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Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010

Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010

PROTÓTIPO DE MOTOR FOGUETE MOVIDO A PROPELENTE HÍBRIDO

Pedro Teixeira Lacava Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias – CEP 12.228-900 – São José dos

Campos – SP - Brasil

[email protected]

Thiago de Moraes Barros Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias – CEP 12.228-900 – São José dos

Campos – SP - Brasil

Bolsista PIBIC-CNPq

[email protected]

Resumo. O propósito desse trabalho é o projeto, construção e ensaio de um protótipo de motor foguete movido a propelente híbrido.

Visa ao estabelecimento de uma bancada adequada, com um motor robusto e versátil, para o estudo de motores foguete híbridos com

combustíveis baseados em parafina. Nessa bancada, serão tomados dados de pressão na câmara de combustão e empuxo gerado em

função do tempo de ensaio. Inicialmente, deseja-se testar o par propelente parafina (+aditivos)/oxigênio gasoso.

Palavras chave: motor foguete, propelente híbrido.

1. Introdução

O propósito da pesquisa é o projeto, construção e ensaio de um protótipo de motor foguete movido a propelente

híbrido. A propulsão híbrida é uma idéia antiga, porém relativamente pouco explorada pela engenharia aeroespacial no

Brasil. Um motivo que desestimulava a exploração dos propelentes híbridos era a baixa taxa de regressão do

combustível sólido (Almeida & Santos, 2005). Assim, a taxa de emissão de massa não era adequada para boa parte das

aplicações com uso de motores foguete. Portanto, o desenvolvimento dos híbridos seria favorecido pelo conhecimento

de materiais combustíveis que propiciassem boa taxa de queima.

Recentemente, um grupo de pesquisadores da Universidade de Standford (Aerospace America, dezembro de 2002)

conduziu uma pesquisa que levou à identificação de uma classe de combustíveis baseados em parafina que possuem

taxa de regressão entre 3 e 4 vezes maior que a de combustíveis tradicionalmente usados em motores híbridos. Isso

despertou o interesse para a pesquisa de motores híbridos movidos a combustíveis baseados na parafina (mais algum

oxidante convenientemente escolhido). Até 2001, uma parceria formada pela Universidade de Standford com a NASA

já havia feito mais de 30 testes com híbridos de parafina em um laboratório criado para o estudo desses combustíveis.

No Brasil, já há um grupo de pesquisadores da Universidade de Brasília que tem se dedicado ao estudo de híbridos com

combustível baseado em parafina.

O presente projeto visa ao estabelecimento de uma bancada adequada, com um motor robusto e versátil, para o

estudo de motores foguete híbridos com combustíveis baseados em parafina. Nessa bancada, serão tomados dados de

pressão na câmara de combustão e empuxo gerado em função do tempo de ensaio. Além disso, serão feitas medidas de

taxa média de regressão do grão de parafina utilizado em cada queima. Inicialmente, deseja-se testar o par propelente

parafina (+aditivos)/oxigênio gasoso.

Espera-se que a construção desse primeiro protótipo híbrido do CTA, a instalação de sua bancada e os resultados

obtidos nos ensaios iniciais estimulem o desenvolvimento de pesquisas na promissora área da propulsão híbrida.

2. Projeto e Construção

Serão descritos agora os cálculos e as considerações teóricas utilizados para a realização do projeto do motor.

2.1. A Reação de Combustão

Este protótipo de motor-foguete utilizará como propelente o par parafina+O2(g). Será feita uma descrição de como

se dá a reação de combustão desses reagentes e como foram obtidas as informações necessárias para os cálculos

posteriores. A parafina, representada pela fórmula C20H42, apresenta-se, em condições ambiente, na forma de cera sólida

branca. Ela possui ponto de fusão entre 47ºC e 65ºC, dependendo de sua composição, e também apresenta propriedades

de combustíveis (Parafina, 2008), o que permite a sua aplicação nesse projeto. Sua reação com o gás oxigênio, em

condições estequiométricas, pode ser representada da seguinte maneira, Eq. 1 (Almeida & Santos, 2005):

𝐶20𝐻42 + 30,5 𝑂2 → 20 𝐶𝑂2 + 21 𝐻2𝑂. (1)

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010

,

2

Um dado importante que pode ser determinado por meio dessa fórmula é a razão entre a massa de oxidante

consumida e a massa de combustível consumida, doravante denominada k. Considerando a massa molar da parafina

como sendo de 282,566 g/mol e a do gás oxigênio como 32 g/mol (Almeida & Santos, 2005), realiza-se o seguinte

procedimento para determinar k, Eq.(2):

𝑘 =𝑚𝑜

𝑚𝑐=

𝑛𝑜𝑀𝑜

𝑛𝑐𝑀𝑐=

30,5.32

1.282,566= 3,454 (2)

