CVA Model Rocket Guide

Diseño, construcción y normas de seguridad en cohetería

Viladecans, 26.06.2008

Comunidad de las Ciudades Ariane La Comunidad de las Ciudades Ariane – CVA – se fundó en 1998 y se registró en Francia como asociación sin ánimo de lucro cuyo objetivo es reforzar la cooperación entre las ciudades y las organizaciones industriales que participan en el programa de transporte espacial Ariane. Tiene también como finalidad informar a los ciudadanos sobre los beneficios de las actividades del transporte espacial europeo y de dar a conocer el Puerto Espacial Europeo situado en la Guayana francesa. Mediante la organización de programas técnicos, culturales y educativos así como programas de “proximidad”, la CVA reúne y contribuye a crear relaciones de larga duración entre los ciudadanos y en particular, entre las administraciones de las ciudades miembro sus universidades, escuelas y empresas. La administración local de una ciudad y una compañía industrial suelen ser los organismos que representan a la ciudad dentro de la CVA. Por consenso, los miembros de la asociación deciden los programas durante el Consejo de los Alcaldes. Cada año o cada dos años, la presidencia de la CVA cambia de ciudad. El programa de ejecución de las operaciones diarias queda a cargo de la oficina de la Delegación General.

Introducción

Los talleres con modelos forman parte de muchos de los programas educativos del CVA. La cohetería (la construcción de modelos de cohete) es una actividad segura ya que incorpora tres rasgos importantes. El primero es que el motor del modelo de cohete es un motor de fabricación profesional de bajo coste que utiliza combustible sólido. El segundo rasgo es el uso de materiales seguros para la construcción de los cohetes. Todos los cohetes se fabrican sólo con materiales ligeros tales como el papel, el plástico y la madera. No se usan nunca piezas metálicas como componentes principales en la estructura del modelo. El tercer rasgo es la incorporación del Código de Seguridad de los Modelos de Cohete dentro de todas las actividades de vuelo. Este código proporciona directrices para la operación segura de los modelos de cohete, tales como el lanzamiento de los cohetes mediante sistemas eléctricos desde una distancia segura, y la utilización de sistemas de recuperación a fin de hacer volver el cohete a tierra de forma suave. Para sugerencias y consultas, contacten con el autor: Jan Walter Schroeder Damaschkestr. 76 67065 Ludwigshafen Germany Email: jan.walter.schroeder[at]gmx.de Este Documento se basa principalmente en Model Rocketry Technical Manual (Manual Técnico de Modelos de Cohetes), William Simon, 1993 y Basics of Model Rocket Flight (Introducción al vuelo de modelos de cohete), Check Gehrman. No puede usarse para fines comerciales. . La traducción al castellano a cargo de

Tabla de ContenidosI. LAS PARTES DE UN MODELO DE COHETE.................................................... 4 II. CONSTRUCCIÓN................................................................................ 4

1. Construcción del soporte del motor ................................................... 4 2. Instale el soporte del motor ............................................................. 5 3. Las aletas ................................................................................... 5 4. SOPORTES DE LANZAMIENTO ............................................................ 6 5. Montaje del cordón de amarre .......................................................... 6 6. Ensamblaje del paracaídas / cintas .................................................... 7

III. DISEÑO DE LA PLATAFORMA DE LANZAMIENTO .......................................... 8 IV. PREPARACIÓN DEL VUELO .................................................................. 8

1. Estabilidad.................................................................................. 8 2. Control de oscilación...................................................................... 9

V. SEGURIDAD....................................................................................10 1. Código de seguridad......................................................................10

VI. INFORMACIÓN PARA PROFESORES ........................................................11 1. Las Cuatro Fuerzas Aerodinámicas ....................................................11 2. Cálculos ....................................................................................11

VII. LINKS .........................................................................................13

I. LAS PARTES DE UN MODELO DE COHETE

Se muestra un modelo básico de cohete para ilustrar las partes de una maqueta típica. Las técnicas de construcción que se usan en este y otros modelos se explican con mayor detalle en este manual.

