Actualmente existe propuestas interesantes con respecto a una revolución en la manera de operar cohetes espaciales, sin embargo, en México no se está desarrollando tecnología de este tipo. Por ello es importante motivar a estudiantes interesados en adentrarse a esta parte de la ingeniería

1. 20 de junio de 2017
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
DHTIC
Cohete de Combustible Sólido
Facultad de Ciencias de la Electrónica
VERANO 2017
Alumnos:
David Razhiel Ceres Arroyo
Rafael Ventura Román
Profesor:
Alinne Michelle Sánchez Tomay

2. Introducción
Como parte del reporte se dará una explicación del tipo de motor que se utiliza en
los cohetes y a su vez el cómo están conformados éstos.
Para empezar, debemos ver que para el cohete se usa un motor, que es el que
impulsa a éste para salir volando, entonces la cuestión es saber qué tipo de motor
es el que usamos. Los motores térmicos, que son los que se usan para generar
algún trabajo en específico, los podemos clasificar en dos: Motores de combustión
externa y los Motores de combustión interna. Para nuestro caso, nos enfocaremos
a los motores de combustión interna.
Motores de Combustión interna:
En este tipo de motores son los propios reactantes y posteriormente gases de la
combustión los que constituyen el fluido motor. Al sufrir transformaciones físico-
químicas, el fluido motor no podrá evolucionar según un ciclo cerrado, dado que no
puede retornar a su estado inicial. Sin embargo, dado que el fluido si experimenta
una secuencia de procesos que se repiten en el tiempo, su evolución podrá
asimilarse a un ciclo termodinámico, que se denominará ciclo abierto, el cual incluye
un proceso de admisión de aire fresco y combustible, así como un proceso de
escape de los productos de la combustión, una vez que han cedido buena parte de
su energía térmica, transformándola en par-motor. Por otra parte, el ciclo
termodinámico básico incluye los procesos de compresión del fluido-motor,
determinante para la obtención de un elevado rendimiento, combustión y expansión.
A los motores de combustión interna, también se les denomina motores adiabáticos
porque, en principio el fluido de trabajo no tiene porqué intercambiar calor con
ningún otro fluido en el interior del motor.
A su vez los Motores de Combustión interna se pueden subdividir en tres: Motores
Alternativos, Motores Rotativos y Motores de Reacción. Tampoco se verán todos ya
que, sólo nos interesa de un tipo, los Motores de Reacción se subdividen en
Cohetes y Aerorreactores.
Motores de Reacción:
Los gases de la combustión transforman parte de su energía térmica en mecánica,
pero ésta no se manifiesta en forma de motor en un eje, sino en forma de energía
cinética, obteniéndose una propulsión por chorro debido a su expansión en una
tobera.
Motores Cohete:
La energía primaria del combustible que utilizan se libera mediante una reacción
química que no precisa el aporte de oxígeno desde el exterior.
Para resumir todo, se pondrá un esquema de los tipos de motores:

3. Una vez aclarado esto, podemos empezar a definir las partes de un cohete. La
estabilidad es esencial para el cohete, ya que de ésta depende si el cohete sigue
una trayectoria recta, ésta es entendida como una propiedad del sistema que en
presencia de una perturbación no pierde su correcto comportamiento y para lograr
dicha estabilidad se debe garantizar que el centro de presiones (CP) permanezca
por debajo del centro de gravedad (CG) como se muestra en la figura 2.
Figura 1. Clasificación de los motores Térmicos

4. Fuselaje: Es el cuerpo del cohete, es posible construir fuselajes en cartón, PVC o
aluminio, debido principalmente a su bajo peso y su aceptable resistencia. La forma
cilíndrica es estructuralmente eficiente ya que redistribuye la carga uniformemente
evitando nodos de fallas. Para las dimensiones del cohete se usa la fórmula:
𝐿
𝐷
< 15
Dónde L es la longitud del fuselaje y D es el diámetro de éste, si cumplen esta
condición, entonces a pesar de las presiones que se ejercerán en éste, no habrá
fracturas en el cuerpo.
Nariz: Esta parte permite al cohete un buen desempeño aerodinámico durante en
vuelo, disminuyendo la resistencia al avance y logrando mayores alturas.
Los principales perfiles pueden asociarse a:
Los objetos redondos experimentan una resistencia aerodinámica media (ver figura
3a).
Los perfiles aerodinámicos minimizan la resistencia aerodinámica (ver figura 3b).
Los objetos planos con arista marcada, experimenta una elevada resistencia al
avance (ver figura 3c).
Figura 2 a) Posición del centro de gravedad para un Comportamiento estable
b) Posición del centro de gravedad para un Comportamiento inestable.

