Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Este trabalho apresenta uma metodologia quer permite realizar o projeto básico (preliminar) de um míssil tático. Especificamente, o projeto aborda mísseis táticos cujo sistema propulsivo é baseado em estatorreatores a combustível sólido. A parafina sólida tem-se mostrado uma alternativa importante para motores foguete a propelentes híbridos. Os parâmetros relevantes da equação da taxa de regressão da parafina em motores a propelente híbridos foram determinados com diversos tipos de oxidante. Inúmeros estudos indicam que a parafina tem se mostrado um combustível de alto desempenho para motores foguete. Não se tem notícia, contudo, do estudo da parafina como combustível para estatorreatores. Desta forma, neste trabalho, construiu-se uma bancada experimental para avaliar combustíveis sólidos operando com ar viciado (oxidante). Um conjunto de ensaios permitiu definir uma equação para a taxas de regressão da parafina operando com ar viciado que simula um míssil operando a 10000 m de altitude a velocidade de Mach 2,5. Com base nesta equação, projetou-se um míssil da classe ar-ar cujo sistema propulsivo é baseado em estatorretaor a combustível sólido com parafina. Os resultados indicaram que a metodologia proposta permite definir as dimensões preliminares de um míssil tático, propulsado por um estatorreator com combustível totalmente a base de parafina sólida. / This work presents a methodology, which allows conducting preliminary design of tactical missiles. Specifically, the research addresses tactical missiles whose propulsive system was based on solid fuel ramjet. Solid paraffin has been one important alternative for hybrid rocket engines. The relevant parameters of the solid-fuel regression rate had been determined for a diversity of oxidizers. Many studies show that paraffin gives good engine performance in hybrid rocket engines. A literature survey indicated an absence of work on paraffin as an alternative fuel for ramjets. In this work, a test bench was constructed in order to evaluate solid fuels combustion with vitiated air (oxidizer). A set of firings allowed the definition of a regression equation for the paraffin and vitiated air that simulates a missile operating at 10000 m altitude and at Mach 2.5 velocity. Based on the proposed equation for the solid fuel regression rate, it was designed an air to air missile, relying on a solid fuel ramjet operating with paraffin. The results showed that the proposed methodology allows defining the preliminary dimensions of an air to air tactical missile whose propulsive system is entirely based on solid fuel paraffin.

A condição ótima de funcionamento de uma tubeira em um motor foguete com escoamento isentrópico, implica que a velocidade na garganta (seção de menor área) seja equivalente à velocidade do som local, condição de Mach 1 e bocal engasgado. Pode-se alcançar essa condição reduzindo a área da seção do escoamento até a área crítica, velocidade sônica. Após a garganta acontece a expansão e se alcança velocidades supersônicas no divergente. Para manter a condição de Mach 1 na garganta em motores foguetes, trabalha-se com pressões superiores à necessária para se engasgar o bocal. Isto ocorre porque tenta-se compensar instabilidades ou variações de volumes produzidos na combustão ou queima. Usando uma pressão de trabalho maior, impõe-se que a condição de Mach 1 fique mantida durante toda a queima do combustível, isso implica em usar tubos mais resistentes à pressão e maior massa do tubo-motor. Observou-se experimentalmente que em algumas situações construtivas se podem modificar a pressão e temperatura necessárias para engasgar o bocal aumentando o comprimento da garganta. O comprimento do estrangulamento pode estabelecer uma condição para formação e evolução da camada limite e esta condição restringir a área nominal, modificando o regime do escoamento. Um equipamento especialmente desenvolvido para esse ensaio compara resultados de cinco modelos de motores, divididos em dois grupos, cada grupo com áreas de entrada, garganta e saída iguais, porém com comprimentos diferentes de garganta. Em análise experimental, observou-se que a pressão de trabalho e a temperatura são influenciadas pelo comprimento da garganta, interferindo na relação entre as pressões internas e de garganta e apresentando condições de engasgamento mensuráveis. Essas medidas foram conduzidas no presente estudo de doutorado. / The optimum operational condition of a rocket motor nozzle with isentropic flow implies that the velocity at the throat (the section with smallest area) is equivalent to the speed of the local sound. This speed is also called Mach 1 and it is said that at this condition the nozzle is choking. One can achieve this condition by reducing the cross-sectional area of the flow to