Motor Híbrido GA-HRM-I-100

Tecnología Híbridos
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Desarrollo del primer motor híbrido de los Artax - Por Jorge Navesnik

Bueno despues de algún tiempo estudiando, analizando, calculando, desarrollando, investigando y finalmente diseñando, les presento el resultado de este esfuerzo.

Se trata de un pequeño motor híbrido, contemplado desde el vamos con un objetivo, que vuele.

Para ello, y con los primeros análisis, informaciones y cálculos, comencé con un diseño muy básico, y en la medida en que me iba poniendo canchero, y analizando diferentes alternativas, el diseño original se fue revisionando, hasta llegar al diseño actual. El diseño original fue revisionado ya 5 veces, en los cuales no solo se fue analizando y calculando el mismo motor, sino que lo que se intento hacer, fue la de armonizar en todo sentido el motor, con procesos de fabricación, construcción, y funcionamiento, tratando de minimizar el número de piezas, con el fin de poder disponer de un motor funcional, sencillo de operar, seguro, y principalmente confiable.

Claro que muchas de estas variables se irán transformando y por supuesto se irán revisionando nuevamente en la medida que el proceso de construcción avance, y que los ensayos correspondientes y obligatoriamente necesarios, se vayan llevando a cabo.

En cuanto a avances, les cuento que un primer ensayo se realizó para la fabricación del tanque de NOX, que consistió en repujar una porción de tubo de las mismas características a ser utilizado para la fabricación del tanque definitivo. La técnica de repujado, es bastante sencilla, pero requiere de un dispositivo específicamente fabricado para tal fin, se requiere de un torno mas o menos de buenas dimensiones y finalmente de un soplete de oxi-acetileno, para calentar la pieza a repujar.

El primer ensayo entonces fue muy positivo, ya que se logro realizar dicho repujado, en el tubo de 40 mm de diámetro, con un dispositivo que actualmente se utiliza para el repujado de vainas de termocuplas hasta 33 mm de diámetro.

Otro avance que se ha hecho, es la fabricación de la válvula principal de todo el sistema, que hace las veces de válvula de carga y válvula de admisión de NOX para el conjunto motor. Luego subo fotos. Esta válvula de diseño muy similar a la utilizada por Aerotech en sus motores híbridos comerciales, se encuentra a la espera de realizar una serie de ensayos para comprobar su comportamiento sometida a presiones variables. Luego se completará el propio diseño, con la adición de una válvula de seguridad de disco de ruptura, y se realizarán ensayos para encontrar los materiales y las presiones admisibles para todo el conjunto, contemplando una sobrepresión en el tanque de unos 5-6 MPa, la función de esta válvula es la de romperse ante una elevada presión, y aliviar dicha presión, vaciando el contenido del tanque.

Por el momento tan solo eso, además del adjunto que agrego aquí abajo, en el encontrarán un despiece de todo el conjunto motor, detalles técnicos del mismo, y algunas imágenes de una futura integración.

Luego les seguiré contando en cuanto tenga mas resultados de los avances.

Abrazo
Motor_HRM-GA.pdf (546 KB)

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Se me paso algunos comentarios.

Este motor esta previsto que utiliza la combinación de propelente de Parafina y NOX (mil gracias Alex), con datos proporcionados por Alexander Belokurov (nuevamente mil gracias).

Quizás esta primera configuración sea algo osada para un principiante como yo, pero estimo que teniendo el soporte de gente que esta en el tema desde hace un tiempo, y con los ensayos correspondientes, creo poder llegar al objetivo deseado propuesto en el diseño actual.

Abrazo
Jorge Navesnik

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Subo las imágenes del prototipo de la válvula.

Y aquí les paso unas imágenes que encontré por la net, para visualizar el proceso de repujado.



En este caso se puede visualizar todo el proceso de fabricación de un cilindro de gas.

Espero sea ilustrativo.

Abrazo

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Jorge,

Desde ya, el mayor de los exitos con éste proyecto! :wink:

En base a lo que mandaste de la hechura del tanque… te consulto:

  • Que espesor tiene el tubo? Cuantos BAR’s o KG/CM2 debería soportar?