Outro fator relevante é a massa molar média dos gases resultantes da combustão. Isso pode ser obtido fazendo

uma média ponderada dos produtos da fórmula fornecida. Sendo a massa molar do gás carbônico 44 g/mol e a da água

18 g/mol, Eq.(3):

𝑀 =𝑛𝐶𝑂2𝑀𝐶𝑂2 +𝑛𝐻2𝑂𝑀𝐻2𝑂

𝑛𝐶𝑂2𝑛𝐻2𝑂=

20.44+21.18

20+21= 399,463𝑔/𝑚𝑜𝑙 (3)

Vale ressaltar que, na confecção do grão combustível, será adicionado negro de fumo à parafina derretida. Isso visa

melhorar as características mecânicas do grão.

2.2. A Concepção do Motor

Os motores-foguete híbridos possuem, geralmente, as partes representadas na Figura 1 (Almeida & Santos, 2005):

Figura 1 - Componentes do motor-foguete híbrido.

Seguem breves considerações sobre alguns desses componentes:

Reservatório de oxidante : recipiente pressurizado no qual está contido o oxidante da reação de combustão.

Injetor: consiste em uma placa com pequenos orifícios cuja função é controlar o fluxo de massa que entrará

na região de combustão do motor.

Pré-Câmara: aqui, o gás oriundo do injetor expande-se antes de entrar na câmara propriamente dita e

começar a combustão.

Câmara de combustão: na câmara de combustão estará armazenado o grão combustível de parafina e

também o ignitor que dará o início ao funcionamento do foguete. Ficou decidido que o comprimento dessa parte do

motor deveria limitar-se a 15 cm. Nela ocorre a mistura e a reação de combustão entre os componentes do propelente,

como mostrado na Figura 2 (Newlands, 2004).

Figura 2 – Combustão no interior da câmara.

Pós-Câmara: nesta parte do motor, as substâncias que não reagiram completamente na câmara têm a

possibilidade de fazê-lo antes de serem ejetados do motor-foguete, resultando em um melhor aproveitamento do

potencial energético da reação de combustão.

Tubeira: a função da tubeira é converter a energia potencial do escoamento oriundo da combustão em

energia cinética (Sutton, 1992). Ela apresenta uma seção convergente, na qual o escoamento está em velocidade

subsônica, e uma seção divergente, na qual o escoamento passa a apresentar velocidades hipersônicas. Entre essas duas

regiões, está a garganta, ou área crítica, na qual o escoamento possui velocidade transônica.


,

3

Quanto ao método de usinagem e ao material empregado na confecção do motor, tendo em vista o caráter

experimental do projeto, decidiu-se que sua concepção deveria levar em conta as seguintes características:

VERSATILIDADE: Possibilidade de alterar facilmente as dimensões do motor, permitindo simular situações

distintas e selecionar uma configuração ótima para o dispositivo.

DURABILIDADE: O motor deveria ser reutilizável para permitir ensaios em diferentes situações,

possibilitando a aquisição de uma maior variedade de dados.

Para satisfazer o primeiro requisito, decidiu-se que as diversas partes do motor seriam fabricadas

individualmente e depois integradas por meio de flanges. Desse modo, seria possível alterar apenas uma porção do

motor sem a necessidade de fabricação de um novo protótipo. Já para o segundo critério, optou-se pelo emprego de aço

inox com espessura de 5 mm para constituir a parede do motor, pois esse material, além de ser capaz de resistir à

pressão interna do motor durante a combustão, iria conferir ao dispositivo a durabilidade desejada.

Outro fator relevante era a compatibilidade que deveria existir entre o motor e a bancada de testes. Por isso, foi

necessário conhecer como seriam empregados os sensores e inserir no projeto as conexões adequadas para esses

equipamentos.

2.3. Dimensionamento do Motor

Abaixo segue a lista com símbolos usados nas equações de dimensionamento do motor: Ac Área crítica

Af Área da saída da tubeira

F Empuxo

h Comprimento da câmara de combustão

m Massa total do propelente

mo Massa de oxidante

mc Massa de combustível

k Proporção (em massa) entre consumo de oxidante e combustível

M Massa molar média dos gases de exaustão

Mo Massa molar do oxidante

Mc Massa molar do combustível

No Número de mols de oxidante na queima

nc Número de mols de combustível na queima

Pf Pressão na saída do bocal

P0 Pressão na entrada do bocal

R Constante universal dos gases

r Raio instantâneo da porta de combustão

r0 Raio inicial da porta de combustão

rc Raio da garganta

rf Raio da saída da tubeira

rm Raio da câmara de combustão

tq Tempo de queima

T0 Temperatura na câmara durante a combustão

Tf Temperatura do escoamento na saída da tubeira

vg Velocidade de ejeção dos gases

vs,f Velocidade do som no escoamento da saída da tubeira

V0 Volume do fluido na câmara de combustão

Vf Volume do fluido na saída da tubeira

γ Coeficiente isentrópico do fluido resultante da combustão

μf Número de Mach no escoamento da saída da tubeira

ρ Densidade do fluido resultante da combustão

O empuxo em um foguete, Eq.4, (Sutton, 1992) é dado por:

dt

dmvF g

(4)

