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Recupero
Cariche di espulsione

Il metodo di espulsione del sistema di recupero più utilizzato sia in modellismo spaziale che nelle applicazioni reali è una piccola carica di polvere che brucia con rapidità in modo da creare una gran quantità di gas che pressurizza il vano del paracadute.
E' molto difficile trovare un metodo alternativo che produca all'istante una pressione sufficiente, e che sia altrettanto piccolo, leggero, semplice ed economico. Esistono sistemi che utilizzano anidride carbonica compressa, ma che a loro volta sono attivati da un piccola carica, e di tanto in tanto qualcuno tenta di utilizzare sistemi meccanici, con risultati non sempre felici.
Nelle applicazioni reali si utilizzano anche molle molto potenti ma fin'ora non si è vista un'applicazione di questo tipo in modellismo.
I dispositivi meccanici invece sono molto validi non tanto per l'espulsione quanto per il rilascio per esempio del paracadute principale dopo che il drogue è stato espulso.

La carica di espulsione inclusa nel motore può essere utilizzata in sistemi di recupero semplici e con un solo paracadute, oppure come carica di riserva in sistemi che utilizzano dispositivi elettronici. Nel caso di motori ad uso singolo la carica non si può dosare come si vuole, ma questi motori vengono usati per modelli di dimensioni ridotte che non richiedono sistemi di recupero complessi e quindi non richiedono un calcolo della carica.

Nel caso dei motori ricaricabili, in particolare High Power, la carica di espulsione può essere dosata. Questi motori vengono montati su modelli di tutte le dimensioni e quindi il dosaggio della carica diventa molto importante. Per i calcoli visti in precedenza, è raro che un modello di grandi dimensioni si affidi solo al motore per l'espulsione del paracadute. Ma è sempre consigliabile utilizzare anche la carica del motore come riserva e quindi va calcolata in modo corretto.

Costituzione delle cariche di espulsione
ATTENZIONE: Nei passi seguenti si fa riferimento alla polvere da sparo per la realizzazione delle cariche. Per l'acquisto e l'utilizzo della polvere da sparo è necessario possedere almeno un porto d'armi per tiro sportivo. Acme fornisce solo informazioni e non può essere ritenuta responsabile per utilizzi diversi da quelli consigliati e per infrazioni alle leggi vigenti.

Nei modelli di diametro superiore ai 65mm la forza della carica di espulsione non dovrebbe essere più lasciata al caso. Qualcuno consiglia "di più è meglio che di meno" ma una maggiore quantità di carica significa maggiore carico termico sul paracadute e sulle funicelle, maggiore possibilità di danni dovuti alla fiamma, e maggiore energia cinetica da scaricare. Si sono visti modelli con cariche così sovradimensionate che l'ogiva veniva espulsa con una violenza tale da strappare via l'intero sistema di recupero.

Contenitori per cariche
Le cariche di espulsione sono contenute sempre in un contenitore nel quale è inserito un accenditore elettrico ed una piccola quantità di polvere. L'accenditore elettrico è comandato da un dispositivo elettronico (vedi Elettronica).
I contenitori possono essere di vario tipo. In passato si sono usate bustine di plastica o i contenitori in plastica delle pellicole fotografiche. Oggi si preferisce orientarsi su sistemi realizzati appositamente che garantiscono un funzionamento sicuro.

Tra i sistemi realizzabili in casa ci sono i tubetti in cartone ai quali si incolla un fondello forato in modo che possa passare il filo dell'accenditore. Il tubetto viene riempito con la polvere e chiuso con carta o un dischetto adesivo. E' un sistema semplice da realizzare ma è necessario sigillare il foro di uscita dei cavi in modo che i gas dell'espulsione non raggiungano i dispositivi elettronici. Inoltre non garantisce una lunga durata. Una variante di questo sistema è utilizzare un motore tipo Estes usato e ripulito al suo interno, con l'ugello chiuso con epoxy.

I sistemi commerciali in uso al momento sono costituiti da tubi in alluminio o in resina variamente lavorati che prevedono lo spazio per inserire l'accenditore e che sigillano i cavi in modo che i gas non fuoriescano.

Un tipo prevede lo spazio per due accenditori (Safeject-2) per una maggiore sicurezza. Questi sistemi contengono tipicamente 2-3 gr di polvere, ma ne esistono anche per quantità superiori, per modelli molto grandi (Safeject-EX)

Safeject
LES

Questi contenitori vengono fissati all'interno del modello avvitandoli per mezzo di staffe o facendoli passare attraverso supporti a tubo inseriti negli anelli di centraggio.