  • Cuál es el diám máximo y el largo de un tubo que uds. podrían llegar a fabricar con éste proceso? Hay alguna remota posibilidad de encargarles uno?

Y a nivel del diseño del motor, un par de comentarios simplemente de carácter constructivo (en los dos sentidos de la palabra!) :smartass:

  1. Porqué decidiste arrancar con un diseño de grano e inyector tan complejos (multiport y multigarganta), que a la larga te van a complicar la vida para caracterizar el motor y estudiar su rendimiento?

  2. Cuál será la previsión de seguridad respecto al llenado del tanque de N2O? Simplemente por peso? No veo ningún sistema de purgue en el tanque… Hay una relación directa entre el márgen de seguridad que requieren los tubos (tanques) de N2O con sistema de pre-llenado de los mismos (como aparenta ser tambien éste motor), respecto a los tanques de vuelo del tipo llenado-purgue-disparo en una sola secuencia similares a los de Aerotech que mencionaste como referencia.

  3. Porqué optaste por utilizar la tobera de acero? Por lo que veo en la simulación teórica de la curva del motor, tenés expectativas de un encendido a máxima potencia de unos 4 segundos. Por simple experiencia práctica (supongo que habrás leído los ensayos que hicimos con nuestro híbrido al respecto…) el acero no aguanta la temperatura de ésta clase de motores y debe ser reemplazada por materiales más acordes, ya sean cerámicos o de grafito.

  4. No hay ninguna mención a la aislación o inhibición térmica de la cámara de combustión. Que tenés pensado al respecto?

En nuestro caso particular del desarrollo del motor híbrido, el hecho de resolver c/u de las 4 preguntas que te planteé acá arriba nos hizo avanzar significativamente en la resolución práctica y funcionamiento exitoso del motor. Espero que lo interpretes de la misma forma!

Reitero mi sincero deseo de poder ver próximamente éste motor en funcionamiento! Se vé endiabladamente lindo y más aún con el nivel de profesionalidad que ya nos tenés acostumbrado con tus gráficos y diseños! :wink:

Abrazo,

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Gracias gente por el estímulo.

Guille: Viste vos, hasta que uno no ve lo que implica fabricar una cosa de esas, no se da cuenta del laburo que lleva hacer y que funcione. Tampoco imagine que fuera un proceso tan complejo, y de seguro habra otro tanto que de seguro nunca sabremos.

Emi: Si, la máquina lo que hace en este caso es fijar el tubo cilíndrico en unas mordazas similares a la de un torno, se caliente el extremo a trabajar, y luego el dispositivo (el de la rueda) pasa por el extremo ya al rojo vivo, y deforma el tubo cilíndrico para darle la forma redondeada. Pero ojo, esta foto la levante de la net, no tengo esta máquina disponible, el laburo que se hace aqui en planta se realiza con un torno, un soplete de Ox-Acetileno, y un dispositivo sencillo fijo al carro del torno y con un pivote y manija, que se utiliza para darle la forma al tubo.

Marce H.: El tubo que yo estoy utilizando para hacer las pruebas, va a ser el mismo tubo que utilizare para confeccionar el o los tanques para este diseño. El tubo es de 40 mm de diámetro exterior, 1.5 mm de espesor de pared, en AISI 304 con costura. Con respecto a cuanto aguanta, bueno haciendo un cálculo rápido con el Casing de Nakka, y factor de seguridad de 2, me dá una presión de diseño de 8 MPa, y una presión de rotura en los 35 MPa, osea un pedazo, espero trabajar en el orden de los 4-5 MPa de presión dentro del cilindro, así que tengo paño. Es más, existe la posibilidad (claro después de hacer algunos ensayos más) de hacer este tanque, con 0.7 mm de pared.