O fluxo de massa está relacionado com a área da garganta de acordo com a relação abaixo (Van

Wylen,1973), Eq.5:

12

1

0

01

2

RT

MPA

dt

dmc

(5)

Para determinar a velocidade de ejeção dos gases, será utilizada a Eq.(6) (Van Wylen,):


,

4

1

0

0 11

2

P

P

M

RTv

f

g

(6)

Substituindo tais resultados na primeira expressão, chega-se a Eq. 7:

1

0

212

1

0

12

1

0

0

1

0

0

11

2

1

2

1

21

1

2

P

PPAF

RT

MPA

P

P

M

RTF

f

c

c

f

(7)

Com o auxílio do MATLAB, buscou-se, por meio da variação de Ac e P0, uma configuração que fornecesse

um empuxo de 150N (empuxo de projeto).

Com Ac e P0 determinados, procedeu-se com a determinação das áreas da tubeira e da câmara do motor.

Inicialmente, foi necessário realizar algumas considerações quanto à variação de temperatura ao longo do escoamento

do gás.

Sendo γ o coeficiente isentrópico do gás de exaustão, temos a Eq. 8:

1

0

0

1

2

21

12

2211

P

PTT

P

P

TP

TP

VPVP

f

f

(8)

Sabe-se que a velocidade do som no gás de exaustão no fim da tubeira é dada pela Eq. 9:

M

RTv

f

fs

,

(9)

Então o número de Mach para o gás de exaustão é, Eq. 10:

fs

g

fv

vm

,

(10)

Isso pode ser calculado empregando-se os resultados das equações 5, 7 e 8. De posse do número de Mach do

gás na tubeira, pode-se empregar a Eq. 11 para calcular a área dessa seção do motor (Van Wylen,):

12

1

2

2

11

1

2

f

f

cf m

m

AA

(11)

A área de câmara foi dimensionada levando em conta a velocidade de consumo do grão e do volume de

propelente necessário para que o motor cumprisse o tempo de queima proposto.

Primeiramente, vamos relacionar a variação da massa do foguete com a taxa de regressão. Sendo (ρ) a

densidade do combustível, tem-se que, dada uma variação de volume, a variação da massa de combustível é dada pela

Eq. 12:

dVdmc (12)

Para um cilindro, o volume é dado pela Eq. 13: 2rhV (13)

A variação do volume em função do raio é dada pela Eq. 14:

rhdrdV 2 (14)

Logo temos que a variação da massa é, Eq. 15:

rdrhdmc 2 (15)


,

5

A Eq. 16 inclui a variação temporal:

dt

drrh

dt

dmc 2 (16)

Mas a variação da massa total (m) do foguete depende tanto da perda de combustível (mc) quanto da perda de

oxidante (mo). Sendo k a proporção entre a massa de oxidante e a massa de combustível empregadas, tem-se a Eq 17.:

dt

dmk

dt

dmk

dt

dm

dt

dm

dt

dm

dt

dm cccoc 1 (17)

De acordo com a Eq.6, chega-se à Eq. 18:

dt

drrhk

dt

dm21

(18)

Substituindo esse resultado na Eq. 3, obtem-se a Eq. 19:

dt

drrhkvF g 21

(19)

Manipulando os termos, chega-se a Eq. 20:

qm t

g

r

r

g

g

dthkv

Frdr

dthkv

Frdr

dt

drr

hkv

F

0 21

21

21

0

q

g

m

q

g

m

g

m

thkv

Frr

thkv

Frr

thkv

Frr

1

1

2122

2

0

2

0

2

2

0

2

(20)

Desse modo, determinou-se rm (raio da câmara), rc (raio crítico) e rf (raio da tubeira). A seguir constam os

dados usados e os resultados obtidos com as simulações no computador:

DADOS:

