As Máquinas do tipo Turbobombas são elementos chaves no desempenho de um Motor Foguete a Propelente Líquido - MFPL, no entanto o uso destes dispositivos é evitada em um grande numero de propulsores encontrados pelo mundo principalmente quando o fator custo se torna bastante relevante. Deste modo foram realizadas uma série de ensaios com materiais especiais com objetivo de diminuir a dependência de metais estrangeiros, elevar a eficiência do componente, diminuir seu custo final e viabilizar sua manufatura no Brasil. Foram feitos levantamentos bibliográficos a respeito dos materiais e processos mais indicados para a turbobomba hipotética em estudo, com uma visão bastante abrangente da maquina juntamente com o foco em processos e materiais encontrados no mercado nacional. Posteriormente o estudo foi focado no problema proposto, e então após um levantamento bibliográfico detalhado foram feitos experimentos com fim de embasar as decisões de projeto relativas a turbina. Primeiramente, foram escolhidas as ligas metálicas mais comuns neste tipo de aplicação, notadamente ligas baseadas em Níquel, e ligas mais exóticas com alta probabilidade de uso, neste caso baseadas em Nióbio. Após as escolhas das ligas adequadas foram realizados uma série de ensaios para determinar parâmetros relativos a dificuldade de usinagem destas ligas, juntamente com parâmetros relacionados com a capacidade de suportar ambientes oxidantes em altas temperaturas. Baseando-se nos dados bibliográficos recolhidos e fazendo um paralelo com os dados experimentais recolhidos e com dados da indústria nacional foi possível traçar recomendações quanto às decisões de projeto relativas aos materiais e processos de manufatura da turbina da turbobomba em estudo.

Este trabalho apresenta um metodo para estudar a viabilidadede sistemas propulsivos a propelentes liquidos em termos da capacidade de satelizacao do veiculo. Foram desenvolvidos modelos dedesempenho de motores de ciclo gerador de gas e propelentes LH2/LO2,de massas (metodo analitico-estatistico) de motores e estagios e de trajetoria subotima (metodo da parametrizacao da funcao de controle)de veiculos lancadores. Sao estudados a influencia da razao da mistura e pressao na camara de combustao do motor Vulcain na capacidade de satelizacao do Ariane 5P.

Atualmente no Brasil temos uma escassa experiencia em motores foguete a propelente liquido, devido a isto e conveniente o estabelecimento de modelos matematicos basicos, que possibilitem a compreensao, dimensionamento e motivacao para o desenvolvimento desses propulsores. A robustez operacional, a relativa simplicidade mecanica e a diversidade de uso, levou a considerarmos neste trabalho os sistemas propulsivos baseados nos motores foguete monopropelente e bipropelente liquidos pressurizados a gas. A partirdos principios de conservacao da massa, energia e quantidade de movimento foram desenvolvidos modelos matematicos, considerando-se exclusivamente a variacao temporal das variaveis envolvidas, dos seguintes elementos basicos dos sistemas propulsivos citados. * Reservatorios de propelente isobarico e nao isobarico, pressurizados a gas. * Tubulacoes e acessorios (valvulas, placa de orificio, placa injetora) * Camara de combustao ideal, tubular ideal e tubular com efeito do transporte de massa. * Bocal supersonico (tubeira) ideal. Convem ressaltar que as camaras de combustao com efeito do transporte de massa visam uma melhor aproximacao as camaras reais. Para cada modelo de sistema propulsivo foi dimensionado um sistema propulsivo. O motor foguete monopropelente baseia-se nos micropropulsores cataliticos a hidrazina de 100 N de empuxo projetados pelo INPE/IAE. Os motores bipropelentes dimensionados sao uma proposta viavel pra motores de bancada que desenvolvem 10000 N de empuxo e que utilizem com propelentes os pares etanol - oxigenio e querosene (RP-1) - oxigenio. Os sistemas propulsivos foram simulados numericamente utilizando-se o metodo Runge-Kutta de quarta ordem, para isto foram desenvolvidos programas computacionais utilizando-se a linguagem Pascal devido a principalmente ser esta uma linguagem didatica e de alto nivel. Os resultados dessas simulacoes sao apresentados na forma grafica, mas seguintes relacoes: - Empuxo X Tempo. - Vazao de Propelente X Tempo. - Pressao na Camara de Combustao X Tempo. - Raio da Gota de Propelente X Tempo. Estes resultados sao apresentados na forma de curvas com perfis caracteristicos desses sistemas propulsivos. Os modelos desenvolvidos e as tecnicas utilizadas mostraram-se muito eficientese robustas o suficiente para serem utilizadas como ferramentas de projeto de engenharia.