the critical area resulting in a sonic speed. Beyond the nozzle throat, in the divergent section of the motor, flow expansion occurs and reaches supersonic speeds. To maintain the condition of Mach 1 at the throat, higher pressures than the one necessary to choke the nozzle are applied. This practice is done in order to compensate for jitter or variations of volumes produced in the combustion process. Using a higher operating pressure guarantees that a Mach 1 speed is maintained throughout the combustion process. Consequently, due to this higher operating pressure, more resistant tubes are needed to withstand this higher pressure and an increase in the motor weight is inevitable. It was observed experimentally that some constructional modifications of the motor can alter the pressure and temperature required for choking. This was noted with increasing the bottleneck length of the nozzle throat which was able to establish a condition for the formation and evolution of the boundary layer, restricting the nominal area and thus modifying the flow regime. In this study, the results of five engine models are compared using a specially designed equipment. The rockets were divided into two groups, each with equal inlet, throat, and exit areas, but having different throat lengths. In experimental analysis, it was observed that the working pressure and temperature are influenced by the length of the throat, interfering in the relationship between the internal pressures and throat presenting measurable choking conditions which were conducted in this doctorate thesis study.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2013. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-01-05T16:10:41Z No. of bitstreams: 1 2013_FábioRezendePradodosSantos.pdf: 3468992 bytes, checksum: efa8ff1fd5a9ca676baf6a3fa031dc9c (MD5) / Approved for entry into archive by Patrícia Nunes da Silva(patricia@bce.unb.br) on 2016-01-07T15:44:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_FábioRezendePradodosSantos.pdf: 3468992 bytes, checksum: efa8ff1fd5a9ca676baf6a3fa031dc9c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-07T15:44:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_FábioRezendePradodosSantos.pdf: 3468992 bytes, checksum: efa8ff1fd5a9ca676baf6a3fa031dc9c (MD5) / Os motores-foguetes líquidos modernos trabalham com diferentes tipos de combustíveis líquidos que fornecem simultaneamente energia e trabalho. Neste ultimo caso, o fluido de trabalho passa através de um bocal com o objetivo de gerar empuxo. A maioria dos motores modernos utilizam como combustível dois propelentes para criar o empuxo. Porem, um único par propelente não satisfaz todas as missões oferecidas por um foguete: algumas missões necessitam da possibilidade de mais carga útil ou um alcance maior. Assim, o melhor combustível e escolhido para cada situação, com base nas exigências especificas do foguete. Quando ha exigências diferentes e contraditórias, que não podem ser tratadas ao mesmo tempo, a escolha do par propelente e conduzida com base em decisões de conciliem as missões primordiais do foguete. Os dois índices básicos que determinam a qualidade do combustível são: a densidade especifica e o impulso especifico. Esses parâmetros influenciam na geração de energia e na massa do conjunto em todo o foguete. Hoje em dia, e necessário considerar também o aspecto ambiental e, por isso, entra como requisito o quanto o combustível pode causar danos não só ao meio ambiente como também aos seres humanos durante o manuseio. Nesse estudo, diferentes pares propelentes são testados para um mesmo modelo de motor, ou seja, com configuração predefinida, de modo que possam ser comparados. Os propelentes mais comuns foram examinados: oxidantes - tetróxido dinitrogênio, oxigênio liquido e AK27 (mistura que contem acido nítrico) e combustíveis - dimetil-hidrazina assimétrica (UDMH) e querosene. Cinco pares propulsores foram formados pela combinação dos componentes citados. Cálculos termogas-dinâmicos e perfis de câmara de combustão e do bocal expansor foram realizados para cada par propulsor. Com base na comparação das características de massa-energia dos pares propelentes formados, e possível avaliar qual e o combustível mais adequado de acordo com a missão. ______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Modem liquid rocket engines operating with different kinds of fuel, which constitutes simultaneously an energy source and source of work. In this last case, the fluid working passes through the cut of a nozzle, producing thrust. Most modem engines use a twocomponent fuel. A single propellant pair does not satisfy all possible missions offered by a rocket. Thus, the best fuel for each situation is chosen based on its specific demands. When there are different and contradictory demands that cannot be addressed