De momento estoy limitado en el diámetro, ya que el torno mas grande que tenemos en planta, tiene un pasaje de barra de 2" (50.8 mm) siendo así, el largo puede ser el que quieras, claro que si quieres un tanque de 6 mts de largo, va a dar algo de laburo, pero se puede hacer. El problema también lo tengo actualmente con el dispositivo, ya que como les conté antes, el dispositivo esta preparado para tubos hasta 33.4 mm, lo que en sí no implica que no se pueda hacer con un tubo mas grande, probamos con el tubo de 40 mm, y después de un poco de juego de muñeca y habilidad, se pudo hacer, pero no aseguraría hacerlo ya para el de 50.8 mm, porque allí ya me quedo chico el ruleman que es el que hace todo el trabajo de deformación del tubo. Pero tengo previsto ponerme a hacer un dispositivo para tubos de mayor diámetro.

En cuanto a hacer un cilindro por encargo, en principio no habría problema, siempre y cuando no sea (de momento) de un diámetro mayor al de 50.8 mm.

Con respecto al diseño:

  1. Si realmente resulta complejo (no imposible), incluso el cálculo del mismo lo fue. El tema es que partí de ciertos requisitos de diseño bastantes específicos, como ser un Favg: 120N, T: 5s, y dimensiones físicas para ser utilizado en un cohete ya construido, así que el diseño fue acomodándose según estas exigencias, y por ello quedó lo que quedó, si es que hice bien la tarea. El hecho es que al usar mas ports o canales como le dice Alex, reduzco el largo del grano, y al hacer esto, la cantidad de oxidante necesario es mayor y mejor distribuido, por lo que el diseño obligó a utilizar 4 inyectores para el oxidante. Igualmente este planteo inicial puede y debe varias necesariamente a medida que se vaya acomodando con los ensayos, construcción y puesta a punto. En la fase inicial de los ensayos funcionales, tengo previsto utilizar grano con un solo port, y reducir la cantidad de inyectores. Esto gracias al diseño bastante flexible que permite hacer cambios de configuración, sin mayores inconvenientes.

  2. Si tal cual, analizando el diseño de Aerotech, también me estudie el proceso de llenado. Ellos no utilizan purga, simplemente purgan todo el circuito de llenado previo a la carga. La idea es usar el mismo procedimiento, osea enfriar el tanque, purgar, llenar mientras se pesa en la balanza.

  3. El tema de la tobera aún es un tema en estudio, ya que como aún no es un tema que definí definitivamente, por el momento es de inox, para el cálculo de pesos y simulaciones. Desde ya que al funcionar el motor por 5 segundos (si todo sale bien) la tobera no aguantará, así que aún es un tema a definir. Entre las opciones que estoy analizando esta hacerla de Grafito, incluirle un inserto cerámico en la garganta, o en su defecto enfriarla, pero este último, implica agregar peso a todo el conjunto.

  4. En cuanto a la inhibición, es también un tema a analizar cuando todo este en funcionamiento, pero pensaba usar el viejo y querido papel, en un inhibidor de 1 mm de pared, simil a los utilizados con los candy, y con la técnica de la cartapesta. En ensayos efectuados por Alex, esta inhibición le dio resultados positivos, así que por que no, utilizarla también.

Aclaración final:

Lo que he presentado aquí como un diseño de un motor híbrido, es mas que nada una expresión de deseo, de allí a lo concreto aún queda mucho trecho por recorrer, y que seguramente este planteo inicial sufrirá necesariamente deformaciones, para ajustar y finalmente optimizar dicho diseño. Pasa con todo, y le pasa a todos, cuando se comienza con un diseño de un sistema al cual se le exigirá un trabajo importante como el que pretendemos que haga, y cumpla no solo con los requisitos planteados, sino también que se comporte como uno desea, irremediablemente, dicho diseño esta permanentemente en estudio, por lo que las reformas, modificaciones y ajustes, dejarán un producto final, muy diferente quizás al planteado inicialmente. Esto resultado del estudio del diseño, optimizar el diseño y a su vez y muy entrelazado con ello el proceso de producción o fabricación, junto con su funcionalidad.

Abrazo grande, y gracias por preguntar.

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[quote user=“je_navesnik” post=“18975”]Se me paso algunos comentarios.
Quizás esta primera configuración sea algo osada para un principiante como yo, pero estimo que teniendo el soporte de gente que esta en el tema desde hace un tiempo, y con los ensayos correspondientes, creo poder llegar al objetivo deseado propuesto en el diseño actual.