Este trabalho é uma continuação à pesquisa e desenvolvimento de materiais para aplicação em turbinas a gás e câmaras de combustão do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA). Diversas pesquisas já foram realizadas no DCTA permitindo desenvolver e caracterizar revestimentos, como forma de barreira térmica, para serem aplicados sobre componentes em superligas à base de níquel. Este trabalho tem como objetivo realizar a validação do banco de dados termodinâmicos do software ThermoCalc por meio da comparação de características microestruturais (como fases presentes, suas composições e quantidades) e ensaios experimentais, assim como inserir nessa plataforma dados complementares para que se possa empregar a termodinâmica computacional como ferramenta versátil, prática e de elevada confiança. Ressalta-se que as informações disponíveis nesses bancos darão subsídios para posterior seleção de revestimentos a serem utilizados na fabricação de turbinas de Motores-Foguete a Propelente Líquido (MFPL). Foram confeccionadas amostras contendo ZrO2-Nb2O5, Y2O3-Nb2O5, e ZrO2-Nb2O5-Y2O3. Realizou-se ensaios de massa específica e densidade, indentação, DTA e MEV, com os quais foi possível estabelecer a composição de 16% em mol de Y2O3 e 16% em mol de Nb2O5 como sendo as melhores concentrações de óxidos aditivos à zircônia, promovendo uma estabilização total da fase tetragonal à temperatura ambiente. A otimização dos binários ZrO2-Nb2O5 e Y2O3-Nb2O5 foi concluída, mostrando-se adequada e coerente com os resultados reportados na literatura. O trabalho é inovador e complexo, contudo, com o conhecimento adquirido até então, é possível realizar uma primeira seleção, com qualidade, dos materiais para revestimentos.

The main aim of this work is to present the specification of an experimental firing test stand of liquid rocket engine (LRE), comprising the main design, the instrumentation of measurement system, the data acquisition system, the operating manual, as well as the methodology to perform laboratory work for determination of a LRE thrust characteristics in atmospheric conditions. Initially it is presented a theoretical basement of LRE in general and concerning the laboratory work. After that it is proposed a methodology for execution of laboratory work using resources of information technology, which will allow the automatic and remote functioning of the test stand, and it will give to the users the inputs necessaries to realization of tests and attainment of reliable results. The specification of the test stand is result of calculations implemented in MathCAD program in way of algorithms presented in appendix of this work. The control of mass flow rates of propellant by automatic pressure regulators and valves, as well as the data acquisition of test stand is carried out by Labview program in a NI PXI platform. The instrumentation of measurement system will make possible online measurements of temperatures, pressures, mass flow rates and thrust force related to the tests. It is presented also a preliminary analysis of type B uncertainties of test stand system, and a comparative analysis between designed LRE with similar rocket engine of a test stand in operation.

O injetor é considerado um dos principais componentes de um motor foguete a propelente líquido (MFPL), sendo o responsável pela atomização e qualidade da mistura dos propelentes na câmara de combustão de um MFPL. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia de cálculo com a finalidade de se obter um modelo de injetor gás líqüido. Através de equações, obtêm-se os parâmetros principais do injetor, tais como: diâmetros dos orificios de entrada de propelente no injetor, coeficientes de perdas hidráulicas do propelente durante a passagem pelo injetor, números e comprimento dos canais de injeção, entre outros. Com análises em laboratório, conseguiu-se obter os principais parâmetros de desempenho do injetor tais como: distribuição de massa na câmara de combustão, vazão mássica e ângulo do cone de saída do fluido atomizado e, assim, analisar experimentalmente os resultados obtidos. Tendo como conclusão principal, que o modelo de injetor proposto nesta dissertação se encontra dentro do esperado, ou seja, o atomizador é eficiente para gerar um spray que atenda satisfatoriamente uma situação de combustão. Caso o leitor opte por trabalhar com injetores gás líqüido, este trabalho poderá ser utilizado como referência bibliográfica.

