OBJETIVOS

Mis objetivos

Programación de Sensores:
- Integración de sensores y circuitos electrónicos en el cohete para medir temperatura, presión y altitud.
- Programación de los sensores utilizando la plataforma Arduino.
- Validación de la toma de datos.
Diseño y Construcción de Cohete Experimental:
- Creación de un modelo tridimensional del cohete utilizando herramientas tecnológicas de ingeniería.
- Análisis de la estabilidad del cohete en movimiento.
- Tareas específicas: a) Estudio de fundamentos físicos para garantizar control y comportamiento óptimo. b) Diseño y construcción considerando tamaño para albergar sensores, recuperación controlada, selección de combustible y uso de materiales reciclables.
Experimentos con Sensores y Combustible:
- Validación de cada parte diseñada para el cohete mediante experimentos.

Este proyecto se propone como un punto de partida para otros estudiantes, con el objetivo de enriquecer la experiencia educativa y servir como base para futuros proyectos.

Diseño del cohete

En el proceso de diseñar el cohete, se enfrentaron a dos limitaciones esenciales: la necesidad de asegurar un tamaño lo suficientemente amplio para albergar los sensores y circuitos electrónicos indispensables para el análisis ambiental, y la imperativa ligereza del artefacto, dictada por las opciones de combustible típicas disponibles para un estudiante de bachiller. Como criterio superior, se estipuló que el peso total no debía exceder un kilogramo. Cabe destacar que el cohete se divide en varias partes, cada una con un propósito específico:

Fuselaje: El cuerpo principal del cohete, generalmente fabricado en cartón. En este diseño particular, se recicló un tubo de cartón usado, que demostró ser lo suficientemente resistente y, al mismo tiempo, ligero.
Ojiva: La punta aerodinámica del cohete, crucial para reducir la resistencia del aire. La forma de esta ojiva puede variar, y en este proyecto se optó por una forma cónica debido a su simplicidad en la fabricación.
Paracaídas: Elemento necesario para disminuir la velocidad de aterrizaje del cohete. En este diseño, se seleccionó un paracaídas de forma esférica.
Cordón de Amarre: Mantiene unida la ojiva y el fuselaje. En este caso, el fuselaje se dividió en dos piezas, y el cordón de amarre las unió.
Aislante: Actúa como aislante térmico entre el motor y el sistema de recuperación del cohete. En este diseño, se empleó algodón mezclado con polvos de talco.
Retén: Tope del motor cohete que transmite el empuje al fuselaje. No fue necesario en este diseño específico debido a la configuración del motor cohete.
Adaptador: Ajusta el diámetro del fuselaje al diámetro del motor. En este caso, tampoco se requirió debido al diseño del motor cohete.
Aleta Inferior: Ubicada debajo del centro de gravedad, contribuye a mantener una trayectoria de vuelo estable después del lanzamiento. En este diseño, se eligió una aleta cruciforme con forma clipped delta por sus propiedades aerodinámicas y estabilidad en vuelo.
Motor Cohete: Impulsor del cohete que genera el empuje necesario para la elevación. La tobera, situada en uno de los extremos del motor, juega un papel crucial al dirigir los gases de salida y transformar la energía potencial del fluido en energía cinética.
Guía de Despegue: Utilizada para acoplar el cohete a la plataforma de lanzamiento, ayuda a guiar el cohete durante el despegue. En este proyecto, la plataforma diseñada prescindió de la guía de despegue.

Es relevante distinguir entre dos tipos de componentes dentro del cohete: aquellos fabricados manualmente, que poseen una menor relevancia y tolerancia, como el paracaídas, y las piezas diseñadas en tres dimensiones (3D), cruciales para la estabilidad y aerodinámica. La creación de estas piezas tridimensionales se llevó a cabo mediante el software Tinkercad, abarcando la ojiva, la aleta superior, la aleta inferior y la pieza de unión entre las partes superior e inferior. Este enfoque resalta la importancia de la precisión en las piezas tridimensionales para garantizar el rendimiento integral del cohete.

