Materiales compuestos ablativos de matriz polimérica y su aplicación en la fabricación de componentes de propulsión aeroespacial

Polymeric Ablative Composite Materials and their Application in the Manufacture of Aerospace Propulsion Components

El desarrollo de sistemas de protección térmica y materiales compuestos de alta temperatura para la fabricación de componentes de propulsión de bajo peso representa un reto importante para la industria aeroespacial, especialmente en el campo de la cohetería. La cámara de combustión del cohete, propulsores y boquillas deben diseñarse para soportar temperaturas de trabajo superiores a los 1600-2000 °C en un ambiente ablativo severo. Esta investigación se enfoca en la obtención y caracterización de materiales compuestos ablativos basados en una matriz de resina poliéster (30%) reforzada con materiales particulados (fillers) (67%) y fibras cortas de vidrio (3%);destacando que los fillers corresponden a residuos o subproductos industriales tipo escoria siderúrgica, escoria de aluminio, escoria de fundición y residuo cerámico. Los compuestos fueron caracterizados físico-mecánicamente y sometidos a un ensayo ablativo de llama directa (~1600-2000°C, 120 segundos), reportando niveles de aislamiento térmico de entre 72.6-92.9%, con temperaturas máximas en la cara opuesta ala llama de entre 141.6-548.8°C, y pérdidas de peso posteriores al ensayo ablativo de entre 8.5-13.2%. Con base en los resultados obtenidos, se eligieron los compuestos óptimos y su aplicación fue validada en la fabricación de componentes de propulsión tipo tobera del motor-cohete, las cuales fueron sometidas a una prueba estática de combustión real utilizando un propelente sólido tipo Candy KNSu (65%KNO3-35%Sucrosa). Los resultados obtenidos demostraron la posibilidad de producir compuestos ablativos y sistemas de protección térmica a partir de materiales de fácil adquisición y altos contenidos de subproductos industriales; aplicaciones que se consideran de suma importancia para desarrollar el campo aeroespacial colombiano en la construcción de cohetes de sondeo con fines científicos, tecnológicos y militares.

I. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de materiales para la fabricación de componentes de propulsión juega un papel importante en el desarrollo de la industria aeroespacial, especialmente en el campo de la cohetería. La cámara de combustión del cohete, propulsores y/o boquillas deben diseñarse para soportar temperaturas de operación superiores a los 1600-2000°C en un ambiente ablativo severo [1]. Normalmente, el motor-cohete es fabricado por mecanizado de aleaciones de acero, aluminio o titanio (zona estructural) y recubierto internamente con sistemas de protección térmica (zona ablativa) [2]. Dentro de los materiales ablativos comúnmente utilizados, se incluyen los metales de alto punto de fusión (tungsteno, renio y molibdeno) y compuestos cerámicos refractarios (carburos de silicio (SiC), circonio (ZrC), boro (B4C) o hafnio (HfC)) [3]. Generalmente, estos materiales son de difícil adquisición y alto costo, lo que dificulta su aplicación en países como Colombia. Adicionalmente, la elevada densidad de estos materiales (sobre todo la zona estructural) no deja de ser una desventaja, siendo la búsqueda de materiales alternativos con mayor relación desempeño/densidad una de las prioridades para este sector.