II. CONSTRUCCIÓN En la construcción de modelos de cohete se necesitan las siguientes herramientas y consumibles: � Cutter o cuchillo de modelar � Tijeras � Regla � Espray de imprimación � Pintura en espray � Tubo de adhesivo plástico � Cinta adhesiva protectora � Papel de lija fino y extra fino � Cola blanca o cola de carpintero

1. Construcción del soporte del motor

Un soporte del motor robusto sujeta el motor, permitiéndole ‘empujar’ el cohete en el aire. Al construir el modelo, utilice un tubo auxiliar para empujar el aro de retén del motor hasta situarlo en su lugar. Primero, haga una marca en el tubo auxiliar a 0,6 cm del final. Aplique cola en el interior del tubo del fuselaje con un bastoncillo o una espiga pequeña. Coloque el aro de retén justo dentro de la parte inferior del fuselaje, y luego empújelo con el tubo auxiliar hacia delante hasta su posición con un único movimiento suave para evitar que la cola lo fije en el lugar equivocado. Cuando la marca en el tubo esté alineada con el final del tubo del fuselaje el aro de retén estará en la posición correcta. Quite el tubo auxiliar inmediatamente.

Cuando monte el motor en un modelo con aro de retén del motor, envuelva el motor con cinta adhesiva protectora hasta que la fricción lo sujete firmemente dentro del tubo, luego coloque el motor con un movimiento deslizante. Si el motor está suelto, el motor se moverá en el momento de la salida y puede que no se despliegue el sistema de recuperación. Si se ajusta con demasiada fuerza, se corre el riesgo de que se dañe al intentar empujar el motor a su sitio. Ajuste la cantidad de cinta según sus necesidades. Si la disposición del soporte del motor y las aletas proporciona suficiente espacio, una tira de cinta alrededor del tubo y la juntura del motor puede ayudar a sujetar el motor en el modelo. En muchos modelos un soporte del motor de rápida liberación (también llamado gancho del motor) es el mejor dispositivo que se puede usar para montar el motor. La parte anterior del soporte del motor de rápida liberación se inserta a través de una ranura de 0,3 cm de longitud en el tubo, e impide que el motor se deslice hacia delante. Para montar un motor en un modelo con un soporte del motor, haga saltar hacia arriba el final del soporte y deslice el motor hasta su posición correcta.

2. Instale el soporte del motor

Asegúrese de que la cola sobre los aros del soporte del motor está completamente seca antes de instalar el soporte en el fuselaje. Para facilitar la operación, sitúe el soporte de forma que esté a mitad de camino entre dos filas de aletas. Antes de engancharlo, asegúrese de que el soporte se desliza con facilidad dentro del fuselaje. Si está apretado, líjelo hasta que se deslice fácilmente. Unte una cantidad generosa de cola alrededor del interior del fuselaje por encima de la zona donde se colocarán los aros del soporte. Coloque el soporte en su lugar con un movimiento único y suave. ¡NO PARE; si no, el pegamento lo ‘agarrará’ en la posición errónea! Apoye el tubo con el morro hacia arriba mientras se seca la cola.

3. Las aletas

Las aletas sirven para guiar el cohete aerodinámicamente. Algunos cohetes utilizan aletas hechas de hojas delgadas de madera de balsa. Todas las aletas de madera de

balsa deben cortarse de forma que la veta esté paralela al borde principal de la aleta a fin de obtener la fuerza máxima. Para fabricar las aletas a partir de una hoja de madera de balsa sin cortar, comience con un patrón de una aleta a tamaño real cortado en papel rígido o cartulina

delgada. Cuando extienda las aletas en la hoja de madera de balsa, ¡asegúrese de que coloca el patrón de forma que el borde principal de la aleta esté paralelo a la dirección de la veta! Trace alrededor del patrón con un lápiz o un bolígrafo para marcar la forma de cada aleta en la madera. Después de cortarlas, lije todos los bordes de las aletas para que estén bien a escuadra.