Un tipo particolare è quello fornito da Public Missiles per essere usato col suo sistema CPR, ma che si può utilizzare anche indipendentemente. Consiste in un alloggiamento da fissare al modello ed un cilindretto in resina che si incastra nell'alloggiamento. Nel cilindretto trovano posto l'accenditore e la polvere, e viene tappato per mezzo di cappucci in plastica.

Un altro sistema di contenimento delle cariche è realizzato con provette in plastica per usi clinici alle quali si taglia il fondo per inserire l'accenditore. Il contenitore viene chiuso con un coperchio e fissato all'interno del modello.

Accenditori
Per attivare la carica di espulsione si utilizzano dei sistemi di accensione elettrici, comandati dai dispositivi elettronici.

Il primo tipo di accenditore elettrico utilizzato sono state le lampadine flash. Queste lampadine sono costituite da una ampolla di vetro che ha al suo interno un sottile filo in magnesio che brucia istantaneamente quando è attraversato da una corrente anche molto bassa, e produce un grande calore capace di accendere la carica. Le lampadine flash si sono rivelate abbastanza affidabili ma non a sufficienza da garantire una sicurezza totale. Il loro filamento non è saldato ai contatti e può interrompere la continuità durante il volo, per le accelerazioni e le vibrazioni. Se succede questo, l'altimetro può resettarsi e non comandare più l'accensione al momento giusto. Inoltre il tipo di lampada flash adatta, la AG-1, non è più in produzione.

Un altro sistema di accensione non professionale sono le lampadine usate per decorazioni natalizie. Rompendo con attenzione la punta si espone il filamento che può essere annegato nella polvere. Applicando una corrente anche debole il filamento diventa incandescente e accende la polvere. Anche questo metodo non è tra i più sicuri in quanto il filamento è fragilissimo e potrebbe rompersi sia al momento di inserirlo sia durante il volo.

Gli accenditori che danno migliori garanzie sono quelli professionali, studiati per avere una grandissima affidabilità in diverse condizioni d'uso. Sono realizzati con un sottile filo metallico immerso in una goccia di materiale sensibile al calore (pirogeno) che si accende non appena si applica corrente.

Le caratteristiche che devono avere gli accenditori sono:

Bassa corrente di funzionamento - Gli accenditori utilizzati per accendere i motori non sono adatti perchè richiedono correnti di diversi Ampere. Le batteria di bordo non sono in grado di erogare forti correnti garantendo affidabilità quindi gli accenditori per le cariche devono richiedere assorbimenti moltoi bassi.
Accensione rapida e con poca fiamma - Devono bruciare abbastanza a lungo per accendere la carica di espulsione ma non così tanto da bruciare o rovinare altre parti del modello.
I tipi che rispondono a queste caratteristiche disponibili con una certa facilità al momento sono:

  • Daveyfire SA2000 N28B
  • Daveyfire SA2000 N28BR
  • Oxral
Daveyfire N28BR
Oxral

Daveyfire Inc. - Daveyfire è un'azienda che produce diversi prodotti pirotecnici tra i quali accenditori per airbags e forniture per militari. I loro accenditori sono estremamente affidabili.
I due accenditori Daveyfire adatti per le cariche di espulsione sono i tipi N28B ed N28BR, di caratteristiche identiche a parte la quantità di pirogeno.

Oxral - Gli accenditori Oxral sono prodotti in Repubblica Céca e sono molto utilizzati nell'industria pirotecnica. Anch'essi sono molto affidabili e hanno caratteristiche simili ai Daveyfire.

La tabella riporta le caratteristiche di questi accenditori:

Tipo

Resistenza (W)

Max corrente no acceso (mA)
Min corrente accensione(mA)
Tempo medio di accensione
Colore fili
N28B
1.6 +/- 0.3
200
370
2ms a 1 A
bianco
N28BR
1.6 +/- 0.3
200
370
2ms a 1 A
arancio
Oxral
~ 2
200
500
--
rosso/blu

Perchè non si usano accenditori tipo Estes anche per le cariche di espulsione? Prima di tutto perchè hanno un forte assorbimento di corrente che i dispositivi elettronici spesso non sono in grado di fornire, opure che richiederebbe una batteria grossa, e poi perchè questi accenditori sono progettati per fornire una grande quantità di calore per un periodo relativamente lungo. Per ragioni pratiche è meglio evitare questo all'interno di un modello.

