Justificación Aerodinámica de la Ojiva y su forma:
La ojiva (nariz del cohete) se diseñó con un perfil elíptico, es decir, la mitad de una elipse rotada alrededor de su eje longitudinal. Esto implica que el eje mayor de la elipse coincide con la línea central (longitud de la ojiva L) y el eje menor corresponde al radio de la base (radio del fuselaje R). Matemáticamente, el contorno de la ojiva elíptica puede definirse mediante la ecuación de una semi-elipse:
y(x)=R * sqrt(1-(x^2/L^2))
donde x es la coordenada medida desde la base de la ojiva a lo largo de la longitud L, y y es el radio del perfil en la sección x. Esta forma produce una punta aguda en x = L (y = 0) y un contorno tangente al fuselaje en la base (y = R), evitando discontinuidades en la unión con el cuerpo del cohete.
La elección de una ojiva elíptica se justificó por criterios aerodinámicos. En vuelos subsónicos (por debajo de ~Mach 0.8), las formas de nariz cortas y curvas tienden a ofrecer la menor resistencia al avance (arrastre). A estas velocidades, el arrastre debido a la forma de la ojiva proviene principalmente de la fricción del aire sobre la superficie, ya que la resistencia de presión por ondas de choque es despreciable.
Desde el punto de vista estructural, la ojiva debe conectarse firmemente al fuselaje de PVC de 4″, garantizando alineación durante el vuelo, resistencia a la inercia de aceleración y capacidad de desmontaje para acceder a la bahía de carga.
Además de sus funciones aerodinámicas, la ojiva se diseñó para actuar como bahía de carga útil del cohete. En su interior se alojara la carga inerte, que será plastilina
El diseño contempla un mecanismo de acoplamiento y sujeción. Para organizar y fijar estos componentes, la ojiva incorpora elementos de soporte interno impresos integralmente. La capacidad interior de la ojiva también permite albergar parte del sistema de recuperación, en nuestro caso, el paracaídas
La ojiva desempeña un papel crucial en la estabilidad del cohete a través de su influencia en el balance de masas y en la posición del centro de presiones. En dinámica de cohetes, para un vuelo estable el centro de gravedad (CG) debe situarse por delante del centro de presiones (CP), de modo que cualquier desviación produzca un momento restaurador que realinee el cohete. La contribución de nuestra ojiva a este requisito se da de dos formas: (1) aportando masa en el extremo frontal, lo que adelanta el CG, y (2) con su propia forma aerodinámica, que afecta la ubicación del CP del vehículo.
Se eligió PLA por su combinación de: facilidad de fabricación de la ojiva de 4″ sin deformaciones, suficiente resistencia y rigidez para soportar el vuelo, y compatibilidad con el proceso disponible. Las desventajas en comportamiento térmico y fragilidad se abordan con el diseño integral incluyendo un recubrimiento de resina que brindará mayor margen de temperatura. El ABS fue descartado principalmente por las dificultades de impresión dimensional (una ojiva de ABS podría deformarse o despegarse de la cama sin medidas avanzadas)
Diseño de las Aletas:
Las aletas constituyen uno de los elementos más críticos en el diseño de un cohete, ya que proporcionan estabilidad aerodinámica durante el vuelo. En este proyecto se diseñaron aletas trapezoidales con un sistema de acople innovador tipo “T” a anillos internos, fabricadas en nylamid mediante mecanizado CNC y con la proyección de recubrirlas con fibra de vidrio y resina epóxica.
La geometría trapezoidal con barrido hacia atrás (ángulos de 66.8° y 138.8°) se seleccionó para mejorar la eficiencia aerodinámica en vuelo subsónico, reduciendo la tendencia al desprendimiento de flujo y aumentando la estabilidad.
Material aletas:
El material elegido es nylamid, una poliamida de ingeniería (PA6 reforzada), con propiedades superiores frente a plásticos convencionales:
- Resistencia a la tracción: ~70 MPa
- Módulo de elasticidad: ~4 GPa
- Temperatura de trabajo: hasta 100 °C
- Alta tenacidad y resistencia al impacto
Estas características aseguran que las aletas soporten cargas dinámicas, vibraciones y esfuerzos de flexión durante el vuelo y la recuperación.
Revestimiento con Fibra de Vidrio, se proyecta cubrir las aletas con fira de vidrio y resina epóxica. El procedimiento:
- Lijado y limpieza
- Aplicar de imprimante epóxico
- Laminado de fibra
- Curado
- Postcurado y lijado fino
Este recubrimiento aportará mayor rigidez estructural, protección frente a desgaste y superficie más lisa que reducirá el arrastre aerodinámico
Sistema de Acople Tipo “T”: El sistema de fijación consiste en una ranura tipo “T”, en la raíz de cada aleta, la cual se inserta en ranuras de anillos internos dentro del tubo, en el diseño incluiremos dos anillos que se acoplaran con las aletas y el motor.