Después de marcar el tubo y de lijar las aletas, está preparado para fijarlas al fuselaje. Para distribuir las aletas, centre el final del tubo en los círculos, luego marque 4 líneas para 4 aletas o 3 líneas para 3 aletas. Si engancha las aletas a estas líneas, se asegurará de que se colocan rectas. La mejor manera de sujetar las aletas de madera de balsa o fibra a un cohete con cola

blanca es utilizar una “doble capa de adhesivo”. Aplique una capa de cola al borde interior de la aleta y una capa fina de cola al fuselaje donde se sujetará la aleta. Haga esto con todas las aletas y deje secar la cola. Luego aplique una segunda capa de cola al borde interior y

sujételo con fuerza en su sitio en el fuselaje hasta que la cola empiece a secarse. Antes de que se seque por completo, mire desde el morro para asegurarse de que la aleta está alineada en paralelo con el tubo, y orientada perpendicularmente a la superficie del fuselaje. Ajuste la alineación de la aleta según se requiera. Apoye el cuerpo del cohete en una posición vertical mientras la cola se seca. Un tiempo después de que las capas de adhesivo en las aletas se hayan secado, deberían reforzarse. Para hacerlo, aplique un ‘hilo’ de cola tal como muestra el dibujo. Apoye siempre el cuerpo en posición horizontal mientras se secan los hilos finos para que no gotee la cola. Vaya engrosando los hilos mediante varias capas finas, permitiendo que cada capa se seque entre aplicaciones (esto resulta mucho más rápido que esperar que se seque un único hilo grueso).

4. SOPORTES DE LANZAMIENTO

Se usan los soportes de lanzamiento para situar el cohete en la varilla de lanzamiento. Los soportes y la varilla ayudan a guiar el cohete al principio del vuelo. El modelo debe ser guiado hasta que alcance suficiente velocidad para que puedan hacerlo las aletas. Los soportes se sujetan de la misma manera que las aletas. Si se usa un elemento distanciador para evitar que la varilla golpee contra una sección de la carga útil de gran diámetro, sujete primero el soporte al distanciador primero, y luego sujete toda la pieza al fuselaje. Mire a lo largo del fuselaje para asegurarse de que el soporte esté paralelo al fuselaje antes de que se seque la cola. Aplique los hilos de cola después de que se haya secado la capa inicial.

5. Montaje del cordón de amarre

Ate el cordón de amarre con seguridad. Hay dos métodos que dan buenos resultados. El método de ranura y encolado da buen resultado para los fuselajes que son demasiado pequeños para una platina de amarre. La platina de amarre se corta de

papel o cartulina. Asegúrese de enganchar la platina a suficiente distancia dentro del tubo; si no, interferirá con el posicionamiento correcto del cono delantero.

6. Ensamblaje del paracaídas / cintas

El sistema más utilizado para recuperar los cohetes es el paracaídas. Se corta un círculo o un hexágono en un trozo delgado de plástico o de un material parecido.

Aplique 6 arandelas de plástico o un material parecido a las esquinas del paracaídas y perfore agujeros a través del material del paracaídas en el centro de las arandelas con un lápiz afilado. Corte 3 cuerdas de igual longitud que sean el doble de largas que el

diámetro del paracaídas. Ate las dos puntas de las cuerdas a través de los agujeros practicados en las arandelas, tal y como se muestra en el dibujo. Para atar el paracaídas a la argolla del cono delantero, enhebre las cuerdas a través de la argolla, pase el paracaídas por el bucle de las cuerdas como muestra el dibujo, y apriete. El dibujo muestra como plegar un paracaídas.

Como alternativa a los paracaídas, se puede usar una cinta para decelerar la velocidad de caída del cohete. La cinta debería tener unas dimensiones de aproximadamente 35 cm x 8 cm y puede montarse de la misma manera que los paracaídas. Los paracaídas y las cintas deben tener protección contra el calor de la carga de expulsión por medio de un relleno aislante resistente al fuego. NO USE NUNCA papel de seda normal en lugar del relleno resistente al fuego. El papel de seda corriente seguirá ardiendo después de la expulsión y puede provocar peligrosos incendios forestales. Rellene de forma suelta con el relleno aislante el fuselaje hasta que se llene una profundidad de por lo menos dos veces el diámetro del tubo del fuselaje. El relleno debería tocar los lados del fuselaje para sellarlo bien. Para doblar el paracaídas, sujételo en la parte central entre dos dedos y vaya bajando la otra mano hasta que adquiera forma “en punta”. Doble esta forma en varias secciones tal como demuestra el dibujo. Ponga las cuerdas y el cordón de amarre sobre el relleno. Introduzca el paracaídas doblado dentro del fuselaje, incluidas las cuerdas y el cordón de amarre, luego coloque el cono delantero.

