Caramelo cohete

Rocket Candy, o R-Candy, es un tipo de propulsor para cohetes modelo elaborado con una forma de azúcar como combustible y que contiene un oxidante. El propulsor se puede dividir en tres grupos de componentes: el combustible, el oxidante y los aditivos (opcionales). En el pasado, la sacarosa se utilizaba más comúnmente como combustible. Las formulaciones modernas suelen utilizar sorbitol por su facilidad de producción. El oxidante más común es el nitrato de potasio (KNO₃). El nitrato de potasio se encuentra más comúnmente en los removedores de tocones de árboles. Los aditivos pueden ser muchas sustancias diferentes y actuar como catalizadores o mejorar la estética del despegue o vuelo. Una formulación tradicional de propulsor de azúcar generalmente se prepara en una proporción de oxidante a combustible de 65:35 (13:7). Esta proporción puede variar de un combustible a otro según la velocidad de combustión, el momento y el uso.

Existen muchos métodos diferentes para preparar un propulsor de cohetes a base de azúcar. La compresión en seco no requiere calentamiento; solo requiere moler los componentes y luego empaquetarlos en el motor. Sin embargo, este método no se recomienda para experimentos serios. El calentamiento en seco en realidad no derrite el KNO₃, pero derrite el azúcar y luego los granos de KNO₃ quedan suspendidos en el azúcar. Alternativamente, el método de disolución y calentamiento implica que ambos elementos se disuelvan en agua y luego se combinen hirviendo el agua, creando una mejor mezcla.

El impulso específico, el impulso total y el empuje son generalmente menores para la misma cantidad de combustible que otros combustibles para cohetes de modelos compuestos, pero los caramelos para cohetes son significativamente más baratos.

En los Estados Unidos, es legal fabricar motores de cohetes, pero es ilegal transportarlos sin un permiso de uso de explosivos bajos. Dado que cuentan como motores aficionados, normalmente se lanzan en lanzamientos de investigación autorizados por la Asociación de Cohetes de Trípoli que requieren que los usuarios posean una certificación de nivel 2 de alta potencia de la Asociación de Cohetes de Trípoli. Los usuarios también pueden realizar lanzamientos utilizando estos motores solicitando una exención de vuelo de la FAA.

Componentes

El caramelo de cohete se puede dividir en tres grupos principales de componentes: combustibles, oxidantes y aditivos. El combustible es la sustancia que se quema, liberando gases en rápida expansión que proporcionan empuje cuando salen de la boquilla. El oxidante proporciona oxígeno, que es necesario para el proceso de combustión. Los aditivos pueden ser catalizadores, para acelerar o hacer más eficiente la combustión. Sin embargo, algunos aditivos son más estéticos y pueden agregar chispas y llamas al despegue, o agregar humo para facilitar el seguimiento del cohete en el aire.

Combustibles

Se utilizan muchos azúcares diferentes como combustible para los caramelos de rúcula. El combustible más común suele ser la sacarosa, aunque a veces se utilizan glucosa y fructosa. Como alternativa, el sorbitol, un alcohol de azúcar comúnmente utilizado como edulcorante en los alimentos, produce un propulsor con una velocidad de combustión más lenta y es menos quebradizo cuando se convierte en granos de propulsor. Los azúcares con un doble enlace de oxígeno, como la fructosa y la glucosa, son menos estables térmicamente y tienden a caramelizarse cuando se sobrecalientan. Los azúcares que sólo tienen grupos alcohol, como el sorbitol, son mucho menos propensos a esta descomposición. Algunos otros azúcares de uso común incluyen eritritol, xilitol, lactitol, maltitol o manitol.

Oxidantes

El oxidante más utilizado en la preparación de motores de azúcar es el nitrato de potasio (KNO₃). También se pueden utilizar otros oxidantes, como nitratos de sodio y calcio, así como mezclas de nitrato de sodio y potasio. KNO₃ se puede adquirir comprando un "removedor de tocones" en tiendas que venden suministros de jardinería. Otros oxidantes poco utilizados son el perclorato de amonio y potasio.

Es necesario abordar dos cuestiones principales con respecto al oxidante si se utiliza nitrato de potasio. La cuestión más importante es la pureza del material. Si un material comprado no funciona satisfactoriamente, puede ser necesario recristalizar el KNO₃. La segunda cuestión importante con respecto a la porción oxidante de un propulsor es su tamaño de partícula. La mayoría de los fabricantes de propulsores prefieren su KNO₃ molido a un tamaño de partícula pequeño, como malla 100 (aproximadamente 150 μm) o menos. Esto se puede hacer usando un molinillo de café. Los tambores de roca también se pueden utilizar para moler hasta obtener un polvo de grano fino y bien mezclado.

