Estudio de los propelentes sólidos

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El propelente iniciador

El iniciador puede definirse como la fuente de energía principal para iniciar la carga del propelente. Inicialmente puede cumplir el objetivo de ser su propio iniciador.


Para inflamar las cargas de propelentes se requiere de esta fuente de energía (cebo), para cuyo efecto, se utiliza normalmente la pólvora negra de grano fino. El único inconveniente que presenta ella es la cantidad de productos abrasivos que genera después de su combustión. Sin embargo se pueden ocupar otros iniciadores como el cordón de nitrocelulosa siendo sus desventajas, la dependencia que tiene con el grado de nitración y que las presiones generadas son mayores que la pólvora negra. Podemos distinguir tres tipos principales de iniciadores.

 

A.    Tubos iniciadores de alta presión (usados para iniciar propelentes granulares). El material iniciador (pólvora negra) se quema en un tubo de metal con pequeños agujeros de ventilación.

B.    Tipo almohadilla baja (basepad) (usualmente con propelente en lámina). El material iniciador (pólvora negra o iniciador quemado limpio (CBI)), está encapsulado.

C.    Basepad con iniciador en el centro (usado para iniciar propelentes granulares). El material iniciador (usualmente basepad de pólvora negra con tiras de pólvora negra). La tira está usualmente encapsulada en un tubo con combustible en el centro (baja presión).

Como ya se ha señalado, la finalidad de los propelentes es propulsar una bala en el interior de un cañón, creando una elevada presión en el culote del proyectil como consecuencia de una combustión particularmente rápida. Esta presión debe ser lo suficientemente alta como para crear sobre el proyectil un empuje susceptible de expulsarlo del tubo a la velocidad requerida para que alcance el objetivo deseado12.

 

En un sistema de propulsión se pueden emplear tres tipos de combustibles, los cuales son; sólidos, líquidos y gaseosos. Estos combustibles reciben el nombre de propelentes por constituir en sí un "bajo explosivo". Los propelentes son capaces de liberar una gran cantidad de energía por unidad de masa y además efectuar una rápida y predecible combustión, con la generación de un gran volumen de gases y calor, en un pequeño lapso de tiempo.

 

El estudio del propelente sólido considera tanto la geometría de la sección transversal del grano, como la composición química de éstos, los que clasificaremos en base simple, doble y triple.

 

Las propiedades requeridas para un propelente tienen relación con la habilidad para mantener la combustión en ausencia de oxigeno externo, entregando gases a elevadas temperaturas, ser de fácil iniciación y seguridad en su manipulación, y aceptables propiedades físicas y mecánicas.

 

2.1.2. Nitrocelulosa para propelentes

 

La nitrocelulosa es el ingrediente principal no sólo de los propelentes convencionales sino también de los propelentes para rocket. El compuesto se llama correctamente nitrato de celulosa y no nitrocelulosa, el cual contiene el grupo ester nitrado característico C-O-NO2, obteniéndose por la acción de una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico sobre celulosa en forma de hilos de algodón, y. también sobre el papel originado de la madera. La celulosa es un polímero natural, que consiste en unidades de anhidro glucosa, que puede ser representada como:

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Por efectos de la nitración, algunos de los grupos -OH de la molécula son reemplazados por grupos nitratos -ON02. El nitrato de celulosa consiste en una mezcla aleatoria de mono, di y tri nitrato de celulosa. La forma de definir su composición es expresándola a través del contenido de nitrógeno como porcentaje en peso.


Si el producto es completamente dinitrato [C6H702-OH-(ON02)2]n, el contenido de nitrógeno es de 11,1%, si es trinitrato [C6H702-OH(ON02)3]n, es de 14,14%, y en la práctica los tipos de nitrato de celulosa usados en diferentes aplicaciones como propelentes, varia desde el 12,2% al 13,5% de porcentaje en peso de nitrógeno. De acuerdo a lo expuesto precedentemente podemos resumir al nitrato de celulosa en los siguientes aspectos:


1.Corresponde a un ester polimérico nitrado derivado de la celulosa de algodón o madera.

2.La energía del nitrato de celulosa (NC) depende del número de grupos O -NO2 que contiene nominado:

- Un 11,10% de nitrógeno (N) para dinitrato

- Un 14,14% N para trinitrato (máxima teórica)

3.El nitrato de celulosa (NC) usado en la mayoría de propelentes contiene % de nitrógeno entre los 12,2% y 13,4%.

4.La solubilidad varía con % de nitrato de celulosa (NC).

5.La estabilidad térmica decrece con el incremento de % del nitrato de celulosa

6.No tiene punto de fusión.

7.El nitrato de celulosa seco puede ser iniciado por impacto y ESD.

8.Puede ser gelatinizada con solventes para su uso como propelente.