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Diseño de Anillos de Retención para Aletas:
Permiten fijar las aletas mediante el sistema tipo “T” y al mismo tiempo sostener el tubo del motor en su interior. Este sistema asegura tanto la alineación precisa de las aletas como la integración del motor, distribuyendo las cargas de manera uniforme en el fuselaje.
Los anillos fueron diseñados para acoplarse dentro del tubo de PVC de 4 pulgadas de diámetro nominal, fabricados en aleación de aluminio 6061-T6, seleccionada por su ligereza, resistencia mecánica y excelente maquinabilidad. Estas ranuras reciben la lengüeta tipo “T” de cada aleta, garantizando su correcto alineamiento y evitando desplazamientos radiales o axiales durante el vuelo.
Para asegurar tanto la fijación de las aletas como el centrado del motor, se dispusieron tres anillos internos:
- Dos anillos principales: en contacto directo con las aletas, ubicados a lo largo del fuselaje. Estos reciben los esfuerzos aerodinámicos y transmiten la carga al tubo de PVC.
- Un anillo adicional de centrado del motor: colocado en el interior, cuya única función es alinear el tubo del motor respecto al eje central del cohete.
Cada anillo se encuentra atornillado al fuselaje, lo cual aumenta la rigidez estructural y evita desplazamientos durante el lanzamiento y el vuelo. Esta fijación mecánica complementa el sistema de encastre tipo “T”, brindando redundancia y seguridad adicional.
De esta manera, se asegura que el motor quede coaxial con el fuselaje, evitando vibraciones y pérdidas de estabilidad.
De esta manera, se asegura que el motor quede coaxial con el fuselaje, evitando vibraciones y pérdidas de estabilidad.
Sujeción del Motor:
El motor se encuentra sostenido por los anillos de retención internos previamente descritos, los cuales garantizan tanto su alineación como su fijación estructural dentro del fuselaje.El motor está conformado por un tubo de resina epóxica, un mamparo frontal con sellado mediante o-ring, una tobera trasera sellada con doble sistema de o-rings y tornillos de sujeción, y dos granos de combustible sólido. Todo este conjunto está envuelto por un tubo de aluminio de 3.5 pulgadas de diámetro, el cual aporta rigidez estructural adicional y protege los componentes internos.
A continuación se explican los componentes del motor
Tubo de epóxico
El motor está conformado principalmente por un tubo de resina epóxica de 11 pulgadas de alto, que actúa como cámara de combustión. Este material ofrece ligereza y resistencia a la presión interna que se genera durante la quema del combustible. Su función principal es contener los granos de combustible de manera segura, evitando deformaciones y garantizando la continuidad estructural durante el encendido.
Tubo de aluminio
Rodeando al tubo de epóxico se encuentra un tubo de aluminio de 3.5 pulgadas de diámetro, el cual refuerza todo el conjunto. Este tubo proporciona rigidez estructural adicional, protege el epóxico de impactos y distribuye mejor las cargas hacia los anillos de retención. Además, actúa como carcasa externa del motor, asegurando mayor durabilidad y seguridad en condiciones de vuelo.
Mamparo frontal
En la parte superior del motor se ubica un mamparo fabricado en aluminio, cuya función es sellar la cámara de combustión. El cierre se logra mediante un o-ring que evita fugas de gases y con la sujeción de seis tornillos que lo fijan firmemente al tubo. Este componente es esencial para mantener la integridad del motor y aislar los gases calientes de la carga útil.
Tobera
La tobera se encuentra en la parte inferior del motor y es la encargada de acelerar los gases generados en la combustión para producir el empuje. Está fabricada en aluminio y se sella mediante dos o-rings que garantizan la estanqueidad, además de seis tornillos que refuerzan la fijación. Su diseño asegura que no existan fugas y que la energía de los gases se convierta eficientemente en empuje.
Granos de combustible
Dentro del tubo de epóxico se alojan dos granos de combustible sólido, que son los responsables de generar la presión y los gases necesarios para impulsar el cohete. Están dispuestos en serie para proporcionar un empuje continuo y sostenido. Su cantidad y disposición fueron elegidas para garantizar un equilibrio entre potencia, tiempo de combustión y seguridad estructural.
Anillo superior al motor
El anillo de sujeción superior constituye un elemento adicional de seguridad en el sistema de montaje del motor. A diferencia de los anillos de acople ranurados que sostienen aletas y motor, este anillo es macizo y se coloca en la parte superior del conjunto del motor para evitar su desplazamiento axial dentro del fuselaje.