simultaneously, the choice of the fuel is conducted on the basis of compromise decisions.The two basic indexes which determine the quality of fuel are: the specific density and the specific impulse. These parameters largely influence the power and the mass descriptions of engine, as well as the whole rocket. Nowadays, environmental concerts are also so important aspects to be considered when it comes to the choice of the best fuel. In this study, different propellant pairs are applied to the same preset engine configuration, so that they can be compared. The most common propellants were examined: oxidants - nitrogen tetroxide, liquid oxygen and AK-27. The fuels analyzed were: the asymmetric dimethyl hydrazine and kerosene. Five propellants pairs were formed by combining the cited components. Thermogasdynamic calculations and combustion chamber’s profiles were made for each propellant pair. Based on the comparison of mass-energy characteristics of the propellant pairs formed, it is possible to evaluate which is the most appropriate fuel according to the mission.

A condição ótima de funcionamento de uma tubeira em um motor foguete com escoamento isentrópico, implica que a velocidade na garganta (seção de menor área) seja equivalente à velocidade do som local, condição de Mach 1 e bocal engasgado. Pode-se alcançar essa condição reduzindo a área da seção do escoamento até a área crítica, velocidade sônica. Após a garganta acontece a expansão e se alcança velocidades supersônicas no divergente. Para manter a condição de Mach 1 na garganta em motores foguetes, trabalha-se com pressões superiores à necessária para se engasgar o bocal. Isto ocorre porque tenta-se compensar instabilidades ou variações de volumes produzidos na combustão ou queima. Usando uma pressão de trabalho maior, impõe-se que a condição de Mach 1 fique mantida durante toda a queima do combustível, isso implica em usar tubos mais resistentes à pressão e maior massa do tubo-motor. Observou-se experimentalmente que em algumas situações construtivas se podem modificar a pressão e temperatura necessárias para engasgar o bocal aumentando o comprimento da garganta. O comprimento do estrangulamento pode estabelecer uma condição para formação e evolução da camada limite e esta condição restringir a área nominal, modificando o regime do escoamento. Um equipamento especialmente desenvolvido para esse ensaio compara resultados de cinco modelos de motores, divididos em dois grupos, cada grupo com áreas de entrada, garganta e saída iguais, porém com comprimentos diferentes de garganta. Em análise experimental, observou-se que a pressão de trabalho e a temperatura são influenciadas pelo comprimento da garganta, interferindo na relação entre as pressões internas e de garganta e apresentando condições de engasgamento mensuráveis. Essas medidas foram conduzidas no presente estudo de doutorado. / The optimum operational condition of a rocket motor nozzle with isentropic flow implies that the velocity at the throat (the section with smallest area) is equivalent to the speed of the local sound. This speed is also called Mach 1 and it is said that at this condition the nozzle is choking. One can achieve this condition by reducing the cross-sectional area of the flow to the critical area resulting in a sonic speed. Beyond the nozzle throat, in the divergent section of the motor, flow expansion occurs and reaches supersonic speeds. To maintain the condition of Mach 1 at the throat, higher pressures than the one necessary to choke the nozzle are applied. This practice is done in order to compensate for jitter or variations of volumes produced in the combustion process. Using a higher operating pressure guarantees that a Mach 1 speed is maintained throughout the combustion process. Consequently, due to this higher operating pressure, more resistant tubes are needed to withstand this higher pressure and an increase in the motor weight is inevitable. It was observed experimentally that some constructional modifications of the motor can alter the pressure and temperature required for choking. This was noted with increasing the bottleneck length of the nozzle throat which was able to establish a condition for the formation and evolution of the boundary layer, restricting the nominal area and thus modifying the flow regime. In this study, the results of five engine models are compared using a specially designed equipment. The rockets were divided into two groups, each with equal inlet, throat, and exit areas, but having different throat lengths. In experimental analysis, it was observed that the working pressure and temperature are influenced by the length of the throat, interfering in the relationship between the internal pressures and throat presenting measurable choking conditions which were conducted in this doctorate thesis study.

