PROPELENTES SOLIDOS
Los propelentes sólidos son un tipo de combustible empleado tanto en cohetería como en balistica. Existen cuatro tipos : de base sencilla, doble base, de base triple y los denominados compositos; sin embargo aquí se hablará únicamente de los de doble base y de los compositos.
Los propelentes de doble base se dividen en colados y extruidos y estos últimos a su vez en propelentes con adición de solvente volátil y sin adición del mismo.
Los propelentes compositos tomados desde el punto de vista del material combustible que emplean se subdividen en colables polimerizables y en no colables vulcanizables donde los colables pueden ser o bien polimerizados por adición o por condensación.
Entrando más detalladamente al análisis de cada uno de estos dos tipos de combustibles sólidos se puede empezar con los de doble base. Estos son propelentes de tipo homogéneo donde sus moléculas tienen suficiente oxigeno para sostener la conversión de los materiales combustibles en una reacción de descomposición intramolecular.
Se componen generalmente de nitrocelulosa (40%-60%) y nitroglicerina (20%-42%). Las pólvoras de doble base con adición de solvente volátil son poco utilizadas en la cohetería debido a que para los tamaños requeridos aquí pueden presentar fenómenos de agrietamiento dando así lugar a fallas en la propulsión. Por esta razón solo se emplean con estos fines los propelentes de doble base sin adición de solvente.
Estos propulsores, como se ha mencionado ya, estan compuestos principalmente de nitroglicerina y nitrocelulosa pero además se agregan agentes estabilizantes, plastificantes y aditivos balísticos para ajustar las propiedades deseadas en la combustión.
La secuencia de fabricación de este tipo de propulsores una vez obtenida la nitroglicerina y nitrocelulosa, se efectúa mediante un proceso de impregnación, basado en adicionar a la nitrocelulosa la nitroglicerina, los estabilizantes, plastificantes y aditivos en un porcentaje predeterminado. Aquí se obtiene la masa primitiva, que sufre un proceso de maduración antes de proceder a su elaboración mecánica mediante un laminado en caliente seguido de una extrusión en prensas.
En la impregnación se logra la gelatinización de la nitrocelulosa por la nitroglicerina a cuya acción pueden colaborar los otros elementos agregados.
Se tr5ata de una mezcla explosiva en que la estructura física de la nitrocelulosa se transforma en contacto con la nitroglicerina y demás plastificantes variando con ello la densidad de la nitrocelulosa, que transforma el carácter de los componentes explosivos en pólvora, así la estructura obtenida luego de esta operación es de tipo coloidal.
La gelatinización efectiva de este producto depende de la forma como se nitre la celulosa y de la presencia o no de agentes como el dibutilftalato, el diuetilftalato o la triacetina. Además de los anteriores elementos se suelen agregar otros que aminoren los procesos de descomposición que se generan en esta clase de propelentes. También se agregan agentes estabilizantes, que tratan de eliminar los óxidos de nitrógeno que puedan formarse en caso de descomposición, con este objeto pueden emplearse los siguientes compuestos:
Difenilamina alrededor de 1%, nitrodifenilamina que tiene la propiedad de retener grupos nitro y se agrega también alrededor de 1%, centralita I que tiene función estabilizante y gelatinizante en cantidad hasta 6%, centralita II igualmente como estabilizante y hasta un 6%, acardita como estabilizador hasta 5% y feniluretanos como gelatinizantes hasta un 0.5 %.
Para fijar óxidos de nitrógeno se puede agregar vaselina de petroleo u óxido de magnesio del cero al uno por ciento.
Se agrega también grafito con el fin de facilitar el trabajo de extrusion del 0 al 1 por ciento.
La masa primitiva, una vez madurada, se pasa a los laminadores donde se acentúa el efecto gelatinización por la acción mecánica y temperatura de los mismos. Luego se procede a pasar el material por las prensas de extrusión donde se obtienen las formas deseadas.
Los propelentes de doble base fabricados con el proceso de colado presentan desde el punto de vista químico los mismos componentes que pueden presentarse en un propulsor de tipo similar fabricado por extrusión; pero presentan la gran ventaja, respecto a su preparación, de que pueden lograrse granos de propelente de cualquier configuración geométrica con relativa facilidad, tanto en su contorno exterior, para el que no existe delimitación de diámetro, como en la forma de los huecos que pueden quedar en el interior de los mismos.
