O sistema de injeção de um motor foguete a propelente líquido (MFPL) é considerado uma das partes mais importantes para o perfeito funcionamento do motor. Seus parâmetros fluidos mecânicos influenciam diretamente no comportamento térmico da câmara, por conseqüência na eficiência de combustão, refrigeração do motor e também na estabilidade dinâmica de todo o motor. Esta dissertação propõe uma metodologia de cálculo para dimensionamento de injetores centrífugos líquido-líquido para motor foguete a propelente líquido, validada através da obtenção da geometria de um injetor já conhecido, o injetor do motor russo RD-109. Este trabalho também estuda aspectos experimentais de influência dos canais tangenciais de admissão de fluido no ângulo de cone, distribuição da vazão mássica e razão de mistura, que são os principais parâmetros de desempenho do injetor. O conhecimento prévio desses parâmetros é útil antes da montagem dos injetores no cabeçote, pois conhecendo seu comportamento é possível distribuí-los de maneira a melhorar a resposta dinâmica do sistema e a eficiência de combustão, otimizando os custos de ajustes do motor na fase de testes a quente.

A escolha correta dos injetores garante uma mistura rápida e um processo estável de queima na câmara de combustão de um motor foguete a propelente líquido (MFPL). Devem ser considerados parâmetros de desempenho do injetor como ângulo de cone de pulverização do spray, distribuição da vazão mássica, distribuição da razão de mistura, tamanho de gota e mecanismos de instabilidade de queima. Esta tese de mestrado apresenta uma compilação dos principais procedimentos de cálculo relativos a injetores centrífugos utilizados em MFPL, obtidos a partir da literatura russa. A comprovação deste procedimento de cálculo é feita mediante duas comparações. Uma a partir da metodologia de cálculo apresentada comparando-se os resultados das dimensões do injetor obtidos, com os dados técnicos do injetor utilizado pelo MFPL RD-0109 operado com oxigênio líquido e querosene; a outra comparação será entre os cálculos teóricos dos parâmetros de desempenho do injetor com os resultados experimentais obtidos a partir de testes a frio. No trabalho verifica-se também o comportamento do injetor quando há variação do comprimento da região do misturador Lmist, analisando as mudanças na distribuição da razão de mistura e na distribuição da vazão mássica característica do injetor centrífugo bipropelente. O conhecimento prévio do comportamento destes parâmetros de desempenho do injetor é útil na fase de testes a quente do MFPL, otimizando e reduzindo os custos de ajuste do motor. O entendimento do funcionamento do injetor centrífugo empregado em MFPL é fundamental para utilização do mesmo em futuros projetos de câmaras de empuxo e geradores de gás a serem desenvolvidos pelo IAE. Caso o projetista opte pelo emprego deste tipo de injetor, esta tese servirá de fonte de referência para o desenvolvimento do projeto.

O presente trabalho descreve uma metodologia para cálculo de câmara de combustão de motor foguete a propelente líquido baseado essencialmente na experiência russa. A câmara de combustão projetada é adequada para estágios superiores de foguete e seu desenvolvimento foi focado nas características do motor russo 8D719. Inicialmente é feito um estudo sobre o motor utilizado como referência no projeto e são efetuados os cálculos dos principais parâmetros do motor com 55kN de empuxo, pressurizado por turbobomba (ciclo aberto) e alimentado pelos propelentes etanol e oxigênio líquido, no qual a câmara de combustão projetada se insere. Basicamente, o projeto abrange o dimensionamento geométrico da câmara de combustão incluindo seu sistema de refrigeração regenerativa, a determinação do fluxo de calor ao longo de seu invólucro e a estimativa de sua capacidade de carga. Para dimensionamento da câmara adotou-se as mesmas dimensões da parte cilíndrica do motor 8D719, assim como o número de injetores e o posicionamento desses no cabeçote. Os fluxos de calor são determinados para câmara de parede dupla com canais internos e sua capacidade de carga é estimada levando em consideração apenas os esforços radiais. Os resultados obtidos no projeto estão coerentes com as literaturas utilizadas servindo de base para construção da câmara e validação do projeto.