R=8.314472; %constante dos gases

T=3108; %temperatura na câmara

gamma=1950/1607; %cp/cv

M=(20*44+21*18)/41*(0.001); %massa molecular média dos gases de saída

Pf=1e5; %pressão na saída da tubeira

ro=0.005; %raio inicial no grão

F=150; %empuxo

tq=6; %tempo de queima

k=3.454; %proporção oxidante-combustível

h=0.15; %comprimento do grão

ρ=840; %densidade da parafina

RESULTADOS:

pressao na câmara de combustão = 32,5 bar

raio da camara = 16,4 mm

raio critico da tubeira = 3,14 mm

raio da saída tubeira rt = 7,05 mm

Calculou-se ainda o raio dos injetores. Considerando o orifício do injetor como sendo um bocal convergente no

qual o escoamento atinge a velocidade do som e que o gás oriundo do cilindro chega ao injetor com uma pressão de

42,5 bar, empregou-se a Equação (3) para determinar a área total dos injetores que forneceria o fluxo de massa

desejado. Nesse caso, Pf assumiu o valor de 32,5 bar e P0 assumiu o valor de 42,5 bar. Em seguida, verificou-se que 7


,

6

orifícios com diâmetros de 1 mm, dispostos da maneira mostrada na planta em anexo, resultariam na mesma área

desejada.

2.4. Modelamento em CAD

Determinadas as dimensões do motor, foi necessário modelá-lo em CAD a fim de gerar as plantas que serviriam

como referência para a usinagem do protótipo. Para isso, empregou-se o software CATIA®, o qual possibilitou a

geração de modelos virtuais do protótipo, apresentados na Figura 3.

Figura 3 – Modelo virtual do motor(vistas isométricas).

2.5. Instalação do Orifício para o Transdutor de Pressão

Após a chegada do motor (construído no INPE), percebeu-se que não seria possível realizar o processo de

soldagem do dispositivo de encaixe do transdutor de pressão no Laboratório Feng. Assim, a câmara de pós-combustão

precisou voltar ao INPE para a finalização do trabalho. A Figura 4 exibe o motor (antes de instalado o dispositivo do

transdutor de pressão).

Figura 4 – Protótipo construído no INPE.

2.6. Confecção dos Grãos Combustíveis

O grão combustível é composto por 95% de parafina tinta de preto e 5% de negro de fumo. A tintura escura serve

para evitar a irradiação de calor através do grão e garantir que o aquecimento do grão seja prioritariamente superficial.

A adição do negro de fumo é feita com intuito de melhorar as características mecânicas do grão.

O método empregado para a confecção dos grãos foi o seguinte:

Aquecer a parafina até a liquefação;

Não permitir que a temperatura da parafina exceda 60°C a fim de não deformar a fôrma de PVC que será usada depois;

Misturar o negro de fumo à parafina;

Pôr a mistura no tubo de PVC e tampar bem as extremidades;

Antes que a mistura resfrie, colocar o PVC para girar em um torno mecânico com rotação superior a 1000 rpm, por no

mínimo uma hora. Esse procedimento irá criar a porta de combustão do grão.

Nos primeiros grãos, aqueceu-se a parafina em banho-maria, mas o processo era muito lento. Depois, viu-se ser

melhor aquecer a parafina em um recipiente de alumínio (lata de óleo, por exemplo), diretamente no fogo. Assim, o

derretimento torna-se muito mais rápido e não há perda na qualidade do grão, desde que não se permita a temperatura

exceder 60°C.

Além disso, percebeu-se ser melhor usar um tubo de PVC suficientemente longo, a fim de fazer vários grãos em

apenas uma utilização do torno.

Caso seja necessário para os cálculos, pode-se utilizar 15% como fator de contração de volume da parafina quando

solidificada. A Figura 5 mostra alguns dos grãos produzidos.


,

7

Figura 5 – Grãos em envoltória de PVC.

2.7. Montagem da Bancada de Testes

A bancada de testes foi montada em uma sala isolada no Laboratório Feng. Excetuando-se a abertura das válvulas

principais do cilindro de oxigênio (há ainda uma válvula solenóide, acionada do lado externo da sala), todos os demais

comandos são remotos. Segue a lista dos itens da bancada:

Painel de controle, exterior à sala de testes;

Cilindro de oxigênio (200 bar);

Válvula principal do cilindro (200 bar);

Válvula reguladora (60 bar);

Válvula solenóide (10 bar);

Sistema de ignição (aciona o skib);

Célula de carga (150N);

Sistema de medição de pressão (98 bar);

Sistema de refrigeração do transdutor de pressão;

Duto condutor de gases quentes (direciona-os para fora da sala);

Sistema eletrônico de aquisição;

Computador (software para aquisição de dados: LabWiew).

3. Ensaios

A filosofia dos ensaios foi de começar com pressões baixas de injeção de oxigênio e aumentar lentamente esse

valor, à medida que se conhece melhor o sistema. Até o presente momento foram realizados 4 ensaios:

Ensaio 1: teste do sistema de ignição;

Ensaio 2: pressão de injeção de 5 bar;

Ensaio 3: pressão de injeção de 9 bar;

Ensaio 4: novamente, pressão de injeção de 9 bar.

