Caramelo cohete

El Rocket Candy , o R-Candy , es un tipo de propulsor para cohetes modelo hecho 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 el/los aditivo(s) (opcional(es). Antiguamente, la sacarosa era el combustible más utilizado. Las formulaciones modernas suelen usar sorbitol por su facilidad de producción. El oxidante más común es el nitrato de potasio (KNO₃ ₎ , un compuesto que se encuentra comúnmente en los removedores de tocones de árboles . Los aditivos pueden ser muchas sustancias diferentes y actúan como catalizadores o mejoran la estética del despegue o el vuelo. Una formulación tradicional de propulsor de azúcar se prepara típicamente con una proporción de oxidante a combustible de 65:35 (13:7). ^{[ 1 ]} Esta proporción puede variar de un combustible a otro según la velocidad de combustión, el momento y el uso.

Existen diversos métodos para preparar un propulsor de cohete a base de azúcar. La compresión en seco no requiere calentamiento; solo se necesita moler los componentes y luego introducirlos en el motor. Sin embargo, este método no se recomienda para experimentos serios, ya que la compresión en seco resulta menos saturada y puede ser peligrosa si se derrama del cohete. El calentamiento en seco no funde el KNO₃ _, sino el azúcar, y los gránulos de KNO₃ _quedan suspendidos en él. Como alternativa, el método de disolución y calentamiento consiste en disolver ambos elementos en agua y luego combinarlos hirviéndola hasta que el agua se evapore, creando así una mezcla más homogénea. ^{[ 2 ]}

El impulso y el empuje totales que proporciona la misma cantidad de combustible son generalmente menores que los de otros combustibles compuestos para cohetes modelo, pero el combustible para cohetes es significativamente más barato.

En Estados Unidos, los motores de cohetes de caramelo son legales para fabricar, pero ilegales para transportar sin un permiso para usuarios de explosivos de baja potencia. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Dado que se consideran motores de aficionados , normalmente se lanzan en lanzamientos de investigación autorizados por la Asociación de Cohetería de Trípoli, que requieren que los usuarios posean una certificación de nivel 2 de alta potencia de la Asociación de Cohetería de Trípoli ; sin embargo, siempre que la masa del motor se mantenga por debajo de 125 gramos, aún puede lanzarse sin una exención de vuelo de la FAA. ^{[ 5 ]}

Los componentes de un cohete se dividen en tres grupos principales: combustibles , oxidantes y aditivos. El combustible es la sustancia que arde, liberando gases que se expanden rápidamente y proporcionan el empuje al salir de la boquilla. El oxidante proporciona el oxígeno necesario para la combustión. Los aditivos pueden ser catalizadores, que aceleran o mejoran la eficiencia de la combustión. Sin embargo, algunos aditivos tienen una función más estética y pueden generar chispas y llamas para el despegue, o humo para facilitar el seguimiento del cohete en el aire.

Aditivos

A menudo se añaden aditivos a los propelentes de cohetes para modificar sus propiedades de combustión. Estos aditivos pueden utilizarse para aumentar o disminuir la velocidad de combustión del propelente. Algunos se emplean para alterar el color de la llama o el humo producido. También pueden utilizarse para modificar alguna propiedad física del propio propelente, como los plastificantes o tensioactivos, para facilitar el moldeo de la formulación. Existen muchos tipos de aditivos experimentales; los que se enumeran aquí son los más utilizados.

Se ha descubierto que los óxidos metálicos aumentan la velocidad de combustión de los propelentes de azúcar. Se ha comprobado que estos aditivos funcionan mejor en concentraciones del 1 al 5 por ciento. ^{[ 6 ]} Los óxidos de hierro son los más utilizados. El óxido de hierro rojo es el más común, ya que es algo más fácil de obtener que las versiones amarilla , marrón o negra . El óxido de hierro marrón presenta propiedades inusuales de aceleración de la velocidad de combustión bajo presión.