Raccomandazioni - La sicurezza è molto importante. Tra le ragioni di malfunzionamento del sistema di recupero ci sono gli accenditori guasti. Anche se l'incidenza di guasti degli accenditori fabbricati commercialmente è estremamente bassa non si può escludere del tutto. Un accenditore ridondante è sempre una buona idea. Tutti i dispositivi elettronici usati in modellismo spaziale sono in grado di accendere due accenditori e la spesa per un accenditore extra vale sicuramente più che vedere il proprio modello schiantarsi a terra o, peggio, su una automobile o su una persona.

Se si utilizza un accenditore ridondante, la soluzione migliore è inserirne due per ogni carica di espulsione, sia nel caso siano comandati dallo stesso dispositivo, che da due dispositivi diversi.
Si potrebbe anche raddoppiare il numero di cariche ed inserire un accenditore ognuna, ma se la prima entra in funzione la seconda è sprecata inutilmente, e se entrano in funzione entrambe contemporaneamente (il che rappresenta pressochè la regola) si ottiene una pressione troppo alta che sollecita esageratamente il sistema di recupero o addirittura lo rompe. Inoltre è sempre bene limitare per quanto possibile la quantità di polvere che il modello si porta dietro.

Calcolo della carica di espulsione

Per le cariche di espulsione si utilizza esclusivamente la polvere da sparo, detta anche polvere nera. L'unico tipo adatto è quello che si utilizza per le riproduzioni di armi antiche ad avancarica. Sui siti americani viene classificata con la sigla FFFFg oppure 4F ad indicare il grado di finezza dei granelli. Si presenta in piccoli granelli irregolari di pochi decimi di millimetro, di colore nero lucido e non va confusa con le polveri senza fumo a base di nitrocellulosa utilizzate per ricaricare da sè le cartucce delle armi da fuoco moderne. Queste polveri non sono assolutamente adatte per le cariche di espulsione, e neppure polveri di altro tipo ricavate da manufatti vari (operazione molto pericolosa da non fare per alcuna ragione)

Ripetiamo che per l'utilizzo della polvere da sparo è necessario possedere un porto d'armi.

Il punto di partenza per la determinazione della quantità di polvere da usare è determinare la quantità di forza voluta sulla base dell'ogiva. In seguito si calcola la pressione necessaria per generare quella forza.

I parametri da conoscere sono:

1- Diametro della struttura del velivolo (base dell' ogiva)
2 -Volume dell'alloggiamento dei paracadute (si esclude il volume occupato dal paracadute stesso)
3 - Attrito tra le parti che devono separarsi
4 - Velocità di espulsione dell'ogiva
    1 - Maggiore è il diametro della struttura del velivolo maggiore sarà la forza applicata sulla base dell'ogiva. Per esempio, in un modello del diametro di 10 cm l'area della base dell'ogiva è di 5*5*3,14 = 78,5 centimetri quadrati. Se la carica di espulsione produce una pressione di 1 bar (1,02 chilogrammi per centimetro quadrato) allora la forza sulla base dell'ogiva sarà di 1,02*78,5 = 80,07 kg. La stessa pressione in un modello di maggiore diametro produrrebbe una forza molto maggiore. Quindi non bisogna calcolare sempre lo stesso valore di pressione, ma per diametri maggiori va ridotto in funzione della forza che si vuole generare sull'ogiva.
    2 - Il volume della sezione che viene pressurizzata determina la quantità di polvere necessaria per raggiungere la pressione voluta.
    3 - Le parti del modello che devono separarsi possono essere unite con maggiore o minore attrito ed avere bisogno di più o meno forza per la separazione. Se si usano spine di sicurezza (shear pins - vedi oltre) allora bisogna conoscere la forza necessaria per romperle.
    4 - La velocità di espulsione dell'ogiva determina la sua energia cinetica e quindi lo sforzo che deve sopportare al shock cord e i suoi agganci. Più sopra abbiamo spiegato come calcolare questo valore.

Una volta che avete selezionato la forza voluta sull'ogiva, determinate la pressione che produrrà quella forza:

    P=(F/A)*0,98 (forza in bar)
    P=(F/A)*14,22 (forza in psi - libbre per pollice quadrato)

Nelle tabelle qui sotto è stato già fatto il calcolo in bar e in psi per i diametri standard in base ad alcuni valori di forza:

 
Forza in kg - Pressioni in bar
Diametro corpo
50
60
70
80
90
100
2.56" (66mm)
1,48
1,77
2,07
2,36
2,66
2,95
3.0" (75mm)
1,07
1,29
1,50
1,72
1,93
2,15
3.9"(100 mm)
0,64
0,76
0,89
1,02
1,14
1,27
5.5"(140mm)
0,32
0,38
0,45
0,51
0,58
0,64
6.0" (150mm)
0,27
0,32
0,38
0,43
0,48
0,54
7.5" (190mm)
0,17
0,21
0,24
0,28
0,31
0,34