3.1. Procedimento de Segurança para os Ensaios

Foi requerido pelo professor orientador que se fizesse uma lista de procedimentos de segurança para a realização

dos ensaios. Segue os passos a serem seguidos em cada teste:

1- Instalação do grão à câmara de combustão: deve-se assegurar de que o encaixe está justo. Caso haja necessidade pode-

se colocar fita veda rosca ao redor do grão, até que o encaixe fique firme;

2- Verificação de obstrução dos injetores;

3- Montagem do motor: deve-se apertar cada conjunto de parafusos com cuidado;

4- Fixação do motor à bancada: deve-se apertar os parafusos com cuidado.

5- Verificação de vazamentos nas linhas de oxigênio: usa-se uma esponja molhada com sabão a fim de verificar eventual

fuga de gás;

6- Ajuste da pressão a ser liberada pelo cilindro de oxigênio: esse valor não pode ultrapassar o limite da válvula solenóide;

7- Fixação do skib: deve-se verificar se o skib não é lançado para fora do motor quando a válvula solenóide é aberta;

8- Depois de bem ajustado o motor, deve-se fazer a calibração do sistema de aquisição de dados. Recomenda-se anotar

valores de pressão e de temperatura do ambiente (em testes que requeiram maior precisão);

9- Ligar câmara para filmagem do ensaio, se for o caso;

10- Certificar-se de que ninguém está na sala de testes;


,

8

11- Ligar o sistema de refrigeração do transdutor de pressão;

12- Inicializar o programa de aquisição de dados;

13- Liberar o fluxo de oxigênio através do acionamento da válvula solenóide;

14- Deflagrar o skib;

15- Estar atento a qualquer alteração durante a queima. Caso haja necessidade deve-se interromper o fornecimento de

oxigênio;

16- Ao fim da queima, aguardar alguns segundos sem alterar o fluxo de oxigênio;

17- Cortar o fornecimento de oxigênio e aguardar alguns segundos;

18- Finalizar o programa de aquisição de dados.

3.2. Ensaio 1: Teste de Ignição

O teste foi realizado no dia 15/07/2010. Por medida de segurança, o primeiro ensaio foi realizado sem a tubeira e

com pressão de injeção levemente superior à pressão atmosférica. Obteve-se sucesso, o motor acendeu e permaneceu

assim até que foi cortado o fornecimento de oxigênio, ver Figura 6.

Figura 6 – Teste de ignição.

Como o objetivo do ensaio era apenas verificar o funcionamento do ignitor, não se utilizou do sistema de aquisição

de dados.

A queima foi feita com baixa pressão de oxigênio. Ficou evidente que a combustão da parafina foi incompleta, pela

cor da chama. Além disso, a maior parte da parafina derreteu e caiu sobre a bancada. Pareceu evidente que o

derretimento da parafina é tão veloz que, a menos que se tenha boa pressão de oxigênio, a maior parte do combustível

será desperdiçada.

3.3. Ensaio 2: Pressão de Injeção de Oxigênio de 5 bar.

O teste foi realizado no dia 10/08/10, tudo correu tranquilamente. Foi colocada a tubeira e utilizou-se o sistema de

aquisição de dados. O skib foi posto na parte do grão próxima da câmara de pós-combustão.

Infelizmente, houve problemas com a calibração nesse teste. A célula de carga não estava marcando empuxo zero

no início do ensaio. Além disso, uma pressão tão baixa de injeção (apenas 5 bar) gera muito pouco empuxo e pouca

pressão na câmara de combustão. De fato, teoricamente se previu empuxo de 4 N e pressão de câmara de combustão de

3,8 bar, ou seja, pressão manométrica de aproximadamente 2,8 bar. Considerando o sistema de aquisição usado, com

esses baixos valores de saídas o sinal fica muito ruidoso. Assim, preferiu-se descartar a série de dados obtidos e ajustar

a calibração para o ensaio seguinte.

O tempo de queima estequiométrica foi calculado em aproximadamente 30 segundos (considerando que o PVC não

queime). Experimentalmente mediu-se cerca de 30 segundos. Além dessa informação, percebeu-se na filmagem

realizada uma chama instável e de coloração muito amarelada, característica de combustão incompleta. Se a queima foi

incompleta, com expulsão de parafina não queimada e, além disso, demorou tanto quanto o esperado para combustão

estequiométrica, é de se suspeitar que a vazão de oxidante estava menor que o previsto. Talvez a pressão de injeção foi

inferior ao valor lido na válvula do cilindro. Essa possibilidade deverá ser investigada posteriormente. Após o

experimento foi verificado que o tubo de PVC não queimou. Notou-se ainda grande quantidade de negro de fumo

depositado nas superfícies internas do motor, sendo esta uma indicação da queima incompleta.