El carbono, en forma de carbón vegetal , negro de humo , grafito , etc., puede utilizarse, y a veces se utiliza, como combustible en formulaciones de azúcar. Sin embargo, lo más común es que se emplee una pequeña cantidad de carbono como opacificante, creando una estela de humo visible. El carbono actúa como disipador de calor, manteniendo parte del calor de la combustión en el propulsor en lugar de que se transfiera rápidamente a la carcasa del motor.

Si se utilizan combustibles metálicos como el aluminio o el magnesio en la formulación de azúcar, existe 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 considerablemente su peligro.

El titanio metálico en forma de escamas o esponja (de aproximadamente 20 mallas de tamaño) se suele añadir a las formulaciones de azúcar en niveles del 5 al 10% para producir una llama chispeante y humo al despegar. ^{[ 7 ]}

Los tensioactivos se utilizan para reducir la viscosidad de fusión de los propelentes de azúcar. Por ejemplo, el propilenglicol ayuda a reducir la viscosidad de fusión de los propelentes a base de sacarosa. ^{[ 6 ]}

Existen diversos métodos para preparar un propulsor de cohete a base de azúcar. Estos métodos incluyen la compresión en seco, el calentamiento en seco y la disolución seguida de calentamiento. Los dos últimos métodos implican calentar el propulsor.

En la compresión en seco, el azúcar y el nitrato de potasio se muelen individualmente hasta obtener una consistencia lo más fina posible y luego se mezclan en un molino de bolas o tambor para asegurar una mezcla homogénea de los componentes. Esta mezcla se comprime en el tubo del motor, de forma similar al método utilizado para cargar pólvora negra en un rifle de avancarga. Sin embargo, este método rara vez se emplea en experimentos serios, por lo que se deben considerar cuidadosamente las medidas de seguridad antes de utilizarlo.

Otro método más común y seguro para preparar un propulsor de cohete a base de azúcar es el calentamiento en seco. Primero, el nitrato de potasio se muele hasta obtener un polvo fino y luego se mezcla completamente con azúcar en polvo, que posteriormente se calienta. Este método no funde el nitrato de potasio, ya que su punto de fusión es de 323 °C (613 °F) , sino que funde el azúcar y recubre los gránulos de KNO₃ _{con el azúcar fundido. Rick Maschek, del proyecto} Sugar Shot to Space, utilizó una alternativa a este método . En este caso, no muele el nitrato de potasio hasta convertirlo en polvo _, lo que resulta en una viscosidad lo suficientemente baja como para que la solución sea vertible al usar sorbitol como combustible para moldear los gránulos. El proceso de fusión debe realizarse con un difusor de calor para evitar la creación de puntos calientes de autoignición.  

James Yawn aboga por el método de disolución y calentamiento. ^{[ 9 ]} Disolver y calentar el propelente disuelve ambos elementos y los combina. Primero, el KNO ₃ y el azúcar se colocan en una olla o cacerola. Luego, se agrega la cantidad justa de agua para disolver completamente el KNO ₃ y el azúcar. La mezcla se calienta y se lleva a ebullición hasta que el agua se evapora. La mezcla pasa por varias etapas: primero hierve, luego burbujea y chisporrotea, y finalmente su consistencia se vuelve suave y cremosa. Existen varias ventajas al disolver el azúcar y el KNO ₃ en agua antes de calentar. ^{[ 2 ]} Una ventaja es que el KNO ₃ y el azúcar no tienen que estar finamente pulverizados, ya que ambos terminan completamente disueltos. También se puede preparar a una temperatura más baja y requiere menos agitación. Este método de preparación también hace que el propelente resultante resista la caramelización en la olla, lo que da más tiempo para compactarlo en los motores. Una posible desventaja es que el propelente resultante es un poco más espeso (más viscoso). La mezcla no se puede verter fácilmente y requiere ser colocada en un molde; además, nunca tendrá la misma fluidez que la obtenida mediante el método de calentamiento en seco.