El material de este anillo es de igual manera alumino 6061 debido a su propiedades
El anillo está sujeto al tubo de PVC mediante cuatro tornillos distribuidos equidistantemente. Esta fijación mecánica asegura que el componente permanezca inmóvil en su posición, reforzando la estabilidad del motor y complementando la función de los anillos inferiores.
Espacio para Computadora de Vuelo:
La computadora de vuelo es el sistema encargado de recopilar, procesar y transmitir los datos del cohete durante el vuelo. Su correcta operación depende en gran medida de que se mantenga fija y protegida dentro del fuselaje. Para ello, se diseñó una estructura modular, que asegura la rigidez necesaria y al mismo tiempo permite el acceso a los componentes electrónicos.
En la parte inferior de la estructura se encuentra un disco de aluminio que actúa como base principal de sujeción. Este componente cuenta con cuatro tornillos que lo fijan directamente al fuselaje, asegurando que la computadora no se desplace ni se dañe durante el vuelo. El aluminio 6061 se eligió por su resistencia mecánica y ligereza, lo que permite soportar los esfuerzos sin añadir peso innecesario.
Encima del disco de aluminio se colocó una primera base fabricada en PLA mediante impresión 3D. Esta base está destinada a alojar las baterías y algunos componentes auxiliares, sirviendo como plataforma para organizar la distribución del sistema eléctrico.
Sobre la primera base se acopla un subensamble modular, también diseñado en PLA, en el cual se instalan los principales sensores y módulos electrónicos:
- Microcontrolador (cerebro del sistema).
- Giroscopio (medición de rotación y orientación).
- Barómetro (medición de altitud por presión atmosférica).
- GPS (seguimiento de posición en tiempo real).
Este subensamble permite asegurar cada componente en un espacio definido, minimizando el riesgo de desconexiones o fallas por vibración.
Finalmente, se añadió una segunda base de PLA que funciona como una cubierta o tapa para la computadora de vuelo. Esta pieza mantiene a los componentes firmemente sujetos y en su lugar, actuando como una protección adicional contra vibraciones o desplazamientos internos. Asimismo, esta base incorpora un espacio específico para la antena, garantizando que disponga del volumen y la orientación necesarios para transmitir y recibir señales sin interferencias.
Sistema de Recuperación
El sistema de recuperación está diseñado para asegurar la integridad del cohete tras el vuelo, permitiendo reutilizar la estructura y analizar los datos obtenidos. Su funcionamiento se basa en un mecanismo mecánico activado por un servo, el cual libera un conjunto de resortes que expulsan la ojiva y despliegan el paracaídas. Este sistema se compone de cuatro elementos principales que trabajan en conjunto: el cilindro de aluminio para los cordones, la base de aluminio de soporte, la base impresa en PLA con alojamientos para resortes y servo, y la tapa final de liberación.
El primer componente es un cilindro de aluminio que presenta dos barrenos que lo atraviesan completamente, conformando así cuatro paredes. Estas paredes tienen la función de sujetar los cordones del paracaídas, distribuyendo de forma uniforme las cargas de tensión generadas durante el descenso. El cilindro está atornillado por debajo de un disco de aluminio, similar a los usados en otras partes del diseño del cohete. Este disco se atornilla directamente al tubo de PVC del fuselaje mediante cuatro tornillos distribuidos equidistantemente, garantizando la fijación rígida del sistema de recuperación. Su función principal es servir de base estructural para los siguientes componentes.
El tercer elemento es una base circular impresa en PLA, sobre esta base se incorporan tres cilindros salientes de 26 mm de altura, que sirven como guías y alojamientos para los resortes encargados de generar la fuerza de eyección. Además, la base cuenta con una apertura del tamaño exacto del servo, lo que permite su deslizamiento y fijación adecuada, evitando movimientos durante el vuelo. Esta pieza actúa como plataforma intermedia entre el disco de aluminio y la tapa de liberación.
El sistema incluye tres resortes, dispuestos de manera equidistante sobre la base de PLA. Estos resortes permanecen comprimidos durante el ascenso y almacenan la energía necesaria para la expulsión de la ojiva. Su función es garantizar que, una vez liberados, la fuerza acumulada sea suficiente para expulsar con rapidez y seguridad la tapa y desplegar el paracaídas.
La última pieza del sistema es una tapa superior, también fabricada en PLA, que mantiene a los resortes en estado comprimido hasta el momento de la activación. Esta tapa cuenta con ranuras en los extremos que permiten el deslizamiento y liberación de la energía acumulada en los resortes. El servo es el encargado de girar y accionar este mecanismo, liberando así los resortes y provocando la eyección de la ojiva junto con el paracaídas.