O presente estudo apresenta uma metodologia de análise do sistema de resfriamento de um motor foguete a propelente líquido e os resultados de uma investigação de um método de resfriamento largamente utilizado em câmaras de combustão, denominado filme de resfriamento ou film cooling, aplicado a um motor de 75 kN de empuxo que utiliza como propelentes oxigênio líquido e querosene. Partindo de um motor cujo filme de resfriamento é formado através da aspersão de combustível dos injetores posicionados na periferia do sistema de injeção, foram analisados experimentalmente dois casos: o primeiro assume que 50% do líquido aspergido pelos injetores periféricos participa da formação do filme de resfriamento; o segundo considera o filme formado apenas pelo líquido que escoa pela parede interna da câmara de combustão. Com a análise dos resultados obtidos de ensaios a frio utilizando o sistema de injeção de um motor modelo em desenvolvimento no IAE (motor L15) realizou-se a validação dos dados teóricos provenientes de cálculos e recomendações fornecidas por especialistas do Moscow Aviation Institute - MAI e também o refinamento dos valores para a aplicação nos motores em desenvolvimento do IAE. O parâmetro utilizado para validação e refinamento dos dados teóricos foi a penetração do filme de resfriamento, pois esse parâmetro é de suma importância para que se obtenha uma proteção térmica eficiente internamente à câmara de combustão. Os ensaios a frio confirmaram uma penetração suficiente do filme de resfriamento para o comprimento da câmara de combustão do motor estudado.

O principal objetivo dessa dissertação é investigar o mecanismo físico de funcionamento do ignitor gás dinâmico para possibilitar uma partida suave do motor L15 e também conhecer as propriedades da chama gerada pelo ignitor, o que possibilirá alteração de parâmetros de operação do ignitor para outros motores. Será apresentada nesse trabalho uma investigação teórica do mecanismo de aquecimento do gás injetado no ressonador do ignitor gás dinâmico, um modelamento matemático para esse mecanismo, incluindo uma rotina de cálculo e ainda, a comparação com os resultados de ensaios. Serão investigados experimentalmente o tempo de ressonância, e como diminuí-lo e a razão de mistura da chama gerada pelo ignitor, de forma que uma chama rica em combustível seja alcançada.

As experiências que os institutos de pesquisas do Brasil detém com motores-foguete a propelente líquido são limitadas aos trabalhos acadêmicos e ao desenvolvimento de motores monopropelente e bipropelente de até 115 N de empuxo. Em razão da necessidade de se desenvolverem motores bipropelente na faixa de 200 a 600 N para os projetos em curso no Brasil, espera-se que este trabalho se torne útil, permitindo a determinação dos parâmetros geométricos e funcionais destes motores, mediante um programa de simulação elaborado em Visual Basic (trade market), denominado WinMotor. Através deste programa podem ser realizadas simulações de operação de um motor, através da variação dos parâmetros iniciais. Como resultado destas simulações, o projetista obtém os parâmetros geométricos e funcionais finais do motor, dentro de uma faixa de eficiência máxima. Como existem motores bipropelente das mais variadas concepções, para a elaboração do programa foi necessário definir os componentes básicos do motor, o algoritmo de cálculo e o par oxidante - combustível. Para o combustível escolheu-se o UDMH e para o oxidante o N2O4. O algoritmo de cálculo como definido é específico para um motor com as seguintes características: câmara de combustão do tipo cilíndrica, injetor do tipo centrífugo ("swirl"), resfriamento interno da parede por meio de filme líquido ou gasoso, pressões de câmara entre 0,55 a 1,0 MPa e razões de mistura oxidante - combustível entre 1 e 2,9. A validação teórica do programa foi feita através de testes de coerência entre os valores dos parâmetros de entrada com os valores dos parâmetros de saída do programa.

O estudo do comportamento dinâmico de um motor foguete a propelente líquido é de fundamental importância durante as fases preliminares do projeto. O presente trabalho está dividido em quatro partes. Na primeira parte faz-se uma análise do princípio de funcionamento do motor foguete e de seus principais subsistemas. Na segunda parte, faz-se uma análise da metodologia de sistemas físicos por meio de grafos de ligação. Na terceira parte, é feito um acoplamento das duas primeiras partes e se obtém os modelos matemáticos para os diversos subsistemas do motor foguete. No início da quarta parte é feita uma análise qualitativa do sistema de controle de empuxo do motor foguete e, finalmente são feitas simulações computacionais de um modelo de motor foguete simplificado.