Abrazo[/quote]

Jorge!
Estudie con la atencion tu nota del proyecto de un cohete hibrido. Si me permites podria hacerte un par de comentarios.

  1. Es muy bueno que estaras diseñando no un SOLO MOTOR sino un COHETE DE PROPULSION HIBRIDA. Esto te va a permitir tomar problemas como un conjunto para llegar al destino final.
  2. El diseño de motor tiene su prototipo a un motor de Aerotek. No veo porque no. El conjunto de inyectores&cargador esta aprobado por un diseño comercial entonces va a funcionar. Sin embargo tendrias que optimizar tu propio (diseño) a la infraestructura y materiales disponibles. Tambien acomodarlo “de la tactica a la practica” de un cohetero practico y no de un consumista de mercado. Si lo podras enriquecer (el diseño) con el grano de parafina este terminara como un motor bien poderoso. Vale la pena para probar.
  3. Al leer ya algunos comentarios te anoto:
    a - a pesar que el tanque tendra una valvula para purgar la manguera y el mismo tanque tal vez valdria la pena prediseñar otra valvula de drenaje del tanque (en la tapa delantera) ya cargado, instalado al motor y luego a la bahia de fuselage. En condiciones de calida clima de Bs. As seria mejor tener un sistema de drenaje para seguridad (contra una situacion que viene por la ley de Murfi).
    b - no veo necesidad alguna ir a construir un sistema de carga con el control remoto… El NOx es un gas comprimido comun entre otros gases… Lo usan diariamente en muchas aplicaciones en laboratorios y clinicas. Perfectamente manejable pero… sin demasiado familiar. Lo mejor seria tener todo el sistema de mangueras de calidad y blindada. Con acoples de marca (Swagelok seria mejor) y valvula de purgar. Que sea menos longitud posible. Para esta cantidad de NOx el mejor manera de controlar la carga sera por el peso… Usar guantes de goma, botines, anteojos, delantal o mameluco. Despues de entrenamiento logras un procedimiento bien seguro y controlado. No olvides que despues de cargar tenias igual acoplar el tanke a la camara con manos. Y luego con todo cuidado instalar el motor hacia a bahia del cohete. Asi que la unica manera es hacer todo bien controlado y sin acciones no proporcionales. Con sangre bien fria y corazon controlado :mrgreen: .
    c - la tobera de acero va, pero con insertos de grafito. Ademas el diseño del bloque de la tobera como conjunto de partes div_con+seccion critica con insertos te haya permitido optimizar la presion en camara durante ensayos. Tengo en mi diseño de mini HRM toberas de acero. Y motores han funcionado hasta 8 s sin algun daño.
    d - tampoco haria falta tener una termoaislacion de la camara a parte del inhibitor del grano. Si hubiera sido un vaso de carton 1-2 mm seria suficiente.
    e - fabricar el grano de parafina de la geometria presentada no es tan complicado, como se vean de afuera. Con una varilla de madera calentada con “heat gan” se puede hacer cualquier tipo y numero de canales. Incluido “gear or star form”.
    Respecto del cohete es que por ahora no esta aclarado ni materiales ni tecnologias no puedo comentar nada. Pero supongo que hisiste un calculo de estbilidad y prediccion del vuelo previa. Luego podrian correguir los datos.
    De todos modos te deseo buen trabajo y ganas de llegar a ver tu obra en vuelo. Como siempre no dudes mandarme cualquier pregunta. :laughing:

Alex Belokurov

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Gracias Fafa, Riki y Tochi.

Tochi, hay algunas cositas que quisiera ver con vos, uno es el tema del rolado de la chapa, así veo en cuanto se pueda, de hacer un ensayo con un tubo de pared mas fina. Además quiciera mangearte un pedazo del tubo de 40 mm de Aluminio, para ver si se puede llegar a hacer la misma cosa.

Alex:

Gracias, en esto te considero uno de mis profesores, así que los comentarios de los maestros, siempre son muy bien venidos. Respondiendo a tus comentarios:

  1. Tal cual Alex, desde un comienzo, lo pensé en ese sentido, ya que al adaptar el motor a un cohete ya funcional, plantea una serie de requisitos iniciales, que acompañan al propio diseño del motor y de todo el conjunto.

