados por D. Cappri
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Perclorato de potasio y Resina Epoxy / Oxido de Hierro
La meta de desarrollar un propelente compuesto basado en Nitraos de potasio y epoxy parece ser un paso casi obligado en la carrera de cualquier aficionado. Si bien el propelente tipo “candy” es casi ideal para la mayoría de los emprendimientos de cohetería experimental amateur (aún los más ambiciosos o avanzados), el “candy” tiene ciertas falencias claras que se centran básicamente en sus propiedades mecánicas y físicas, como su naturaleza quebradiza y su higroscopicidad.- Si no es correctamente tratado, la humedad residual luego del moldeo también puede traer problemas y no hay que dejar de lado el tema del fundido a temperaturas elevadas, un factor de incomodidad.- Un compuesto de epoxy eliminaría la mayoría de estos problemas, ya que no sería higroscópico, se moldearía a bajas temperaturas o a temperatura ambiente, y contaría con excelentes spropiedades mecánico-físicas.-Si a todo eso le sumamos que usaríamos el muy estable KNO3 como oxidante, creo que no puede haber mejor elección para el aficionado.- El KNO3 (Nitrato de potasio) será el mismo usado en candys, es relativamente seguro, barato y fácil de obtener.En cuanto a la resina epoxy, daremos la definición de Nakka, según la cual diremos que la palabra “epoxy” es en realidad un prefijo que denota la presencia de un grupo especial de átomos (“grupo epoxídico”) en una determinada molécula. Dentro de la familia de las resinas termofraguantes, las resinas epóxicas están generalmente formadas por eteres diglicidílicos de bisfenol A (acrónimo BPA) y pueden fraguar o curar con aminas, poliamidas, anhídridos u otros catalizadores.- Se emplean ampliamente en la tecnología de los plástricos reforzados con fibra de vidrio (PRFV) porque tienen buena adhesión al vidrio y por otras características quimico-físicas (dilatación controlable, capacidad de humectación, viscosidad, degradación ante el calor, etc.).- Al igual que los azúcares en un “candy”, la resina epoxy serviría como combustible y como ligante a la vez. Tiene buenas características como combustible y su combustión es pirolítica (pasa de sólido a gaseoso cuando se quema).- Mecánicamente, se pega casi a calquier cosa, es fácil de trabajar (mecanizado), tiene buena dureza, etc. etc.
Adicionalmente, hay un tercer componente en este tipo de propelentes, que es el óxido de hierro (Fe2O3) ó ferrite rojo anhidro; también existe el ferrite común, de color negro (Fe3O4), pero no es apto para esto y el ferrite marrón (Fe2O3H2O), que es similar al rojo pero contiene agua y se lo puede convertir en Fe2O3 eliminando el agua, cosa que se logra con sólo calentarlo lo suficiente (altas temperaturas) en un crisol. El ferrite rojo es el ingrediente clave que puede llevar a un desarrollo exitoso de este tipo de formulaciones; sin él, la combinación resina / KNO3 quema demasiado lentamente como para servir de propelente, mientras que “dopándola” con cantidades precisas (ni muy poco ni mucho, alrededor del 8% en peso) de óxido férrico, la tasa de quemado crece lo suficiente sin aumentar demasiado la presión.- Usualmente se emplean mezclas de 70% de KNO3, 22% de epoxy y 8 de Fe2O3.-
Perclorato de Potasio / Asfalto:
El propelente "GALCIT" emplea esta formulación.- Este propelente fue desarrollado en los años ’40 en el “Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology” (GALCIT); y trabajó en esto un grupo financiado por el millonario Guggenheim, en el Jet Propulsion Lab, dirigido por Theodore von Karmann (aquel investigador del "boundary layer").- Los investigadores principales fueron Frank Malina (un eminente científico que luego se dedicó al arte como marchand y coleccionista) y un muy raro personaje llamado Jack Parsons, un genio de la química, totalmente autodidacta, quien en sus últimos años se dedicó a "otras" actividades (ocultismo, religiones esotéricas, sexo orgiástico y seudociencia, entre otras cosas); Jack Parsons murió en una explosión en el sótano de su casa, en circunstancias aún más extrañas que aquellas en las que vivió, a fines de los años '50.-La Marina de EEUU hizo un contrato de producción con la compañía Aerojet Corporation de Pasadena, California, para emplearlo en sus sistemas JATO (Jet Assisted Take Off); dentro del amateurismo, el Capt. Bertrand Brinley en su libro de 1960 describe un cohete amateur avanzado con un motor que empleaba unos 45 kilogramos (100 libras) de GALCIT.-
El GALCIT tiene un Isp de alrededor de 180 a 190 segundos, produce una llama blanca MUY luminosa y de alta temperatura y con mucho humo tóxico (si se usan percloratos como oxidantes es probable que en la ecuación de combustión aparezcan compuestos clorhídricos).-
La formulación del GALCIT es la siguiente:
 | Combustible: 17% de Asfalto tipo F.- (Nota: Mi padre trabajó con YPF hace muchos años, y a fines de los años '70 averiguamos que YPF fabricaba este asfalto, y aparentemente se podía obtener con cierta facilidad, pero en cantidades mínimas un poco elevadas: tambores de 200 litros) |
| Oxidante: 75.5% Perclorato de Potasio (KCIO4) en granulometría fina (#300 ?).- |
| Agente plastificante: 7.5% Aceite SAE 40.- |
Esta manufactura es un proceso MUY molesto por lo sucio y por lo viscosa que es la mezcla; por esa razón es complicado de moldear o vaciar, lo cual hace necesario desgasificarlo con vacío (procedimiento que agregaría una complejidad más, y para nada trivial) .- Amén de esto, es un proceso realmente MUY sucio y quizá hasta un poco peligroso, porque al elevar la temperatura del asfalto quizá se acerque el producto a la temperatura de autoignición.-
Nitrato de Amonio/HTPB /Magnesio metálico (o AN/HTPB/Mg)
La firma CP Technologies ha desarrollado un propelente compuesto que emplea un 20% de HTPB (R45HT), un 20% de magnesio (en granulometría de malla 260) y un 60% de PSAN (phase-stabilized Ammonium Nitrate - nitrato de amonio). Gracias a mi amigo Gastón Trinidad tengo el libro que ellos han publicado al respecto y es interesante, aunque casi absolutamente impráctico para aficionados que estén fuera de los EEUU por la casi imposibilidad de obtener los productos necesarios.- Más allá de eso, el manejo de magnesio en polvo requiere de muchos cuidados y el nitrato de amonio es altamente higroscópico, lo cual resta méritos a este producto.-
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