Este trabalho apresenta o estudo e simulação numérica do escoamento no interior e exterior de um injetor centrífugo bipropelente similar a aquele empregado no motor foguete a propelente líquido RD-0110, pertencente à etapa orbital da nave espacial Soyuz, sendo considerado um dos motores mais eficientes da historia aeroespacial. Além, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo matemático capaz de predizer o diâmetro de gota de Sauter em função dos parâmetros geométricos obtidos no estudo do escoamento interno (primeira parte deste trabalho) e parâmetros geométricos externos envolvidos no estudo da estabilidade do filme e dos fenômenos de ruptura da folha cônica, considerando os efeitos da viscosidade do líquido (segunda parte deste trabalho), os tamanhos de gotas calculados com o presente modelo matemático, serão comparados com resultados obtidos a partir de equações empíricas, testes experimentais e da simulação numérica utilizando o modelo de atomização Cone. Para o caso da simulação numérica do escoamento no interior do injetor centrífugo bipropelente foi utilizada uma malha estruturada tridimensional de grande envergadura capaz de abranger três zonas importantes: a câmara de vórtices do estágio de oxidante (injetor centrífugo fechado), a câmara de vórtices do estágio de combustível (injetor centrífugo aberto) e a zona destinada para a visualização do spray, com a finalidade de compreender os fenômenos originados pela interação dos escoamentos de oxidante e combustível no interior do injetor bipropelente. Cabe mencionar que para simular os fenômenos de turbulência, foi utilizado o modelo RNG k-? em regime permanente e transiente as através do código comercial CFD Fluent 14.0. Obtendo assim, uma análise mais confiável das diferentes aplicações utilizadas no desenho e optimização dos injetores centrífugos, procurando à vez, uma adequada atomização, distribuição homogênea dos propelentes na câmara de combustão e dispersão do tamanho de gotas que leve a um processo de combustão eficiente.

Esta dissertação apresenta dois algoritmos para solução de problemas inversos de convecção de calor (PICC): O Método do Gradiente Conjugado Ordinário (MGCO) e o Método do Gradiente Conjugado e Problema Adjunto (MGCPA). O intuito é caracterizar estas técnicas para emprego como ferramenta de projeto durante o desenvolvimento térmico de Câmaras de Combustão de Motores Foguete a Propelente Líquido (MFPL). As ferramentas aqui apresentadas são adequadas para realizar investigações ligadas aos sistemas de refrigeração internos, como Filme de Refrigeração e a Camada de Parede, assim como fundamentar o dimensionamento dos canais de refrigeração externos da Jaqueta de Refrigeração. Os métodos foram submetidos a testes numéricos para análise de incerteza de solução sob influência do Número de Fourier, da incerteza na estimativa das condições de contorno externas, da grandeza do fluxo de calor estimado e da presença de ruído no histórico de temperatura experimental. Ao final é apresentado um experimento onde as técnicas são aplicadas na estimativa da temperatura de parede e fluxo de calor na superfície de fogo de uma placa de cobre aquecida por uma tocha de butano. Também é sugerida e testada uma configuração de termopar com alta velocidade de resposta. As análises feitas mostraram que, uma vez preenchidos requisitos experimentais estabelecidos nesse trabalho, a incerteza da solução inversa obtida por ambas as técnicas se mantém inferior a 5%.

O processo de injeção de combustíveis nas câmaras de combustão é de vital importância, sob diversos aspectos, para o funcionamento ideal de cada tipo de motor. O elemento responsável pela introdução de propelentes líquidos e gasosos na câmara de combustão de foguetes e pela transformação de massas líquidas em "sprays" é o injetor que converte a energia potencial dos propelentes em energia cinética, pela queda de pressão em seu interior, formando um jato ou folha líquida que se desintegra então em gotas[

O objetivo deste trabalho foi apresentar o estudo de corpos-de-prova de cobre revestidos com material cerâmico. Para esta finalidade foi desenvolvida uma metodologia para caracterizar o comportamento térmico dos referidos corpos-de-prova visando aplicação em câmaras de empuxo de motores foguete. Nos motores foguetes, a temperatura de combustão do par de propelentes líquidos pode atingir 3500K. Para garantir integridade estrutural da câmara, parte do fluxo de combustível é injetada dentro das paredes da câmara, reduzindo a temperatura da parede para níveis em torno dos 1000K. Entretanto, essa redução de temperatura não elimina completamente os altos gradientes de temperatura, que alteram as propriedades mecânicas do material usado na câmara de empuxo. Uma solução alternativa pode ser a utilização de materiais cerâmicos para revestimento das paredes internas da câmara, atuando como barreira térmica. A metodologia pretende avaliar a viabilidade de utilizar-se de materiais cerâmicos sobre corpos de cobre por meio do processo de aspersão térmica a plasma. Os corpos-de-prova de cobre da liga UNS C18200 foram revestidos com zircônia (ZrO2) estabilizada com 8,0% em peso de ítria (YO1,5). Na análise dos corpos-de-prova foram utilizadas caracterizações micrográficas, caracterizações térmicas e difrações por raios X. Por fim foram realizados ensaios térmicos como forma de avaliar qualitativamente a eficiência do revestimento em forma de barreira térmica estudado.