3.4. Ensaio 3: Pressão de Injeção de Oxigênio de 9 bar

O ensaio foi realizado no dia 13/08/10. O tempo de queima estequiométrica calculado teoricamente foi de 17

segundos. O empuxo teórico calculado foi de aproximadamente 20 N e a pressão na câmara de combustão

aproximadamente igual a 7,0 bar, ou seja, pressão manométrica de 6,0 bar. As Fig. 7 e Figura 8 exibem os dados

obtidos pelo sistema de aquisição.


,

9

Percebeu-se algumas estranhezas nos dados. Os primeiros segundos são referentes à espera até o momento de

ignição. No momento da ignição o sensor de empuxo registrou um pico negativo de força. Obviamente isso não

corresponde à realidade. Depois de investigação, descobriu-se que o sistema de ignição estava interferindo na obtenção

de dados da célula de carga. Assim, teve-se de mudar o método de ignição para o ensaio posterior.

Além disso, após o final do ensaio (aproximadamente 26 segundos no gráfico), o valor do empuxo continuou

crescendo lentamente, sem explicação plausível. É possível que a interferência inicial tenha prejudicado toda a

aquisição de empuxo desse ensaio.

Quanto à pressão, nota-se que a medida dos primeiros segundos corresponde a um valor de aproximadamente 0,5

bar. É claro que não havia pressão na câmara menor que a pressão atmosférica; percebe-se, então, uma inadequação no

zero da calibração. Se o problema constatado fosse apenas esse seria de fácil solução, bastando realizar acréscimo de

um degrau nos valores da medição. Entretanto, no final do ensaio, os dados exibem dois picos sucessivos de pressão na

câmara. Se houvesse apenas um pico, seria razoável imaginar algum tipo de obstrução no bocal que deveria ser

acompanhado por grande liberação de gás quente e conseqüente resposta em pico de empuxo. Isso não foi verificado.

Portanto, precisou-se consertar as falhas do sistema de calibração para o ensaio posterior.

Apesar das falhas mencionadas com a aquisição dos dados, apenas por valor de documentação, será exibido um

resumo dos dados coletados. Reforça-se que os dados obtidos no ensaio do dia 13/08/10 não apresentam confiabilidade

suficiente para análise do funcionamento do motor. A Tabela 1 exibe dados da região de maior interesse na aquisição.

Figura 7 – Empuxo vs. tempo. Pressão de injeção de oxigênio igual a 9 bar.

Figura 8 – Pressão versus tempo. Pressão de injeção de oxigênio igual a 9 bar.

Tabela 1 – Resumo de dados do ensaio. Incerteza calculada com base em 90% de confiança.

Valores Médios (entre 14 e 24s) Teoria Quase-Unidimensional

Empuxo (N) Pressão (bar) Empuxo (N) Pressão (bar)

16,8 ± 0,1 3,89 ± 0,1 20 7

Ao comparar-se os valores calculados com as médias provenientes da aquisição nota-se que, apesar dos

valores de empuxo serem relativamente próximos, o mesmo não ocorre com os valores das pressões. Isso reforça a

desconfiança quanto aos dados dessa aquisição. Para uma pressão de câmara de 3,9 bar, o modelo prevê empuxo de 4

N, bem diferente da média apontada de 17N.

-120

-70

-20

30

0 10 20 30 40

Emp

uxo

(N

)

Tempo (s)

Empuxo vs. Tempo

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40

Pre

ssão

(b

ar)

Tempo (s)

Pressão vs. Tempo


,

10

O tempo de queima real foi de 14 segundos, enquanto o teórico foi calculado em 17 segundos. Houve, porém,

ao final, entupimento da tubeira pela expulsão da envoltória de PVC, isso fica claro nas imagens da filmagem realizada.

É possível, portanto, que em condições normais (sem a obstrução do PVC) a queima tivesse durado mais tempo.

3.5. Ensaio 4: Pressão de Injeção de Oxigênio de 9 bar

Este foi o último ensaio realizado, no dia 26/08/10. Foi mudado o sistema de aquisição para evitar a

interferência com o sistema de aquisição de dados. O tempo de queima estequiométrica calculado teoricamente foi de

17 segundos. O empuxo teórico calculado foi de aproximadamente 20 N e a pressão da câmara de combustão

aproximadamente igual a 7,0 bar, ou seja, pressão manométrica de 6,0 bar. Os dados obtidos podem ser vistos nas Fig.

9 e Figura 10.