III. DISEÑO DE LA PLATAFORMA DE LANZAMIENTO Un modelo de cohete no puede sencillamente ser colocado sobre sus aletas, ya que el cohete necesita que el aire circule rápidamente sobre las aletas para ser estable. El modelo debe ser guiado hasta que se mueva con suficiente rapidez para que operen las aletas; la plataforma proporciona esta orientación guía inicial.

La mayoría de los modelos de cohete usan una varilla de 3 mm de diámetro y 80 cm de longitud para este guiado durante el lanzamiento. 2 soportes situados a cada lado del centro de gravedad (CG) proporcionan el apoyo que necesitan los modelos. El deflector de chorro es una placa de metal que impide que los gases del motor toquen la plataforma de lanzamiento o el suelo a fin de prevenir incendios. Cuando construya la plataforma de lanzamiento, asegúrese de que usa una base que es suficientemente grande y pesada como para tener una base segura.

IV. PREPARACIÓN DEL VUELO

1. Estabilidad

Si un modelo no es estable, el morro se inclinará constantemente fuera de la trayectoria calculada. Como resultado, intentará ir por todo el cielo, pero al final no irá a ‘ninguna parte’. Un cohete inestable suele caerse a tierra después de apagarse el motor, con lo cual se daña el modelo. Cuando un objeto en vuelo libre gira, siempre lo hace alrededor de su punto de equilibrio.

El término correcto para punto de equilibrio es centro de gravedad (CG). Por lo tanto el punto de equilibrio (CG) es el eje para todas las fuerzas que intentan hacer girar el cohete. Para evitar estos efectos la primera regla es usar un cuerpo largo. La longitud del tubo del cuerpo debería ser por lo menos 10 veces mayor que su diámetro. Esto le

permite tener una distancia suficiente entre el centro de gravedad y las aletas. La segunda regla es hacer las aletas grandes. Cuanto más grandes sean las aletas, tanto más fuerza producirán cuando el cohete comience a girar. Las aletas deberían tener una longitud 2 veces mayor que el diámetro del cohete. Tercero, cuanto más atrás se colocan las aletas, mejor. Por regla general, esto implica que el borde

inferior de la aleta coincida con el borde inferior del fuselaje y la aleta sobresalga por debajo. ¡No coloque ninguna aleta más arriba del centro de gravedad! Finalmente, el cohete debería tener como mínimo 1/8 de su longitud por delante de las aletas. Esto da a las aletas el apoyo que necesitarán para contrarrestar la fuerza que se ejerce en el morro.

2. Control de oscilación

La manera más fácil de comprobar la estabilidad de un modelo es hacerlo volar sin lanzarlo. Para ello, hay que ligar una cuerda al modelo y hacerlo oscilar en el aire. Si la cuerda está ligada al centro de gravedad del cohete, el comportamiento que demuestre mientras oscila en el aire indicará lo que hará en un vuelo con impulsión.

Haga pruebas con el modelo. Haga un bucle al final de una cuerda de 2-3,5 m. Instale un motor en el cohete. (El centro de gravedad siempre debe determinarse con un motor instalado.) Deslice el bucle hasta la posición correcta alrededor del cohete para que el modelo se equilibre horizontalmente. Aplique un trozo de cinta adhesiva para sujetar la cuerda.

Mantenga el cohete suspendido por el centro de gravedad, hágale dar vueltas por encima de la cabeza. Si el cohete resulta ser muy estable, el morro apuntará hacia delante gracias al viento que crea su propio movimiento. Tenga cuidado mientras esté dando vueltas en el aire: una colisión con un objeto o una persona que esté cerca podría resultar grave. Hágalo siempre en un lugar abierto, y despejado. No intente hacer volar un cohete que no haya aprobado el examen. Si el cohete no ha aprobado el test de estabilidad, normalmente se puede conseguir que lo acabe aprobando. Se pueden usar dos métodos: el punto de equilibrio puede avanzarse, o la superficie de las aletas puede hacerse más grande. Para mover el punto de equilibrio hacia adelante, añada peso al morro. Las aletas pueden ser sustituidas por aletas más grandes o se pueden pegar lengüetas extra al borde inferior de las aletas. Después de realizar los cambios, vuelva a repetir la prueba para comprobar que ahora resulta estable.