5. Existen distintos tipos de narices (ver figura 4) según la velocidad máxima que
alcanza el cohete, y combinado con esto es la selección de un perfil que proporcione
el menor coeficiente de resistencia al avance (ver tabla 1)
Tipos de Narices, según su forma Coeficiente de resistencia
(sin fricción)
Cónicas 0.667
Ojivales 0.446
Parábolas 0.5
Elípticas 0.333
Aletas: Son las encargadas de proporcionar estabilidad al cohete variando el centro
de presiones y facilitándole un desempeño aerodinámico en vuelo.
En un cohete se pueden ubicar 3, 4 o más aletas. Entre mayor sea el numero de
aletas, menor la altura que alcanzará, porque al tener mayor superficie, la
resistencia del aire al paso del mismo será mayor a la de un cohete con menor
superficie. En caso que el cohete esté diseñado para alcanzar grandes
aceleraciones, velocidades y alturas, es recomendable el uso de cuatro o más para
estabilizarlo.
Existen cuatro tipos de aletas: trapezoidales, cuadradas, delta y triangular, en
nuestro caso se usaron las trapezoidales.
Motor cohete: Es el que la dará la propulsión al cohete, para nuestro caso se usó el
tipo Candy, pero secó, sin cocinarse, ya que fue mucho más fácil realizarlo por el
coste de los componentes y el proceso para poder juntar todo. En éste combustible
los componentes iniciales fueron el Nitrato de Potasio y Azúcar glass. La mezcla en
sí debe llevar 65% de Nitrato de Potasi y 35% de Azúcar glass.
Por último, veremos cómo es el ciclo de un cohete:
a b c
Figura 3. a. Perfil esférico. b. Perfil aerodinámico. c. Perfil plano
Figura 4. Tipos de narices
Tabla 1. Coeficientes de fricción de las narices

6. Para poder entender un poco más el ciclo, y ver alguna semejanza, se presentará
el ciclo de Brayton, y se explicará muy brevemente éste, ya que se puede asemejar
al ciclo del cohete, en sí más a un ciclo de motor de reacción, que como se vio
anteriormente es a la clasificación que corresponde un cohete.
El ciclo de Brayton ideal se define como por cuatro procesos reversibles:
• 1-2 Compresión adiabática del estado 1 al 2
• 2-3 Adición de calor a presión constante
• 3-4 Expansión adiabática
• 4-1 Rechazo de calor a presión constante para llegar al estado 1
La figura 5 muestra los diagramas PV y TS:
Para un cohete, es ligeramente diferente, ya que es en realidad no es un ciclo como
se vio al principio, sino un proceso abierto, su “ciclo” entonces sólo se conforma de
dos procesos, una que es el quemado del combustible a presión constante, para
finalizar con la expansión de éstos de forma adiabática. Para éste caso el trabajo
disponible para impulsar el cohete es el área a la izquierda de la curva de la gráfica
PV y el calor agregado es el área bajo la curva de la gráfica TS. Ambas gráficas en
la figura 6.
Figura 5. Ciclo de Brayton
Figura 6. Ciclo de un Cohete ideal

7. Elaboración:
Para la elaboración, de nuestro cohete, lo que hicimos fue el fuselaje hacerlo de
PVC por el coste y la fácil adquisición de éste. En el caso de la nariz se usó una
copa de plástico lijada, de tal forma que quedara en forma parabólica y disminuir la
resistencia del aire. Las aletas como se mencionó anteriormente fueron en forma
trapezoidales y 4, y de cartoncillo, tratando de disminuir el peso del cohete.
El motor, que fue lo esencial, y para lo que se mostró mayor interés se hizo con
Nitrato de Potasio y azúcar glass mezclados y puesto a presión en el “cuerpo” del
motor. Así mismo para sellar dicho cohete se usó arena de gato molida y
comprimida. Se le agregó un “delay” al motor, que posteriormente accionaría una
segunda carga y así liberar un paracaídas y evitar que se rompiera éste. El “delay”
está conformado por la mezcla del motor, y a su vez polvo para hornear; por cada
20 gr de la mezcla del motor, se le agrega 3 de polvo para hornear. Y para el caso
de nuestro cohete, que el motor tiene un diámetro ¾’’ por cada 1/16 de pulgadas es
un segundo que tarda la mezcla en quemarse, se pusieron 5/16, por lo que se
espera un retardo de 5 segundos para después accionar el paracaídas.
A continuación, se muestra evidencia del material que se ocupó, como el momento
en que finalmente se construyó el cohete:

