Diseño y evaluación termomecánica de materiales compuestos ablativos de matriz polimérica para toberas de motor cohete
Resumen
Los sistemas de propulsión de cohetes demandan materiales con alta resistencia térmica y baja densidad para las toberas de motor cohete, donde los materiales compuestos ablativos de matriz polimérica (PACM, por sus siglas en inglés) surgen como alternativa de bajo costo. Esta investigación tuvo como objetivo el diseño y caracterización de PACM basados en una resina poliéster modificada con particulados cerámicos (ladrillo refractario y cuarzo) y fibras sintéticas (de vidrio y de carbono). La metodología empleada incluyó la realización de ensayos físicos (densidad), mecánicos (resistencia a la compresión, tracción, flexión e impacto), térmicos (análisis termogravimétrico, conductividad térmica y resistencia a la llama directa) y microestructurales (microscopía electrónica de barrido). Entre los resultados obtenidos se destacó que los PACM poseen densidades de entre 1,22–1,67 g/cm3 y valores de aislamiento térmico de entre 83–90 % cuando son sometidos a la incidencia de una llama de gas propano de 1600–2000°C durante 120 s; condición que simula la combustión de un motor de cohete tipo sonda durante un vuelo de baja altura. Complementariamente, a partir de una simulación termomecánica en el software Ansys se logró establecer que los PACM diseñados soportan las condiciones térmicas a las cuales son sometidos durante la combustión del motor cohete. Sin embargo, para toberas con zona ablativa de 7 mm de espesor es necesario emplear un revestimiento (refuerzo) exterior de fibra de carbono de 2,5 mm de espesor para soportar los esfuerzos mecánicos generados por la alta presión de salida de los gases de combustión. Finalmente, se concluye que los PACM pueden ser utilizados para la manufactura de componentes de propulsión tipo toberas con materiales de fácil adquisición e inclusive más livianos que los convencionales (metales refractarios y superaleaciones), lo que contribuiría al desarrollo de misiones de cohetería experimental en países emergentes como Colombia.
Referencias bibliográficas
M. Peters, and C. Leyens, “Volume III. Aerospace and Space Materials,” in Material Science and Engineering, R. D. Rawlings, Ed., New York, USA: Unesco-Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), 2022. https://eolss.net/Sample-Chapters/C05/E6-36-05-03.pdf
O. Uyanna, and H. Najafi, “Thermal protection systems for space vehicles: A review on technology development, current challenges and future prospects,” Acta Astronaut., vol. 176, pp. 341-356, Nov. 2020. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.06.047
J. Portocarrero Hermann, J. D. Osorio, and R. A. Robayo-Salazar, “Ablative Composites of Polymeric Matrix (Polyester Resin) Reinforced with Industrial Residue Materials and Fiberglass,” Rev. Ing. Univ. Medellín, vol. 19, no. 36, pp. 223-237, Sep. 2019. https://doi.org/10.22395/rium.v19n36a11
D. Nelmangala Chandrashekhar, G. Girish Raj, and A. Gowda Nanjunda, “Properties and Application of Ablative Material,” Int. J. Eng. Res. Technol., vol. 10, no. 5, May. 2021. https://www.ijert.org/properties-and-application-of-ablative-material
M. Natali, J. M. Kenny, and L. Torre, “Science and technology of polymeric ablative materials for thermal protection systems and propulsion devices: A review,” Prog. Mater. Sci., vol. 84, pp. 192-275, Dec. 2016. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.08.003
R. Robayo-Salazar, J. Portocarrero-Hermann, U. Díaz-Padrón, and O. Patiño-Castrillón, “Polymeric Ablative Composite Materials and their Application in the Manufacture of Aerospace Propulsion Components,” Rev. Fac. Ingen., vol. 29, no. 54, p. e10662, May. 2020. https://doi.org/10.19053/01211129.v29.n54.2020.10662
M. Natali, M. Monti, D. Puglia, J. M. Kenny, and L. Torre, “Ablative properties of carbon black and MWNT/phenolic composites: A comparative study,” Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., vol. 43, no. 1, pp. 174-182, Jan. 2012. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.10.006
R. M. German, Particulate Composites Fundamentals and Applications. Berlin, GER: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-29917-4
F. C. Campbell, Structural Composite Materials. Russell, USA: ASM International, 2010.
R. Nakka, “Richard Nakka’s Experimental Rocketry Site,” rocketry.net, 2023. Accessed: Sep. 7, 2023. [Online]. Available: http://www.nakka-rocketry.net/
S. Farrukh, N. A. Tahir, A. Hussain, M. Ayoub, M. Rafiq, and M. H. Khan, “Fabrication and analysis of HNBR-Silica / Carbon Phenolic ablative composites as an effective thermal protection system (TPS),” in IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Engin., vol. 458. Kuala Lumpur, MY, Dec. 2018, p. 012015. https://doi.org/10.1088/1757-899X/458/1/012015
D. R. Askeland, P. P. Fulay, and W. J. Wright, Ciencia e ingeniería de materiales. México D. F., Mex: Cengage Learning, 2012. https://osvaldoweb.wordpress.com/wp-content/uploads/2016/04/ciencia-e-ingenieria-de-materiales-sexta-edicic3b3n.pdf
K. K. Chawla, Composite materials: Science and engineering, third edition. Berlin, GER: Springer Nature, 2012. https://doi.org/10.1007/978-0-387-74365-3D
Y. Hou et al., “A novel ablative material for thermal protection system: Carbon fiber/polysiloxane composites,” Aerosp. Sci. Technol., vol. 129, p. 107822, Oct. 2022. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107822
A. Eivaz Mohammadloo, M. Khorasani, H. Eivaz Mohammadloo, S. Roshan, R. Ghamsarizade, and A. A. Sarabi, “Dispersion stability, adhesion strength, and anti-corrosion properties of water-born polyester resins,” Mater. Chem. Phys., vol. 301, p. 127599, Jun. 2023. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.127599
H. Qu et al., “Enhancing Thermal Insulation of EPDM Ablators via Constructing Alternating Planar Architectures,” Polymers, vol. 14, no. 8, Apr. 2022. https://doi.org/10.3390/polym14081570
S. L. Hu, Y. M. Li, W. J. Hu, J. Hobson, and D. Y. Wang, “Strategic design unsaturated polyester resins composites with excellent flame retardancy and high tensile strength,” Polym. Degrad. Stab., vol. 206, p. 110190, Dec. 2022. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.110190
H. Cheng, Z. Fan, C. Hong, and X. Zhang, “Lightweight multiscale hybrid carbon-quartz fiber fabric reinforced phenolic-silica aerogel nanocomposite for high temperature thermal protection,” Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., vol. 143, p.106313 Apr. 2021. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106313
A. S. Alex, S. Bhuvaneswari, N. Sreenivas, V. Sekkar, and C. Gouri, “Short silica fibre-reinforced polymethylsilsesquioxane–phenolic interpenetrating networks: exploration for use as ablative thermal protection system in aerospace,” Polym. Bull., vol. 76, no. 8, pp. 3941-3956, Aug. 2019. https://doi.org/10.1007/s00289-018-2579-4
M. Natali, M. Monti, J. M. Kenny, and L. Torre, “A nanostructured ablative bulk molding compound: Development and characterization,” Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., vol. 42, no. 9, pp. 1197-1204, Sep. 2011. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.04.022
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