Para su elaboración se pueden subrayar dos fases principales:
En la primera fase la nitrocelulosa se trata con eteralcohol y se le agregan los aditivos para luego pasarla a un proceso de extrusión en forma de hilos, los que luego se cortan en longitudes iguales a su diámetro. Acto seguido, estos granos se someten a un proceso de secado para la eliminación del disolvente. Ya obtenido el granulo se pueden seguir dos caminos para la consecución del propelente final:
En el primero, conocido como proceso de Steinberger, en el motor cohete, previo aislamiento de sus paredes con una capa protectora contra los requerimientos térmicos y con un inhibidor colocado sobre el , se ubica perfectamente centrado el núcleo con la forma adecuada que se quiera. Se cierra herméticamente el interior de la camara de combustión y se procede a colocar los granulos de nitrocelulosa, después de esto se vibra la camara de combustión y se le colo con una tapa perforada para comprimirlo que permita a traves de los orificios labrados en ella, la entrada de la mezcla nitroglicerina plastificante.
Se introduce el motor en una camara a temperatura controlada con el objeto de lograr la gelatinización y posterior endurecimiento del propulsor.
La temperatura de curado oscila alrededor de los 60 grados centígrados.
En el segundo procedimiento de obtención, llamado "Slurr Y Casting", se coloca el granulado y el liquido en el mezclador y, en vacío, se procede a su mezcla a un temperatura de alrededor de 30 grados centígrados. A continuación, una vez lograda la gelatinización se procede al colado en el motor, en vacío y vibrando ligeramente. El paso de la masa del mezclador al molde de conformación, en donde se ha colocado el núcleo, se efectúa con ayuda de nitrógeno a presión.
Finalmente para los procesos anteriores ( extruidos y colados), se mecanizan los granos en el extremo correspondiente a la zona de toberas, en el caso de granos unidos al motor, y se recubren de los correspondientes inhibidores si es necesario.
Se procede entonces a una etapa de control de fabricación para verificar que las barras no presenten facturas, franjas o fisuras que perjudican su desempeño. Esto se lleva a cabo con equipos de rayos X o de gamagrafia.
En cuanto a los propelentes compositos se puede decir que son dispersiones de pequeños gránulos oxidantes de carácter inorgánico en la masa de un polimero de tipo organico cuya misión es proporcionar cohesión al conjunto y servir como reductor. Como oxidantes suelen usarse percloratos o nitratos y como combustibles, polimeros de alto peso molecular de carácter organico tales como poliesteres o cloruros de polivinilo. A los elementos anteriores se les agregan plastificantes, agentes de curado, estabilizantes, catalizadores (bricromatos u oxido ferrico), destinados a acelerar la velocidad de combustión, agentes tensoactivos destinados a recubrir las particulas oxidantes y polvos metalicos que aumentan la temperatura de reaccion y mejora el impulso especifico.
Los agentes oxidantes requeridos aquí debe poseer un alto de formación pero mas importante su reaccion con los agentes reductores debe ser altamente exotérmica. Por razones de economia y facilidad de consecuacion se emplean con regularidad los ya citados antes NH4NO3 y NH4CIO4.
El nitrato de amonio es usado, tiene la ventaja que sus productos de descomposición son todos gaseosos sin embargo su bajo contenido oxigeno limita su combinación con agente combustible. Su velocidad de descomposición a las temperaturas manejadas es relativamente lenta y por otra parte es altamente giroscópico.
Sin embargo su mayor inconveniente radica en que presenta cinco distintos estados cristalinos y la transformación de cada uno en el siguiente va acompañada de un gran descenso en su densidad, que origina dilatación del grano y por ello sus barras de propulsor tienden a agrietarse. Para aliviar estos problemas se acostumbra la adición de KNO3 a este propelente.
El perclorato de amonio también es muy empleado, tampoco libera elementos sólidos en su reacción y además proporciona un buen impulso especifico. Los agentes catalíticos mas comunes para este compuesto son el dióxido de magnesio, cromito de cobre y oxido ferrico.