Los propelentes para cohetes a base de azúcar tienen un impulso específico ( _Isp ) promedio de entre 114 y 130 segundos. Compárese con el _Isp promedio de un propelente compuesto de perclorato de amonio ( APCP ), que es de 180 a 260 segundos. Los propelentes a base de sorbitol y KNO₃ _con una proporción típica de 35:65 son capaces de alcanzar un _Isp de entre 110 y 125 segundos. Sin embargo, se han registrado impulsos específicos de hasta 128 segundos en cohetes de sorbitol y KNO₃ _{con aditivos.} ^{[ 7 ]}

Los propulsores para cohetes a base de xilitol y KNO₃ _son capaces de generar un impulso específico de aproximadamente 100 segundos. Estos tienen una velocidad de combustión sin confinamiento de aproximadamente 1,3  mm/s. Los combustibles a base de dextrosa y KNO₃ _son capaces de generar un _Isp de 137 segundos. ^{[ 10 ]} En general, las características de rendimiento de los cohetes de azúcar se aproximan a las de los propulsores de grado profesional.

El propulsor para cohetes también se conoce ocasionalmente como "caramelo", un término popularizado por Bertrand R. Brinley en su libro sobre cohetería amateur , Rocket Manual for Amateurs , publicado en 1960. Este propulsor se utilizó en algunos de los cohetes amateur descritos por Homer Hickam en sus exitosas memorias Rocket Boys .

El propulsor Rocket Candy también se utilizó en un pequeño cohete amateur descrito por el teniente coronel Charles M. Parkin en un extenso artículo de Electronics Illustrated que se publicó en varios números, a partir de julio de 1958. Parkin describió cómo preparar la mezcla propulsora utilizando una sartén eléctrica como fuente de calor para la fusión. Este artículo se reimprimió en el libro de Parkin, The Rocket Handbook for Amateurs , publicado en 1959. El artículo de Parkin contribuyó a la creciente popularidad del propulsor Rocket Candy entre los grupos de cohetería amateur a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960.

Los cohetes propulsados ​​por azúcar se han utilizado como armas de guerra rudimentarias, como durante los ataques de Hamás contra Israel entre 2000 y 2003. ^{[ 11 ]}

El programa Sugar Shot to Space (SS2S) se formó con el objetivo de "lanzar un cohete impulsado por un 'propelente de azúcar' al espacio" ^{[ 12 ]} equivalente a 100 kilómetros (62 mi) de altitud. Se esperaba que el cohete Double Sugar Shot alcanzara los 33 kilómetros (21 mi) , o un tercio de la altitud objetivo. ^{[ 12 ]} El primer cohete Mini Sugar Shot , un prototipo de motor de diseño de doble pulso de una sola etapa del cohete Extreme Sugar Shot , alcanzó una altitud de 4 kilómetros (2,5 mi) antes de que ocurriera una falla catastrófica del motor; Se perdió el contacto con el segundo cohete Mini Sugar Shot a una altitud de casi 6 kilómetros (3,7 millas) a más de Mach 1. En 2017, Rick Maschek y Chris Covany del equipo SS2S lanzaron con éxito su cohete de 150 mm propulsado por nitrato de potasio y sorbitol a más de Mach 2,5, y ese mismo año Rick y Eric Beckner del equipo SS2S realizaron la primera de dos pruebas estáticas exitosas de motores KNSB de 300 mm, los motores de "azúcar" más grandes jamás fabricados, en las instalaciones de Friends of Amateur Rocketry (FAR), demostrando que se podían fabricar grandes motores de "azúcar". El cohete Extreme Sugar Shot , ahora planeado como un diseño de cohete convencional de dos etapas y con la expectativa de alcanzar el objetivo de entrar en el espacio, aún no se ha completado. ^{[ 12 ]}    

Debido a su rendimiento relativamente bajo, los cohetes de azúcar no suelen utilizarse en formatos profesionales; sin embargo, son una opción popular entre los aficionados porque son relativamente seguros y fáciles de producir, ya que tanto el azúcar como el nitrato de potasio están fácilmente disponibles, como productos alimenticios y removedor de tocones de árboles , respectivamente.

• Motor cohete de pólvora negra
• Un chorro de azúcar al espacio

• Página web de cohetería amateur en español, que muestra cohetes y motores de cohetes hechos con sorbitol (caramelo).
• Sitio web de cohetería experimental de Richard Nakka .
• Cohetería recristalizada