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

Rafael Andres Robayo Salazar, Julián Portocarrero Hermann, Ubaldo Díaz Padrón, Oscar Patiño Castrillón

• español

  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 a la 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 toberas de 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.

• English

  The development of thermal protection systems and high-temperature composite materials for the manufacture of low-weight propulsion components represents a major challenge for the aerospace industry, especially in the field of rocketry. The rocket combustion chamber and nozzles must be designed to withstand operating temperatures above 1600-2000 ° C in a severe ablative environment. This research focuses on obtaining a characterization of ablative composite materials based on a polyester resin matrix (30%) reinforced with particulate materials (fillers) (67%) and short glass fibers (3%), highlighting that the fillers correspond to industrial waste or by-products such as steel slag, aluminum slag, foundry slag and ceramic waste. The composites were physically and mechanically characterized and subjected to an ablative direct flame test (~1600-2000 °C, 120 seconds), reporting thermal insulation levels between 72.6-92.9%, with maximum temperatures on the opposite side of the flame between 141.6-548.8 ° C, and post-ablative weight losses of between 8.5-13.2%. Based on the obtained results, the optimal composites were selected and their application was validated in the manufacture of rocket-type nozzle propulsion components, which were subjected to a real static combustion test, using a solid propellant Candy KNSu type (65 % KNO3-35% Sucrose). The results proved the possibility of obtaining ablative composites and thermal protection systems from available materials and high contents of industrial by-products. These applications are considered important to develop the Colombian aerospace field in the construction of sounding rockets for scientific, technological, and military purposes.