Propõe-se aqui uma metodologia de projeto aero-termo-estrutural de motores foguete a propelente sólido. O projeto de um motor foguete deve ser realizado com o objetivo de cumprir requisitos de uma missão. Para cada veículo espacial, com uma nova missão, um novo motor pode ser projetado, necessitando para isso de uma série de ferramentas robustas, capazes de compreender todas as combinações de esforços existentes no funcionamento de um motor, sob condições de altas pressões e temperaturas. A metodologia aqui proposta é testada e validada em bancada de ensaios desenvolvida para este fim. Os resultados obtidos mostram que a metodologia utilizada se aproxima bastante dos resultados teóricos e pode ser ajustada por coeficientes de eficiência com grande facilidade. / It is proposed here an aero-thermo-structural design methodology for solid propellant rocket motors. The design of a rocket motor must be carried out in order to fulfill requirements of a mission. For each new space vehicle, with a new mission, a new motor can be designed, requiring for it a variety of robust tools, able to comprise all combinations of load existing in the operation of a motor under high pressures and temperatures. The methodology proposed here is tested and validated in bank of tests developed for this purpose. The results show that the methodology is very close to the theoretical results and can be adjusted by coefficients of efficiency with great ease.

O tratamento térmico, considerado um processo especial, induz deformações em estruturas metálicas tratadas. Este trabalho propõe um método, baseado em técnicas estatísticas aplicadas a dados históricos, que permite visualizar, atestar de maneira significativa e obter uma previsão das variações dimensionais devidas ao tratamento térmico. O método proposto foi aplicado na averiguação das deformações ocorridas na têmpera e no revenimento de envelopes motores S40 e S43, usados correntemente no VLS-1 (veículo lançador de satélites). As variáveis "Diâmetro", "Comprimento" e "Erro de Forma Longitudinal" da região cilíndrica de tais motores foram avaliados antes e após tratamento térmico. Os resultados indicaram uma diminuição de "Diâmetro" e "Comprimento" e um aumento do "Erro de forma longitudinal". Finalmente, o método proposto obteve um intervalo de valores, com um nível de confiança de 95%, que permite o estabelecimento de tolerâncias de projeto para as variáveis trabalhadas, os quais devem ser usados como critérios na aceitação de um envelope motor.

O propulsor S-30 é utilizado nos veículos de sondagem VSB-30, VS-30 e Sonda III, do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), é alimentado com propelente sólido e possui envelope-motor fabricado em aço SAE 4140. O presente trabalho tem por objetivo analisar a bobinagem filamentar e as proteções térmicas internas e externas de um envelope-motor S-30 em compósito, para poder ser utilizado nos veículos VSB-30 e VS-30 do IAE. O envelope-motor em compósito visa manter as interfaces com partes já qualificadas dos veículos, como porta-empenas, ignitor, tubeira e dispositivos de carregamento de propelente, com o objetivo de substituir o envelope-motor metálico, mantendo as características propulsivas do propulsor S-30. Neste trabalho, foram realizados os dimensionamentos da geometria e das espessuras dos domos e da parte cilíndrica, análises de bobinagem filamentar usando o software CadWind e análises das proteções térmicas internas e externas. Foram realizadas análises para duas configurações: a primeira para um envelope-motor com aberturas polares iguais, por bobinagem helicoidal geodésica isotensoidal, e a segunda para um envelope-motor com aberturas polares diferentes por bobinagem não-geodésica. A conclusão principal baseada nas análises realizadas para as duas configurações estudadas, proporciona um propulsor S-30 bobinado com melhor desempenho que o S-30 com envelope-motor metálico, em razão da sua menor massa, ou seja, proporciona um maior apogeu para uma mesma carga útil ou uma maior carga útil para o mesmo apogeu.