V. SEGURIDAD

1. Código de seguridad

1. MATERIALES. Solo utilizaré componentes ligeros y no-metálicos para el morro, el cuerpo y las aletas del cohete. 2. MOTORES. Sólo utilizaré motores para modelos de cohete certificados y fabricados comercialmente, y no manipularé estos motores ni los utilizaré para otros fines que no sean los recomendados por el fabricante. 3. SISTEMA DE ARRANQUE Lanzaré mis cohetes con un sistema de lanzamiento eléctrico y dispositivos de encendido eléctricos. El sistema de lanzamiento tendrá un empalme de seguridad en serie con el interruptor de lanzamiento, y utilizará un interruptor de lanzamiento que vuelva a la posición ‘off’ automáticamente cuando se lanza. 4. FALLOS. Si falla el lanzamiento del cohete cuando se acciona el botón del sistema de lanzamiento eléctrico, desconectaré o bien el empalme de seguridad o bien la batería, y esperaré 60 segundos después del último intento de lanzamiento antes de permitir que cualquier persona se acerque al cohete. 5. SEGURIDAD DEL LANZAMIENTO. Realizaré una cuenta atrás antes de lanzar el cohete, y aseguraré que todo el mundo preste atención y se mantenga a una distancia de seguridad de por lo menos 4,6 m cuando se realice el lanzamiento de cohetes con motores tipo D o más pequeños, y 9 m cuando se realice el lanzamiento de cohetes con más potencia. Si no estoy seguro de la seguridad o la estabilidad de un cohete sin probar, comprobaré la estabilidad antes de realizar un vuelo y sólo lo haré volar después de avisar a los espectadores y de alejarlos a una distancia segura. 6. PLATAFORMA DE LANZAMIENTO. Lanzaré el cohete desde una varilla, torre o guía de lanzamiento orientada dentro de unos 30 grados alrededor de la vertical para asegurar que el cohete vuele prácticamente en vertical, y usaré un deflector de chorro para impedir que los gases del motor toquen el suelo. Para impedir heridas accidentales a los ojos, colocaré las plataformas de lanzamiento de forma que el final de la varilla de lanzamiento esté por encima del nivel del ojo o taparé el final de la varilla cuando no se utilice. 7. TAMAÑO. El modelo de cohete no pesará más de 1.500 gr en el momento del lanzamiento y no contendrá más de 125 gr de propergol o 320 N-sec de impulso total. SI el cohete pesa más de 453 gr en el momento del lanzamiento y contiene más de 113 gr de propergol, comprobaré y cumpliré con las normas del Federal Aviation Administration antes de hacer el vuelo. 8. SEGURIDAD DEL VUELO. No lanzaré el cohete contra ninguna diana, dentro de nubes, o cerca de aviones, y no pondré ninguna carga inflamable o explosiva en el cohete. 9. LUGAR DEL LANZAMIENTO. Realizaré el lanzamiento al aire libre, en una zona abierta y en condiciones atmosféricas seguras cuando la velocidad del viento no sobrepase los 32 km/h. Me aseguraré de que no hay hierba seca cerca de la plataforma de lanzamiento, y que en el lugar de lanzamiento la hierba no corra riesgo de incendiarse. Basado en el Código de Seguridad del National Association of Rocketry (Asociación Nacional de Cohetería) de los EE.UU.

VI. INFORMACIÓN PARA PROFESORES Como profesor de escuela, quizás le interese enseñar a los alumnos/as las ecuaciones matemáticas básicas para calcular la altura y la velocidad del modelo de cohete. Este apartado describe algunas ecuaciones sencillas que pueden usarse para hacer el cálculo. (Fuente: Información básica del vuelo de modelos de cohete, Check Gehrman)

1. Las Cuatro Fuerzas Aerodinámicas

Las cuatro fuerzas se hallan ilustradas a continuación sobre el dibujo de un ala. Son el impulso, la gravedad, el empuje y el arrastre. En el caso de un avión en vuelo, estas fuerzas se hallan en equilibrio mientras el avión está volando a una velocidad y una altura constantes. En el caso de un cohete, es raro que estas fuerzas se hallen en equilibrio.