Vê-se que o problema de interferência no momento da ignição foi solucionado. À aproximadamente 25 segundos

houve obstrução da tubeira pelo PVC. Nesse momento percebe-se pico de pressão relacionado a pico de empuxo, o que

é natural. Ao fim do experimento registrou-se empuxo médio de 4N, acompanhado de pressão média na câmara de 1,0

bar. Não se sabe exatamente ainda o motivo desse valor residual de empuxo, isso deverá ser investigado.

De forma geral, a qualidade de aquisição desse experimento foi muito superior à do anterior, apesar da questão do

empuxo residual.

Figura 9 - Empuxo vs. tempo. Pressão de injeção de oxigênio igual a 9 bar

Figura 10 - Pressão vs. tempo. Pressão de injeção de oxigênio igual a 9 bar

A Fig. 11 e a Tabela 2 exibem detalhes da região de maior interesse na aquisição.

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35

Emp

uxo

(N

)

Tempo (s)

Empuxo

-1

1

3

5

7

9

0 5 10 15 20 25 30 35

Pre

ssão

(b

ar)

Tempo (s)

Pressão


,

11

Figura 11 - Detalhe dos dados obtidos.

Tabela 2 - Resumo de dados do ensaio. Incerteza calculada com base em 90% de confiança.

Valores Médios (entre 7,5 e 17,5s) Teoria Quase-Unidimensional

Empuxo (N) Pressão (bar) Empuxo (N) Pressão (bar)

10,8 ± 0,1 4,07 ± 0,01 20 7

Ao comparar-se os valores calculados com as médias provenientes da aquisição nota-se que tanto os valores

de empuxo quanto os de pressão estão abaixo do calculado. Para uma pressão de câmara de 4,1 bar esperar-se-ia

empuxo de 5 N. Para empuxo de 11 N esperar-se-ia pressão de câmara de 5 bar (teoria de escoamento isentrópico

quase-unidimensional).

Chama atenção o valor de empuxo ser superior ao esperado para a pressão média medida. É possível, porém

que a pressão imediatamente na entrada da tubeira seja superior a pressão na região do orifício na câmara de combustão

que dá acesso ao transdutor de pressão.

No mais, crê-se que o maior sucesso desse ensaio foi a melhora significativa no sistema de aquisição, com

solução do problema de interferência do ignitor. Além disso, houve clara correlação entre resultados de empuxo e

pressão (como foi visto nos picos relacionados a 25 segundos).

Mais uma vez, como foi visto no ensaio do dia 10/08/2010, os dados indicam a possibilidade de que a

pressão real de oxidante na injeção é menor que o valor lido no indicador da válvula reguladora.

O tempo de queima real foi de 19 segundos, enquanto o teórico foi calculado em 17 segundos. Houve,

novamente, ao final, entupimento da tubeira pela expulsão da envoltória de PVC, isso fica claro no vídeo. Após o

entupimento a queima é retomada e continua por alguns instantes.

3.6. Considerações Finais

Considera-se a maior realização do presente trabalho tornar possível a disponibilidade de um protótipo de motor

hibrido e de uma bancada instrumentada para ensaio desse protótipo. Os testes até então realizados são incipientes e

testaram mais a capacidade da bancada em fornecer bons resultados que o próprio funcionamento do motor ou as taxas

de regressão da parafina.

De fato, para ser possível fazer ensaios referentes à taxa de redução da parafina seria necessária injeção de oxigênio

a pressões superiores a 40 bar, o que só será possível quando houver um sistema de liberação de oxigênio mais robusto.

O sistema de aquisição de dados ainda carece de especial atenção. Mais testes devem ser realizados até que todas as

possíveis fontes de equívoco sejam detectadas e os resultados sejam plenamente confiáveis. Acredita-se que não se está

longe disso.

Aqui é um bom espaço para sugestões acerca de futuros trabalhos com o motor e sua bancada:

A envoltória de PVC mostrou-se uma grande facilitadora para a construção dos grãos, mas é extremamente indesejável

dentro da câmara de combustão. Ela diminui significativamente a quantidade de parafina na câmara e obstrui a tubeira

antes do final da queima de todo o combustível. A sugestão é que seja abandonada a envoltória de PVC. Deve-se buscar

um recipiente cilíndrico com diâmetro interno igual ao diâmetro interno da câmara de combustão. Esse recipiente seria

usado apenas para a confecção do grão, mas apenas a parafina iria para a região de queima;

-2

0

2

4

6

8

10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

3 8 13 18 23

Pre

ssão

Man

om

étr

ica

(bar

)

Emp

uxo

(N

)

Tempo (s)