Algunas propiedades del nitrato de celulosa (NC) usado en propelentes:

 

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2.1.3. Carga de proyección

La carga de proyección en las armas, está constituida por el propelentes que en estado sólido se encuentra almacenada en la vainilla, o en la recamará del arma, manteniendo en sí misma una cierta cantidad de energía potencial, en virtud del equilibrio de sus moléculas. Esta unión molecular es muy débil y el inestable equilibrio que mantiene se rompe con facilidad bajo la acción de un agente extemo cualquiera, transformándose la energía potencial en cinética, la que es capaz de efectuar el trabajo.


Tal es lo que ocurre en un arma, cuando el disparador al golpear la aguja percutora contra la cápsula fulminante, ubicada en el culote de la vainilla o estallador, el mixto de gran sensibilidad que allí se encuentra, detona con el golpe y produce una llama, ésta pasa al interior de la vainilla a través de orificios y de un multiplicador de llama en algunos casos, tomando así contacto con el propelente, ésta a su vez se inflama, pasando violentamente desde su estado sólido a estado gas, con un considerable aumento del volumen respecto al que tenía inicialmente como sólido y. consecuentemente, originando grandes presiones en el interior de la vainilla o recámara.


Este paso o cambio violento del propelente de su estado sólido a gas, es lo que se llama Deflagración y es una de las características de los fenómenos explosivos; transformación violenta, instantánea de la totalidad de los sólidos a gases, con un gran aumento de volumen respecto al que tenía inicialmente y con una gran generación de energía, especialmente calórica.

En las armas, el referido trabajo esta representado entre otros, por el desplazamiento del proyectil que empieza por desengastarse o soltarse de la vainilla, introduciéndose al rallado del ánima y tomando un movimiento de rotación en tomo a su eje longitudinal y finalmente trasladándose a lo largo ce tubo del arma.

Producida la inflamación del propelente y de su cambio de estado, los gases generados adquieren de inmediato un volumen muy superior al del vaso, que lo contienen, sea esta la vainilla de la munición o la recámara del arma; al no encontrar un volumen posible de contenerlos, los gases tratan de escapar, dando origen a fuerzas que se generan en todas direcciones.

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Figura N°2.1 "Esquema de presiones generadas al interior del arma"

La presión de los gases corresponde al movimiento libre que tienen sus moléculas, que chocan perpendicularmente contra las paredes del vaso que las contienen, tomando la forma de receptáculo señalado.
 

El calor es el agente externo que facilita el movimiento de las moléculas del gas. Las fuerzas generadas se ejercen hacia los costados de la recámara compensándose unas con otras y produciendo solo una vibración del arma; se ejerce también hacia atrás, donde queda contrarrestada con la resistencia del cerrojo del arma, dando origen sólo a un movimiento de retroceso y finalmente, la fuerza originada por los gases que tratan de escapar se ejerce también hacia delante, donde solo encuentra la débil resistencia que opone el proyectil, el cual cede a ella saliendo de su inercia o engaste, e iniciando un movimiento de traslación por el interior del cañón.


Junto con este movimiento hacia delante que toma el proyectil, tiene otro que le da el rayado del ánima, que es de rotación en torno a su eje longitudinal y

cuya finalidad es asegurar la estabilidad giroscópica del proyectil en su recorrido fuera del tubo.


2.1.3.1. Carga de proyección y velocidad en la boca (V0)


Como fuera señalado anteriormente, durante la combustión de la carga de proyección, la energía calórica encerrada se libera y se convierte en energía que puede ser usada mecánicamente. Parte de esta energía puede ser usada para acelerar y hacer rotar al proyectil, y para operar el mecanismo de un arma automática, el resto se pierde.

La mayor parte de la energía disponible del propelente se necesita para acelerar el proyectil hasta la boca del arma, el peso necesario de éste crece considerablemente, y hay un límite más allá del cual, no se pueden obtener mayores velocidades, cualquiera que sea el peso de la carga de proyección. Esta velocidad límite puede ser determinada teóricamente:

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Entonces , en general consideraremos la siguiente ecuación de energía:

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Tomemos por ejemplo un propelente, cuyo calor liberado Q = 860 kcal/kg, y aceptamos c = 0,40. Luego, al aumentar el peso de la carga, y por lo tanto, al disminuir la razón entre el peso del proyectil y el peso de la carga, podemos obtener los siguientes valores:

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Tabla N°2.2 "Relación mp/mc v/s velocidad boca (V0)" Fuente: Oerlikon, Ed. 1981.

En el caso limite de mp/mc = 0, es decir mc = a>, el valor límite de la velocidad V0 máX = 2400 m/s. Lo anterior debe considerarse solo como una aproximación, para indicar el orden de magnitud de la velocidad límite.