Propõe-se aqui uma metodologia de projeto aero-termo-estrutural de motores foguete a propelente sólido. O projeto de um motor foguete deve ser realizado com o objetivo de cumprir requisitos de uma missão. Para cada veículo espacial, com uma nova missão, um novo motor pode ser projetado, necessitando para isso de uma série de ferramentas robustas, capazes de compreender todas as combinações de esforços existentes no funcionamento de um motor, sob condições de altas pressões e temperaturas. A metodologia aqui proposta é testada e validada em bancada de ensaios desenvolvida para este fim. Os resultados obtidos mostram que a metodologia utilizada se aproxima bastante dos resultados teóricos e pode ser ajustada por coeficientes de eficiência com grande facilidade. / It is proposed here an aero-thermo-structural design methodology for solid propellant rocket motors. The design of a rocket motor must be carried out in order to fulfill requirements of a mission. For each new space vehicle, with a new mission, a new motor can be designed, requiring for it a variety of robust tools, able to comprise all combinations of load existing in the operation of a motor under high pressures and temperatures. The methodology proposed here is tested and validated in bank of tests developed for this purpose. The results show that the methodology is very close to the theoretical results and can be adjusted by coefficients of efficiency with great ease.

O sistema de controle por alocação dos pólos com filtro foi utilizado para controlar a atitude de um modelo de veículo lançador de satélites. Com este intuito, foram confeccionados um modelo e uma base de fixação que permite a movimentação nos três graus de liberdade. Utilizando a resposta à entrada degrau em conjunto com um sistema de controle PID obtido de forma empírica para estabilizar o sistema, as características da planta foram identificadas e então o sistema de controle por alocação de pólos foi projetado. Este sistema apresentou uma oscilação em torno da referência com amplitude menor do que 0,5° e tempo de pico para a entrada degrau na ordem de 2,17 segundos. Um segundo controlador PID foi projetado de forma analítica para se obter uma referência, porém apresentou resposta com características inferiores ao controlador por alocação de pólos. Os dois sistemas de controle projetados conseguem manter o modelo estável mesmo quando um dos motores é desligado. / Pole placement control system with filter was implemented to control the attitude of a satellite launch vehicle model. With this purpose, a model and a fixing base with three degrees of freedom was made. Utilizing the system response to step input with PID controller empirically designed to stabilize the system, the model characteristics were identified and the pole placement control system was designed. This system oscillated around the reference with amplitude smaller than 0.5° and peak time around 2.17 seconds. Another PID controller was designed analytically for reference, however the pole placement controller had better response characteristics than the PID controller. Both controllers can stabilize the system even when one engine is shut off.

A otimização de parâmetros de desempenho de motores foguetes, utilizados principalmente em veículos lançadores de satélites, é de fundamental importância quando se deseja o lançamento de satélites, sejam em órbitas equatoriais, polares ou geoestacionárias. A necessidade de desenvolvimento de um booster a propelente sólido, para compor o primeiro estágio do lançador denominado VLS-BETA, originou a presente proposta de trabalho. Um estudo específico sobre este motor, no sentido de otimizar os principais parâmetros de desempenho, é necessário para definição da configuração do veículo, bem como o estudo de trajetografia e otimização de outros subsistemas do veículo. O resultado do levantamento das tecnologias disponíveis, dos meios materiais e dos softwares para simulação numérica é utilizado neste trabalho, com enfoque na definição e otimização dos parâmetros de desempenho de um propulsor de 40 t de propelente. São apresentados resultados por meio de gráficos, utilizados posteriormente para análise e discussão. Os principais parâmetros otimizados são: composição e geometria do bloco propelente, geometria da tubeira e massa estrutural dos componentes do MFPS, ou seja, envelope do motor, tubeira, proteções térmicas e ignitor.