Aditivos

A menudo se añaden aditivos a los propulsores de cohetes para modificar sus propiedades de combustión. Dichos aditivos se pueden usar para aumentar o disminuir la velocidad de combustión del propulsor. Algunos se utilizan para alterar el color de la llama o del humo producido. También se pueden utilizar para modificar cierta propiedad física del propio propulsor, como plastificantes o tensioactivos para facilitar la fundición de la formulación. Existen muchos tipos de aditivos experimentales; los que se enumeran aquí son sólo los más utilizados.

Se ha descubierto que los óxidos metálicos aumentan la velocidad de combustión de los propulsores de azúcar. Se ha descubierto que estos aditivos funcionan mejor en niveles del 1 al 5 por ciento. Los más utilizados son los óxidos de hierro. El óxido de hierro rojo se utiliza con mayor frecuencia porque es algo más fácil de obtener que las versiones amarilla, marrón o negra. El óxido de hierro marrón exhibe propiedades inusuales de aceleración de la velocidad de combustión bajo presión.

Carbón en forma de carbón vegetal, negro de humo, grafito, etc.; Puede usarse, y a veces se usa, como combustible en formulaciones de azúcar. Sin embargo, lo más frecuente es que se utilice una pequeña cantidad de carbono como opacificante, dejando un rastro de humo visible. El carbón actúa como un disipador de calor, manteniendo una parte del calor de combustión ubicada en el propulsor en lugar de transferirlo rápidamente a la carcasa del motor.

Si se utilizan combustibles metálicos como aluminio o magnesio en una formulación de azúcar, existe un peligro si se encuentran trazas de ácidos en el oxidante. Los materiales ácidos pueden reaccionar fácilmente con el metal, produciendo hidrógeno y calor, una combinación peligrosa. La adición de bases débiles ayuda a neutralizar estos materiales ácidos, reduciendo en gran medida su peligro.

A menudo se añade titanio metálico en forma de escamas o esponja (de aproximadamente 20 mallas de tamaño) a las formulaciones de azúcar en niveles del 5 al 10% para producir una llama chispeante y humo al despegar.

Los tensioactivos se utilizan para reducir la viscosidad de fusión de los propulsores de azúcar. Por ejemplo, el propilenglicol ayuda a reducir la viscosidad en estado fundido de los propulsores a base de sacarosa.

Formulaciones

Una formulación típica de propulsor de azúcar generalmente se prepara en una proporción de oxidante a combustible de 13:7 (relación en peso). Sin embargo, esta formulación es ligeramente rica en combustible y puede variarse hasta en un 10%. Hay muchas formulaciones posibles diferentes que permitirán el vuelo en cohetes de aficionados.

Preparación

Existen varios métodos diferentes para preparar un propulsor de cohetes a base de azúcar. Estos métodos incluyen compresión en seco, calentamiento en seco y disolución y calentamiento. Los dos últimos métodos implican calentar el propulsor.

En la compresión seca, el azúcar y el nitrato de potasio se muelen individualmente lo más finamente posible y luego se mezclan en un molino de bolas o en un vaso para garantizar una mezcla uniforme de los componentes. Luego, esta mezcla se comprime en el tubo del motor, de manera similar al método para empaquetar pólvora negra en un rifle de avancarga. Sin embargo, este método rara vez se utiliza para experimentos serios y se deben tomar cuidadosas consideraciones de seguridad antes de decidir emplearlo.

Otro método, más común y seguro, de preparar un propulsor para cohetes a base de azúcar es el calentamiento en seco. Primero, el nitrato de potasio se muele o se muele hasta obtener un polvo fino y luego se mezcla bien con azúcar en polvo que luego se calienta. En realidad, este método no derrite el nitrato de potasio, ya que la temperatura de fusión del KNO₃ es de 323 °C (613 °F), pero derrite el azúcar y recubre los granos de KNO_{3 con el azúcar derretida. Una alternativa a este método utilizada por Rick Maschek del proyecto Sugar Shot to Space. En el que no muele ni muele el nitrato de potasio hasta convertirlo en polvo, lo que da como resultado una viscosidad lo suficientemente baja como para hacer que la solución se pueda verter cuando se usa sorbitol como combustible para fundir granos. El proceso de fusión debe realizarse utilizando un disipador de calor, para evitar la creación de puntos calientes de autoignición.}