8. Resultados
Una vez terminado el cohete, lo único que faltaba era probarlo, por lo que realizamos
dicha prueba en un terreno amplio, que nos permitiese ver el despegue del cohete,
así como también tener las medidas necesarias de seguridad y no generar ningún
inconveniente. Teniendo en cuenta esto, procedimos a encenderlo, colocándole una
mecha, pues evidentemente era necesaria para que tener el tiempo necesario de
alejarnos y observar con atención.
Sin embargo, al momento de encenderlo, nuestro cohete tuvo un poco más de
retraso de lo normal, por lo que llegamos a pensar que tal vez no funcionaría, pero
la hipótesis fue incierta, ya que después de un determinado tiempo, el cohete se
elevó, por otro lado, es importante mencionar que lamentablemente tuvo una altitud
de aproximadamente 8 metros, al observar esto, el resultado final fue que el cohete
no alcanzó la altura deseada, pues el factor del peso nos jugó en contra, ya que el
tubo PVC era un poco pesado, lo cual interfirió con el elevamiento, por ello
consideramos que fue el principal factor pues la combustión y el proceso que llevaba
nuestro combustible sirvió a la perfección, por lo tanto lo único que se necesitaba
era crear el cuerpo con un material más ligero.
Discusión
Por último, el equipo debatió sobre lo que, sucedido con el cohete, pues esta
práctica propuso un acercamiento al funcionamiento de un cohete sencillo, el cual
solo busca la motivación de los estudiantes por la aplicación de la termodinámica
en la tecnología aeroespacial u otras áreas.
Actualmente existe propuestas interesantes con respecto a una revolución en la
manera de operar cohetes espaciales, sin embargo, en México no se está
desarrollando tecnología de este tipo. Por ello es importante motivar a estudiantes
interesados en adentrarse a esta parte de la ingeniería.
También es necesario que al momento de realizar un proyecto en general, se tengan
en cuenta todos los factores que influyen en el funcionamiento de lo que se plantea
realizar, ya que todo juega un papel importante.
A continuación, se mostrará una pequeña presentación dinámica.

9. Referencias Bibliográficas
1. http://www.braeunig.us/space/index.htm
2. https://books.google.com.mx/books?hl=es&lr=&id=2nyDsGkPqocC&oi=fnd&
pg=PR11&dq=rocket+and+space+&ots=fXBBay1aVd&sig=2KdQt_OtMqKm
FqULlZ6ghvafwsw&redir_esc=y#v=onepage&q=rocket%20and%20space&f
=false
3. https://books.google.com.mx/books?hl=es&lr=&id=eszSE5VGvuMC&oi=fnd
&pg=PR9&dq=rocket+and+space&ots=Xz85nzK60I&sig=tO6cmTa4Gpt9e8
Mli6ZnhFepRMM&redir_esc=y#v=onepage&q=rocket%20and%20space&f=f
alse
4. Dick, E., Bulgheroni, J., Crespo, R., Padula, J., Runstein, E., & Urdiain, L.
(1989). La propulsion de cohetes y misiles. Technical Report 685, CITEFA,
Bs As, Argentina.
5. Escorcia, M. (2011). Estudio dinámico de los parámetros generales de
rendimiento en un motor cohete de propulsión iónica mediante el lenguaje
computacional de tipo M (Doctoral dissertation, Tesis de grado Libertadores).
6. Sutton, G. P., & Biblarz, O. (2017). Rocket propulsión elements. John Wiley
& Sons.
7. Hill, P. G., & Peterson, C. R. (1992). Mechanics and thermodynamics of
propulsion. Reading, MA, Addison Wesley Publishing Co., 1992, 764 p., 1.
Fecha de Consulta: 10/Junio/2017

10. BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEPUEBLA
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA
Desarrollo de Habilidades en el uso de la Tecnología, la Información y
la Comunicación
Ensayo Final
Integrantes del Equipo:● Ceres Arroyo David Razhiel● Rafael Ventura
Roman
Mtra. Alinne Michelle Sanchez Tomay

15. • No existe fricción que impida el flujo de los productos de escape.

17. El flujo a través de la tobera es
unidimensional y no rotacional.

18. • La velocidad, presión y densidad del flujo es uniforme a lo largo de
cualquier sección normal al eje de la tobera.

19. El equilibrio químico es establecido en
la cámara de combustión y no varia en
su flujo a través de la tobera. Esto se
conoce como condiciones de
"equilibro congelado".