  2. Bueno si, a grandes rasgos el diseño que propongo es similar al de Aerotech, el sistema de carga y alimentación de NOX, es prácticamente igual, con la salvedad de que esta basado en un nicle de inox estándar. En el prototipo de la válvula que ya fabriqué esta fabricado a partir de un nicle estándar que utilizamos aquí en la fábrica para la conexión de los sensores, este nicle es de inox AISI 304, con rosca de un lado de ½”BSP y ¾”NF del otro, pero muy fácilmente (y de seguro seguirá ese camino) la válvula funcional termine partiendo de un niple estándar de ½”x 1/2” BSP. En el actual prototipo no esta incluida la válvula de seguridad, ya que aún no la hice, por el simple hecho de que esta previsto antes realizar algunos ensayos a presión, con el fin de ajustar las dimensiones y características de la válvula. La válvula de seguridad, se realizará posteriormente y también estará sometida a ensayo, ya que pretendo utilizar una válvula de disco de rotura, la cual requerirá una serie de ensayos, hasta dar con los materiales y las características de la misma. La idea de utilizar esta válvula partió originalmente de la idea de la válvula utilizada por Tochi en la carga de su tanque de vuelo, y es la válvula utilizada en los sifones Drago.


    3.A. Si entiendo bien lo que planteas, como te comenté anteriormente la idea es utilizar una válvula de alivio tipo disco de rotura, para el caso de una sobrepresión en el tanque, y que esta válvula al accionarse (por acción de la sobrepresión) se rompa y ventile el contenido del tanque. De lo que estoy en duda, y en eso recurro a tu experiencia, es saber si es necesario además de esta válvula de seguridad, colocar otra para purga del tanque durante la carga. En cuanto a la carga en si, pensaba utilizar el mismo sistema que esta armando Tochi para carga su tanque, que contempla todos los requisitos planteados, purga de circuito, conexiones con manguera flexible de Tecalan, y además y como accesorio, un pequeño manómetro para monitorear la presión del circuito.

3.B. La respuesta esta en la A.

3.C. Con respecto al incerto de grafito, estoy averiguando que concigo, para ir adaptando el diseño, preferiría mas como planteas, utilizar un inserto en lugar de una tobera enteramente fabricada en grafito, no solo por lo sucio de trabajarlo sino también por los costos.

3.D. El inhibidor será un tubo o vaso de papel con varias vueltas, para lograr el espesor de 1 mm.

3.E. Yo tampoco espero encontrarme con sorpresas desagradables a la hora de hacer el grano. Hace mucho tiempo, fabricábamos con mi señora, velas artesanales en la cocina de casa, y si bien no es la misma cosa, el proceso de preparación es muy similar. Pensaba para moldear el grano, hacer una especie de dispositivo con tubos de Al o inox para los ports, y una casuelita en el extremo para hacer pasar agua caliente a la hora de desmoldar y así sacarlo limpito. Pero como todo esto, aún tengo que terminar de darle forma a la idea, y hacer algún que otro ensayo.

Con respecto al cohete, el mismo ya esta construido y funcional. Ya realizo 2 vuelos con motores candy, y en breve espero poder hacer algunos lanzamientos más, e incluso hacerlo volar con un motor mas grande. Este es el vector. La tecnología de construcción es sencilla, la parte de fuselaje en color naranja, es todo fibra de vidrio y resina poliester, los tubos los armamos con Juan hace ya un par de años (uno de los primeros tubos que fabricamos con esta técnica), las aletas esta hechas con el mismo material, así como los acoples y bahía de electrónica, las aletas estan montadas sobre un tubo también de PRFV de 40 mm de diámetro interior a modo de portamotor y como soporte de la aletas que estan montadas TTW (es por ello que el motor y como requisito inicial del proyecto, debía tener 40 mm de diámetro exterior). La ojiva es una estándar de 50 mm de Condor Tec y el tubo de color blanco es un tubo de cartón estándar de 50 mm de Condor Tec. El sistema de recuperación es de doble despliegue, comandado por el altímetro Alfa.