 
Forza in kg - Pressioni in psi
Diametro corpo
50
60
70
80
90
100
2.56" (66mm)
21,40
25,67
29,95
34,23
38,51
42,79
3.0" (75mm)
15,58
18,70
21,81
24,93
28,04
31,16
3.9"(100 mm)
9,22
11,06
12,91
14,75
16,59
18,44
5.5"(140mm)
4,64
5,56
6,49
7,42
8,34
9,27
6.0" (150mm)
3,89
4,67
5,45
6,23
7,01
7,79
7.5" (190mm)
2,49
2,99
3,49
3,99
4,49
4,99

La tabella indica che i diametri minori hanno bisogno di una pressione maggiore dei diametri più grandi, a parità di forza voluta. Naturalmente alcuni valori non sono adeguati. Bisogna sempre scegliere valori di pressione compresi tra 0,35 e 1,3 bar (5-20 psi) ed una forza non eccessiva. I valori più adeguati sono indicati in verde. Per diametri inferiori a 2.56" il calcolo potrebbe essere tralasciato ma se si vuole eseguire ugualmente la forza da applicare è inferiore a 50 kg.

Stabilita la pressione necessaria si può calcolare la quantità di polvere richiesta. La formula per il calcolo della polvere riporta le unità di misura in gr, bar e cm, ed semplificata ma più che adatta per i nostri scopi.

Assumendo che la polvere si trasformi interamente in gas all'istante (è molto vicino alla realtà), la relazione tra la sua massa, il volume che occupa e la pressione generata è stabilita dall'equazione di stato dei gas perfetti:

P*V=n*R*T

dove n rappresenta la massa in moli. Per ottenere la massa in grammi l'equazione diventa:

n = P * V/(R*T) * 100
(fattore 100 per convertire in gr, bar e cm)

P = pressione in bar [kg/cm2]
R = costante dei gas = 119.12[(m*N)/(kg*K)] per la polvere
V = volume della camera in cm3
T = temperatura di combustione della polvere = 1837°K
n = massa della polvere in g

Dato che il prodotto R*T è costante, semplificando si ottiene un coefficiente numerico in base alla pressione desiderata e dato che V=A*L e A=(D/2)2*p la formula si riduce a:

m = Cp*D2*L

Cp = coefficiente di pressione
D = diametro corpo [cm]
L = Lunghezza vano paracadute [cm]

Tabella coefficiente Cp in base alla pressione

Cp
Press (bar)
Press. (psi)
0,00013
0,35
5,08
0,00018
0,5
7,25
0,00022
0,6
8,70
0,00025
0,7
10,15
0,00029
0,8
11,60
0,00032
0,9
13,05
0,00036
1
14,50
0,00039
1,1
15,95
0,00043
1,2
17,40
0,00047
1,3
18,85
0,00050
1,4
20,31

Come abbiamo visto più sopra, una pressione anche modesta come 1 bar produce una forza notevole anche su ogive di diametro non eccessivo.

L'equazione può essere invertita per calcolare la pressione prodotta da una data quantità di carica:

P = m* R * T/V

Per il calcolo della quantità di polvere si può utilizzare anche un altro metodo:

Considerando che V=A*L e F=P*A, sostituendoli nella formula m=P*V/R*T si ottiene:

m=F*L/R*T

dato che R*T è costante si ottiene la formula:

m=0,00045*F*L

che ci dice quanti grammi (m) di polvere servono per produrre la forza F [kg] in un compartimento di lunghezza L [cm]. Il risultato è lo stesso delle formule di cui sopra. E' interessante notare che in questa formula non rientra il diametro che è ininfluente in quanto si specifica già la forza desiderata.

Prova a terra
Il passo seguente è la prova a terra. La prova a terra mostra immediatamente se la quantità di polvere, l'attrito e la resitenza della shock cord sono state calcolate correttamente, senza mettere in pericolo n il modello n altro.

La prova si esegue montando il modello come sarà in volo, anche senza paracadute, e portando all'esterno i fili degli accenditori. Mentre un aiutante regge il modello puntandolo lontano da persone e cose si applica tensione all'accenditore. Se l'ogiva viene espulsa con decisione e la shock cord non subisce strappi avrete la conferma di aver effettuato i calcoli giusti.