Diseño de banco de pruebas de control de empuje para motores cohete de propelentes sólidos de la Fuerza Aérea Colombiana

Abstract

Este trabajo presenta el diseño mecánico de un banco de pruebas estático para el motor de cohete de combustible s´ olido que se encuentra en desarrollo en el Centro de investigaciones en Tecnología Aeroespacial (CITAE). Este banco permite la adquisición de datos de operación (fuerza de empuje, tiempo de combustión, variación del impulso en función del tiempo y pico de impulso) de una forma segura. Este proyecto es un avance importante en el campo de lanzaderas de satélites de baja altura en la Fuerza Aérea Colombiana (FAC). La Comisión Colombiana del Espacio (CCO) le encargo el desarrollo de este campo aeroespacial en el País a la FAC, con el propósito de alcanzar en el futuro la independencia tecnológica. En el desarrollo de este proyecto se realizar el diseño y selección de materiales y demás componentes del banco. Fue usado Diseño Asistido por Computador (CAD) y análisis de esfuerzos mediante el Método de Elementos Finitos (MEF). Fue definido un empuje máximo de 500 N. Para la selección de alternativas de diseño se usó la metodología propuesta por Ulrich y Eppinger, donde se proponen cuatro etapas o enlazadas con cada uno de los objetivos específicos: 1) Establecer el tipo rango y condiciones de operación del banco de pruebas, 2) Determinar un diseño del banco de pruebas, con base en los parámetros de funcionamiento a los que estaría sometido el banco de carga, 3) Validar el modelo en 3D del banco de carga mediante cálculos matemáticos y elementos finitos y 4) Realizar el diseño básico de la instrumentación requerida en el banco de carga, que permita evaluar el comportamiento en funcionamiento del motor cohete de 500 N de empuje vectorial. Se muestran los resultados obtenidos, incluyendo los detalles necesarios para la construcción del banco de pruebas.

This work deals with the mechanical design of a static test bench for the solid fuel rocket motor that is under development at the Aerospace Technology Research Center (CITAE). This bench allows the acquisition of operating data (thrust force, combustion time, impulse variation as a function of time and impulse peak) in a safe way. This project is an important advance in the field of low altitude satellite launchers in the Colombian Air Force (FAC). The Colombian Space Commission (CCO) entrusted the development of this aerospace field in the country to the FAC, with the purpose of achieving technological independence in the future. In the development of this project, the design and selection of materials and other components of the bench was carried out. Computer Aided Design (CAD) and stress analysis using the Finite Element Method (FEM) were used. A maximum thrust of 500 N maximum was defined. For the selection of design alternatives, the methodology proposed by Ulrich and Eppinger was used, where four stages are proposed and linked to each of the specific objectives: 1) Establish the type of range and operating conditions of the test bench, 2) Determine a design of the test bench, based on the operating parameters to which the load bank will be subjected, 3) Validate the 3D model of the load bank through mathematical calculations and finite elements and 4) Carry out the basic design of the instrumentation required in the load bank, which allows to evaluate the behavior in operation of the 500 N vector thrust rocket motor. The results obtained are shown, including the necessary details for the construction of the test bench