Esto fue en el CanSat del año pasado, en el que el Saltamontes realizo dos vuelos.

Abrazo y gracias

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“je_navesnik”

  1. Tal cual Alex, desde un comienzo, lo pensé en ese sentido, ya que al adaptar el motor a un cohete ya funcional, plantea una serie de requisitos iniciales, que acompañan al propio diseño del motor y de todo el conjunto.
    He pensado que el cohete sera diseñado especialmente bajo del motor. El tema que los cohetes hibridos son bastante complejos para el diseño aerodinamico por causa de longitud de HRM del esquema mecanico comun: el tanque esta en linea (arriba) con la camara. Por lo tanto, cuando el combustible (distribuido por altura de cohete) se quemara el CG corre bastante. Entonces hay que hacer un analisis de estabilidad del cohete. Podrian ayudar SpaceCAD o Aerolab. Entre medidas efectivas seran la ojiva sobrepesada y larga (4-5 calibres), ubicacion de aletas mas arriba de la cola (semicanard), y las aletas con pie de largo de 3 calibres y borde de ataque muy inclinado. Y el cuerpo de cohete sale mas largo que en el caso de SRM.

  2. … un niple estándar de ½”x 1/2” BSP

Esta bien la idea, pero parece muy pesada la valvula. Ademas con el tanque de acero y espesor de la pared el motor iba a pesar orden de 2.5 - 3 kg (cargado)? Y el peso de despegue del cohete sera alrededor de 4 kg?

En el actual prototipo no esta incluida la válvula de seguridad…

Cuando hable de “valvula de drenaje” no tenia en cuenta la “valvula de seguridad de rotura” que se abre cuando la presion supera un valor permitido. noes ciertamente asi. La valvula de drenaje es un dispositivo con un capilar calibrado con que el volumen libre del tanke con LOx o NOx esta continuamente conectado con la atmosfera. A travez del capilar la fase de vapor sale afuera manteniendo equilibrio bifasico y la presion de vapor constante. Por otra parte esta valvula ayuda mucho durante la carga del tanke, haciendo un enfriamiento adiabatico del contenido para condensacion efeciente. Esta clara la explicacion? Hasta sin esta v.d. no se puede cargar el tanke de volumen relativamente pequeño o en condiciones de la temperatura elevada.

  1. En cuanto a la carga en si, pensaba utilizar el mismo sistema que esta armando Tochi para carga su tanque, que contempla todos los requisitos planteados, purga de circuito, conexiones con manguera flexible de Tecalan, y además y como accesorio, un pequeño manómetro para monitorear la presión del circuito.

Que el circuito sea mas simple posible. Puede purgar la mangera simplemente aflojando el capuchon de fitting. Yo uso un fitting “T” con una boca tapada normalmente. Al empesar a cargar el tanke yo aflojo la tapa para que sale fase de vapor y un poco de oxido nitroso liquido. Despues sierro y desde entonces la carga corre mucho mas rapido. A veces seria mejor refrigerar el tanke en heladera antes de cargarlo. Y otros detalles mas. P.e. el manometro te va a mostrar siempre el mismo valor - la presion de gas arriba del liquido. Una vez lograda luego se mantiene constante (vs. la temperatura). Bueno, al practicar vas a descubrir …

Con respecto al cohete, el mismo ya esta construido y funcional…

Ya que te escribi mis dudas sobre el vector que quieres usar. Te recomendaria hacer este analisis aerodinamico y obviamente reemplesar la ojiva de plastico fino a una fabricada de f. de v. No es tan sofisticado. Y en esta altura de partido sea mas seria y segura. No te olvides que los HRM de NOx tienen el empuje maximo en los primeros momentos del proceso. Y este empuje dura unos segundos llegando a acceleraciones altas. Es decir que la estructura de cohete hibrido sufre mas tiempo que un cohete equipado con el motor candy.
Te hice estos comentarios solo para que no dejes a pensar de problemas dentro de un conjunto y no por separado. No te bajes por el medio de camino. Espero ver tanto tu motor funccionando como el cohete en el vuelo. Suerte.