James Yawn aboga por el método de disolución y calentamiento. Al disolver y calentar el propulsor, en realidad se disuelven ambos elementos del propulsor y se combinan. Primero se coloca en una olla o cazo el KNO₃ y el azúcar. Luego se añade agua suficiente para poder disolver completamente el KNO₃ y el azúcar. Luego se calienta la mezcla y se lleva a ebullición hasta que el agua se evapora. La mezcla pasará por varias etapas: primero hervir, luego burbujear y escupir, luego adquirirá una consistencia suave y cremosa. Hay varias ventajas al disolver el azúcar y el KNO₃ en agua antes de calentarlo. Una ventaja es que el KNO₃ y el azúcar no tienen que estar finamente pulverizados, porque ambos acaban completamente disueltos. También se puede preparar a una temperatura más baja y requiere menos agitación. Este método de preparación también hace que el propulsor resultante resista la caramelización en la olla, lo que da más tiempo para introducirlo en los motores. Un posible aspecto negativo es que el propulsor resultante es un poco más espeso (más viscoso). La mezcla no se puede verter y es necesario colocarla en un molde, y nunca será tan fina como el método de calentamiento en seco.

Rendimiento

Los propulsores de cohetes a base de azúcar tienen un I_sp(impulso específico) promedio de entre 115 y 130 segundos. Compare eso con el I_sp promedio de un APCP (propulsor compuesto de perclorato de amonio), que es de 180 a 260 segundos. Los propulsores a base de sorbitol y KNO₃ con una proporción típica de 35:65 son capaces de alcanzar un I_sp de entre 110 y 125 segundos. Sin embargo, se ha registrado que los cohetes de sorbitol y KNO₃ con aditivos tienen impulsos específicos de hasta 128 segundos.

Los propulsores de cohetes basados en xilitol y KNO₃ son capaces de generar un impulso específico de ~100 segundos. Estos tienen una velocidad de combustión ilimitada de aproximadamente 1,3 mm/s. Los combustibles a base de dextrosa y KNO₃ son capaces de alcanzar un I_sp de 137 segundos. En general, las características de rendimiento de los cohetes azucareros se aproximan a las de los propulsores de calidad profesional.

Aplicaciones

Candy Rocket también es conocido ocasionalmente como "caramel candy", un término que fue popularizado por Bertrand R. Brinley, en su libro sobre cohetes amateur, Rocket Manual for Amateurs, publicado en 1960. Este propulsor fue utilizado en algunos de los cohetes aficionados descritos por Homer Hickam en su memoir más vendido Rocket Boys.

El caramelo de cohete también se empleó en un pequeño cohete amateur descrito por el teniente coronel Charles M. Parkin en un extenso artículo de Electronics Illustrated que continuó en varios números, comenzando en julio de 1958. Parkin describió cómo preparar la mezcla propulsora utilizando una sartén eléctrica como fuente de calor para la operación de fusión. Este artículo se reimprimió en el libro de Parkin, The Rocket Handbook for Amateurs, que se publicó en 1959. El artículo de Parkin contribuyó a la creciente popularidad del propulsor de caramelo para cohetes entre los aficionados a los cohetes. grupos que comenzaron a finales de los años cincuenta y principios de los sesenta.

Los cohetes alimentados con azúcar se han utilizado como armas de guerra toscas, como durante los ataques de Hamas a Israel entre 2000 y 2003.

El programa Sugar Shot to Space (SS2S) se formó con el objetivo de "loft[sic] un cohete alimentado por un 'propulsor de azúcar' en el espacio" equivalente a 100 kilómetros (62 mi) de altitud. El Zapato de azúcar doble El cohete alcanzará 33 kilómetros (21 millas), o un tercio de la altitud del objetivo. La primera Mini Zapato de azúcar cohete, un prototipo de motor de diseño de doble fase del Zapato de azúcar extremo cohete, alcanzó una altitud de 4 kilómetros (2,5 mi) antes de que ocurriera un catastrófico fallo del motor; contacto con el segundo Mini Zapato de azúcar cohete se perdió a una altitud de casi 6 kilómetros (3,7 millas) que supera a Mach 1. En 2017 Rick Maschek y Chris Covany of the SS2S team successfully launched their 150mm potassium nitrate sorbitol propellant rocket at over Mach 2.5 and was followed later that same year by Rick and Eric Beckner of the SS2S team with the first of two successful 300mm KNSB motor static tests, largest 'sugar' motores ever, at the Friends of Amateur Rocketry (FAR) facility showing large 'sugar' motor could. El Zapato de azúcar extremo cohete, ahora planificado como un diseño convencional de cohetes de 2 etapas y el cohete que se espera alcanzar el objetivo de entrar en el espacio, todavía no se ha completado.