Empuxo E Pressão vs. Tempo

Empuxo

Pressão Manométrica


,

12

Testes para determinação das taxas de regressão de combustíveis baseados em parafinas só serão possíveis quando

houver pressão de injeção de oxigênio da ordem de 40 bar, devido às características geométricas do motor. É

necessário, portanto, projetar um sistema de liberação de oxigênio suficientemente robusto, ou comprar uma válvula

adequada no mercado;

Suspeita-se que a pressão de injeção de oxigênio está aquém de pressão lida na válvula reguladora. Deve-se tentar

medir qual o valor real de pressão. A sugestão é obstruir a tubeira e liberar o gás para o interior do motor. A leitura da

pressão seria feita então pelo sistema de aquisição da câmara de pós-combustão. Esse procedimento permitiria verificar

a calibração da válvula reguladora, bem como do instrumento de leitura de pressão do motor (já que qualquer

discrepância nos valores indicaria falha de um ou outro componente);

A temperatura na câmara de combustão foi suposta, em todos os cálculos, como sendo igual à temperatura de queima da

parafina. Essa é uma boa aproximação para projeto, mas não há garantia de que seja assim no funcionamento real do

motor. Isso pode ser uma fonte de disparidades no valor das variáveis calculadas. Portanto, conhecer a real temperatura

na câmara de pós-combustão é essencial para o bom andamento do projeto. Assim, sugere-se instalar também um

sensor de temperatura na câmara de pós-combustão. A obtenção dessa temperatura permitiria a realimentação do

modelo de cálculo de pressões, vazão e empuxo, e tornaria as previsões teóricas mais confiáveis;

O caso de bloqueio da tubeira pelo resíduo de PVC alertou para a possibilidade de picos indesejáveis de pressão.

Felizmente houve o cuidado de iniciar o teste com pressões relativamente baixas, a fim de detectar tais anormalidades.

Assim, para os ensaios em pressões maiores, fica a sugestão de instalação de uma válvula de segurança.

4. Agradecimetnos

Primeiramente a Deus, que a cada dia me dá motivos, forças e alegria para a realização dos meus trabalhos.

Agradeço também à minha namorada Raquel (Quel) pela paciência com o namorado ocupado com os estudos e

pelo prazer de sua inseparável companhia.

Aos meus pais, Reginaldo e Shírlei, agradeço o amor e também incentivo que recebo desde pequeno, não só com

relação aos meus estudos, mas em todos os meus empreendimentos.

Agradeço aos amigos de alojamento que sempre descontraem o ambiente dos estudos.

Também ao professor orientador, Prof. Pedro Teixeira Lacava, pela paciência na discussão dos aspectos do projeto

e pela oportunidade de participar de um projeto científico.

Agradeço aos amigos do Mestrado em Engenharia Aeroespacial do ITA: Anderson Neves, Vanderlei Júnior,

Márcio Ueda e Reinaldo Martins pela ajuda dada prontamente e, em todo tempo, de bom grado.

Agradeço ao colega do curso de Engenharia Aeronáutica, Ney Rafael, pela grande ajuda dada no início desse

projeto, tanto nas definições das características do motor e nos cálculos de suas dimensões quanto por ter feito todo o

desenho em CAD do projeto.

Sou grato à equipe do Laboratório Feng pela montagem dos diversos sistemas da bancada: aquisição de dados,

linhas de gás, ignição, resfriamento e painel de controle. Assim, nominalmente, agradeço ao Engenheiro Carlos Guedes,

ao técnico Rondineli Marcelino e ao estagiário Marcelo Guedes.

Agradeço ao colega do curso de Engenharia Aeronáutica, André Fernando, por gentilmente ceder já pronto o

programa em LabView para aquisição dos dados. Sou grato também ao tempo dedicado para me ensinar o uso do

programa.

Agradeço ao Prof. Amílcar Pimenta pela revisão do texto do artigo e pelas sugestões.

Por fim, agradeço ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo incentivo à produção

do conhecimento científico e à formação de futuros pesquisadores, tão importante tarefa no empenho para a melhoria da

vida do povo brasileiro e para a afirmação da soberania de nossa nação.

5. Lista de Referências

Almeida, L. A. R.; Santos, L. M. C. Projeto, Construção e Lançamento de um Foguete Híbrido à Base do Par

Propelente Parafina-N2O. Universidade de Brasília. Brasília, Janeiro de 2005.

Anderson, J. D. Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill. USA, 1984.

Sutton, G. P., Biblarz, O. Rocket Propulsion Elements: an introduction to the engineering of rockets. Seventh Edition.

John Wiley & Sons. Printed in USA, 2000.

Van Wylen, G. J., Sonntag R. E. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. 1ª Edição. Editora Edgard Blucher Ltda.

São Paulo, 1973.

Cavalcante, A. F. Conversa privada.

protÓtipo de motor foguete movido a propelente … · protÓtipo de motor foguete movido a...

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