Los combustibles utilizados aquí se pueden catalogar como colables polimerizables y no colables vulcanizables. Entre los del primer grupo se encuentran todos aquellos monomeros que por medio de reacciones de adición o condensación dan lugar a polimeros con las características de combustible requeridos para el propulsor.
Entre los segundos se encuentran aquellos a los que al incorporárseles plastificantes o mediante degradación mecánica se logra gran plasticidad permitiendo asi agregarles el oxidante y acto seguido por una vulcanizacion se llega a las propiedades necesarias.
Los polimerizables presentan la ventaja de que su mezclado con el oxidante es mas sencillo y la operación de trabajo mas simple. Con los no colables vulcanizables pueden obtenerse granos por compresión o extrusión.
En el caso de los polimerizables por condensación se tienen los poliesteres, los poliuteranos y polibutadienos de los cuales pueden obtenerse mezclas con perclorato de facil colado y queda un buen impulso especifico.
En los polimeros de adición se incluyen los cauchos naturales y todos los polimeros de síntesis de tipo di-0 mono olefinico.
En general se encuentran el encuentran el polibutadieno , poliisobutileno , y copolimeros de isobutileno o isopreno, copolimeros de dienos con estineros., y otros; como plastificantes en estas sustancias se pueden citar el dioctilftalato dinitro-bis-benzanilida y como agentes de refuerzo negro de humo, lignina o resinas del estireno divinilbenceno.
Los agentes antioxidantes o retardantes suelen ser fenoles aminas aromaticas o sus productos de condensación.
Como acelerantes de vulcanizacion la tiocarbonilida, mercaptobenzotiasol o tiuretanos.
Se suele emplear oxido de cinc como acelerador del activador y como vulcanizantes el azufre, cloruro de azufre, y ciertos peróxidos volcánicos.
Por ultimo como catalizadores pueden emplearse micromato amonico, oxido de hierro, ferro o ferricianuro de potasio.
Para la selección de los mejores combustibles se debe tener en cuenta que el combustible este parcialmente polimerizado para lograr que en el curado se produzca un minimo de contracción y de calor de polimerización, debe ajustarse asi tambbien la viscosidad para permitir una distribución homogénea del oxidante. La mezcla no curada debe mantenerse fluida por un tiempo razonable para su manejo y su endurecimiento a efectuarse a temperaturas entre 70 y 90 grados centígrados. La reacción de curado no debe dar productos volatiles. Para evitar la formación de burbujas en la barra de propelente. La mezcla debe ser químicamente estable por si sola y debe ser capaz de resistir golpes o choques.
En su proceso de fabricación se distinguen dos formas de trabajo, la primera consiste en conformar los granos exteriormente y luego introducirlos en la camara de combustión como la barra de propelente propiamente dicha que se conocen como cargas propulsras libres; existen también las cargas propulsoras unidas al motor coladas y obtenidas por polimerización en su interior. En caso de cargas unidas al motor se siguen los siguientes pasos:
Preparación de la camara, preparación del oxidante, proceso de mezclado, colado, curado y acabado e inspeccion. Si se trata de cargas libres la preparación de la camra se sustituye por la preparación del molde en el que se realiza el colado; la preparación de la camara consiste en la limpieza de cualquier material extraño. Este paso se realiza con la ayuda de un chorro de arena seguido de un proceso de desengrasado con tricloroetileno o un chorro de vapor.
-Se procede entonces a recubrir el interior de la camara con aislante termico.
-Entonces se aplica sobre la anterior una capa de barniz de tipo polimero, análogo al combustible de la barra de propelente.
-Se colocan luego los núcleos perfectamente centrados y con un tratamiento similar.
La preparación de los oxidantes se realiza mediante un molido con atmosfera de humedad y temperatura controladas.
El mezclado se realiza añadiendo la resina aglomerante los agentes de curado, aditivos inertes y modificadores de velocidad de reacción con cuidado de obtener mezcla homogénea.
El combustible en los aditivos se introduce en un amasador y en el se agrega el oxidante.
Seguidamente y al vacío se pasa el propelente todavía fluido al recipiente para su posterior colada.
Los recipientes asi colados se introducen en camaras precalentadas para su colado.
Terminado este proceso se retiran los núcleos y se procede a la inspeccion de las barras y su prueba de desempeño.