Para cañones normales, la razón mp/mc es de orden de 3 a 2. Para valores menores de mp/mc el cartucho se hace inconvenientemente grande. Esto es particularmente desfavorable en armas automáticas.


En el caso especial de proyectiles de subcalibres, se puede obtener una razón de pesos unitaria o algo menor, con velocidades en la boca de 1500 m/s o más. En estos proyectiles, se considera uno liviano,' de diámetro menor, provisto de un dispositivo (zueco), que calza el tubo más grande del arma (figura N°2.2), después de abandonar la boca de ésta, se desprende el "zueco". Los proyectiles de subcalibres, se usan en la actualidad para armas antitanques con velocidad (V0) en la boca, extremadamente alta.

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Figura N°2.2 'Proyectil de subcalibre" (uso de zuecos) Fuente Oerlikon, Ed. 1981

Para cálculos prácticos de la carga de proyección, se usa a menudo la carga específica (Lsp), que es el peso en gramos necesario para cada metro-ton de energía del proyectil en la boca, es decir:

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En 1925, F Herlach, producto del resultado de muchas pruebas experimentales, determinó la dependencia de carga específica y velocidad en la boca del arma, como se observa en el gráfico de la -figura N°2.3, usado con utilidad hasta principios de los años ochenta.

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Al usar estas curvas, se debe recordar, que hay una reducción de la carga específica, cuando aumenta la presión de los gases pmáx.

Ejemplo N°2.1 Obtener el peso de la carga de proyección necesaria para obtener una velocidad inicial Vo en la boca del arma de 1000 m/s.

Datos:

Lsp = 9,10g/m mp=0,3kg.

El peso de la carga de proyección obedece a la siguiente ecuación:

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2.1.4. Propelente en barra


El propelente en barra es una granulación de éste, donde el largo del grano es mucho mayor que el diámetro. El grano puede ser lo suficientemente largo para tener los canales de flujo alineados axialmente. Normalmente las barras son del orden del largo de la cámara del arma.


2.1.4.1. Resistencia al flujo

La resistencia al flujo en un propelente en barra es de dos órdenes de magnitud menor que en un propelente granular. Los cálculos indican que la resistencia al flujo, durante el quemado del arma, es suficientemente pequeña como para que la mayor parte del propelente permanezca en la cámara del arma durante el ciclo balístico. Una pequeña porción de barras se mueve tendiendo a permanecer juntas.

Si la resistencia al flujo es cero, las barras se moverán a causa de la diferencia de presión desde la parte posterior hacia el frente del grano. La pequeña resistencia al flujo de los gases induce rápido al equilibrio de-presiones en dirección axial y a pequeños movimientos de grano. Esto permite la ignición y ayuda a las barras de propelente a tolerar fallas.
 

2.1.4.2. Tensiones intergranulares


Cuando el gas del propelente fluye a través de una cama empacada de propelente sólido se produce una caída en la presión del gas y se desarrollan tensiones en el propelente sólido o tensiones intergranulares.

Si el esfuerzo generado es lo suficientemente grande se puede producir rompimiento de los granos y/o inducir el impacto del propelente con el proyectil con una posible rotura.

Si la onda de esfuerzos en muy rápida o más rápida que el frente de llama la presión diferencial crecerá (la generación de masa crecerá a causa del incremento del área superficial y la resistencia al flujo crecerá, por el decrecimiento del tamaño de partícula), provocando mayores tensiones intergranulares.

2.1.4.3. Presión delta

Una carga de propelente bien diseñada tendrá características apropiadas en cuanto a la degradación del contenedor, sistema de ignición o granulación (propelente en barra), para palear las grandes tensiones   intergranulares,   manteniendo  presiones   pequeñas. Un

procedimiento que ha sido utilizado en herramientas es considerar la primera presión negativa delta.

La presión cerca de la base del proyectil será mayor que la presión cercana a parte posterior del arma, existiendo una diferencia de presión negativa. Si la primera medida negativa de presión delta desarrollada durante la carga es mayor que 35 MPa (caliente o al ambiente) o más grande que 21 MPa en frío se considera malo, lo suficiente como para garantizar la amplitud del test.

La ampliación del test consiste en usar los datos de quemado, para extrapolar las primeras presiones delta negativas esperadas, en un millón de descargas del arma.

La carga, ignición o descarga u otros medios son cambiados para causar experimentalmente una primera presión mayor negativa delta y posteriormente, monitorear la máxima presión en la parte posterior del arma. Si el incremento de esta máxima presión es mucho mayor que lo permitido la carga tendría que ser mejorada.

Factores que contribuyen a presiones negativas delta altas:

1.Ignición localizada.

2.Propelente granular de pequeña granulometría.

3.Pequeño vaciado radial del contenedor.

4.Vaciado axial del contenedor.

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