Diseño del combustible

El funcionamiento de un motor termoquímico se basa en una reacción redox, una oxidación-reducción donde se produce la transferencia de electrones. La especie que cede electrones se oxida, mientras que la que los acepta se reduce, y en estas reacciones se suele utilizar un catalizador para aumentar la velocidad.

Se emplean diferentes combustibles sólidos, como sorbitol, sacarosa, dextrosa y carbón azufre. El sorbitol presenta dificultades de ignición y menor impulso específico que el azúcar o la dextrosa. El carbón azufre tiene una velocidad de quemado elevada, pero su uso es restringido. El azúcar y la dextrosa son similares y cumplen los requisitos para un cohete experimental. Como oxidante se utiliza nitrato de potasio.

La relación óptima entre oxidante y combustible es 66/34, pero la más común es 65/35 por seguridad y menor velocidad de quemado. El motor termoquímico de este trabajo incluye nitrato de potasio como oxidante (65%), azúcar como combustible (35%), y óxido de hierro (III) como catalizador (1%). La reacción de combustión produce gases que generan presión para propulsar el cohete.

La elección de una sección cilíndrica para la cámara de combustión en la cohetería experimental se debe a su facilidad de fabricación y manejo en la introducción de la mezcla de combustible en el molde. Esta sección será utilizada en las pruebas de combustible en este trabajo.

Diseño Cansat

El Desafío CanSat es una iniciativa de la Agencia Espacial Europea que desafía a estudiantes de toda Europa a construir y lanzar un minisatélite del tamaño de una lata de refresco. Los participantes deben adaptar todos los subsistemas principales de un satélite, como energía, sensores y comunicación, dentro de este espacio reducido.

Para desarrollar el CanSat, se debió concebir un diseño que cumpliera con restricciones de peso y dimensiones establecidas por la Agencia Espacial Europea: peso por debajo de 300 gramos y altura no superior a 15 cm. Se eligió una estructura hexagonal para facilitar la disposición de los sensores, fabricada con una impresora 3D del instituto. El satélite incluye una batería, una placa Arduino Uno R3, un sistema de comunicación y varios sensores para medir temperatura, presión y altitud.

Pruebas del combustible

En el proceso de construcción del motor cohete, se llevaron a cabo varias pruebas para llegar al diseño final, buscando optimizar la preparación y lograr un cohete más potente que pudiera elevarse. Cada prueba implicó variaciones en la mezcla del combustible, compuesto por nitrato de potasio (oxidante), azúcar (combustible) y óxido de hierro (III) (catalizador), en proporciones específicas.

Prueba Primera:
- Se pulverizó el azúcar para facilitar la mezcla.
- Se utilizó un tubo de PVC con arena de gato para sellar la parte inferior y lograr estanqueidad.
- Se identificaron problemas como generación de carbonilla y duración prolongada de la combustión debido a una mezcla inadecuada.
- La tapa inferior no resistió la presión generada.
Segunda Prueba:
- Se implementó un nuevo diseño con una mezcla más cuidadosa.
- Se utilizó una lata de tónica y se redujo la compresión del combustible.
- Se logró mejorar la eficiencia del combustible y reducir la generación de carbonilla.
- La tapa superior no resistió la presión y se desprendió.
Tercera Prueba:
- Se usó la misma forma de lata, pero de tamaño diferente.
- Se mejoró la mezcla aumentando la cantidad de agua.
- A pesar de la reducción del tiempo de combustión, la lata no resistió la presión y temperatura, quedando destruida.
Cuarta Prueba:
- Se implementó con la misma lata de la segunda prueba y un proceso de mezclado más preciso.
- Se logró eliminar totalmente la carbonilla, mejorando el rendimiento del combustible.
- Aunque la tapa inferior también saltó, lo hizo mucho más tarde.

Cada prueba permitió ajustar la preparación del combustible y el diseño del motor, enfrentándose a desafíos como la resistencia de la lata y la duración de la combustión. La última prueba mostró mejoras significativas en la eficiencia del combustible, aunque se deben abordar problemas con la resistencia de la tapa inferior.

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