Drag = ARRASTRE Lift = IMPULSO Thrust = EMPUJE Gravity = GRAVEDAD El vuelo de un cohete implica las mismas fuerzas pero se hallan

distribuidas de forma diferente. El vuelo de un cohete puede considerarse dividido en tres fases diferentes, cada una de las cuales experimenta diferentes condiciones. Estas fases son: 1. Fase de empuje – Durante esta fase el motor produce empuje y el cohete se acelera hacia arriba. 2. Fase de desplazamiento – Después de apagarse el motor pero antes de que el sistema de recuperación se despliegue. 3. Fase de recuperación – Después que el sistema de recuperación (paracaídas u otro) se despliega, el cohete vuelve a tierra de forma controlada. .

2. Cálculos

I. Fase de empuje: Durante esta fase el cohete se acelera hasta la velocidad máxima que puede alcanzar y comienza a ascender. Podemos calcular Vf y dT para la fase de empuje de la siguiente manera: A. Los motores se clasifican en términos de impulso de la siguiente manera:

1/4 A 0.000 - 0.625 1/2 A 0.625 – 1.250A 1.250 – 2.500B 2.500 – 5.000C 5.000 – 10.00

Código del motor Impulso (Ns)

Dado que el impulso es igual al cambio de momento, podemos calcular la velocidad máxima del cohete (en ausencia de fricción) de esta forma: Impulso = m • ∆V y puesto que Vo = 0 Impulso = m • Vf es decir... Vf = Impulso / mpro

Obsérvese que ya que el cohete modifica su masa durante la quema se usa la masa promedio. B. Los motores también se clasifican en términos de empuje. Por ejemplo, un motor A8 – 3 tiene un impulso de 1,25 a 2,5 Ns (esto es el A), un empuje medio de 8 N (el 8), y un tiempo de retraso de 3 segundos después de la quema hasta que se activa el sistema de recuperación por detonaciones. Para calcular la altitud al final de la fase de empuje (llamémosla dT) dT = Vpro • t (1) donde Vpro = Vf / 2 (2) y t = Impulso / Empuje (3) Haga que los estudiantes calculen (2), luego (3) seguido de (1). O pueden sustituir (2) y (3) en (1) para obtener dT = Impulso2 / 2 mpro • Empuje II. Fase de desplazamiento: Aquí el motor está apagado y el cohete se para poco a poco. Aquí entran las suposiciones. Seguimos sin tener en cuenta la fricción y suponemos que el cohete se desplaza hasta que se para bajo la influencia de la gravedad. Calculamos el tiempo de desplazamiento y luego la distancia que se recorre durante este tiempo de la siguiente forma: tc = Vf / g donde, por supuesto, g = 9.8 m/s2. Luego como antes. Un acercamiento alternativo a esta sección es considerar la conservación de la energía. Considerar que la energía cinética del cohete en el momento de apagarse el motor se convierte en energía potencial gravitatoria da 1/2 mpro • Vf = mpro • g • dc es decir. . . dc = Vf

2 / 2g III. Altitud total: Si se suman las dos distancias, se obtiene la altitud máxima estimada que puede alcanzar el cohete. dmax = dT + dc Se puede comentar con los alumnos como el arrastre afecta cada fase del vuelo y reduce la altitud máxima. Puede que se haya dado cuenta de que tampoco tengo en cuenta la reducción en el impulso debido la influencia de la gravedad durante la fase de empuje. Los valores numéricos son bastante reducidos/pequeños pero es posible que quiera incluirlos como factor adicional para dar más detalles. La hoja de cálculo que va adjunta a los motores mostrará el empuje real versus la curva de tiempo. También pueden tener en cuenta el efecto de las detonaciones para el despliegue del sistema de recuperación después de tan sólo 3 segundos de desplazamiento.

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