Esta dissertação descreve estudo de guiamento de veículos espaciais que utilizam propulsão sólida, em especial o VLS, Veículo Lançador de Satélites. Os veículos espaciais que utilizam propulsão sólida não possuem controle do nível de empuxo, assim sua trajetória só pode ser controlada através da mudança de atitude. Seu guiamento é baseado na velocidade e posição instantâneas, na energia embarcada e na trajetória de forma a atender, com êxito, a condição requerida para a satelização. Neste processo, alguns dados são obtidos através de testes em bancos de ensaio, podendo apresentar dispersão ao serem comparados com os valores reais em vôo. Um dos mais importantes é o tempo de queima dos motores, motivador deste trabalho. Busca-se um algoritmo de guiamento insensível a dispersão no tempo de queima. Para que o algoritmo seja insensível a esta dispersão é necessário incluir além da condição de satelização, uma condição que leve o veículo a ter uma trajetória tangente à uma determinada superfície solução, definida por uma equação que relaciona as seguintes variáveis: VT , VR e R, velocidade tangencial, velocidade radial e raio, respectivamente. Assim, independente do momento do fim da queima do motor do terceiro estágio, o veículo já estará no plano solução desejado. O atendimento da condição de insensibilidade deve ocorrer de modo a não prejudicar o atendimento da condição de satelização. A validação deste algoritmo será realizada usando-se o ADAGA, que é um ambiente de desenvolvimento dos algoritmos de guiamento e apontamento.

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.

O projeto do sistema de controle de um veículo lançador de satélites é feito baseado em um algoritmo que leva em conta, dentre outros parâmetros, a propulsão produzida pelo motor foguete e o consumo de massa de propelente, dadas na forma de três curvas, chamadas de nominal, superior e inferior. A partir destas curvas, têm-se então limites, dentre os quais a curva de empuxo e massa real devem permanecer. Atualmente, o algoritmo usa um perfil de empuxo constante e um perfil de massa que depende da taxa de consumo de massa. Pelo fato do algoritmo utilizar estes dados, eles não condizem com o perfil de empuxo e massa reais, pois durante a queima do propulsor a propelente sólido, estes dados podem variar consideravelmente. As simulações do algoritmo levam em conta o perfil nominal de empuxo e massa. O ideal é ter um perfil real igual à nominal, mas isso não acontece devido às variações ocorridas no motor foguete. Por isso se faz necessário uma boa estimativa para o perfil de empuxo e de massa de tal forma que ela se aproxime o máximo possível do perfil real. Este trabalho apresenta uma Estimativa Online para, durante o voo do veículo, estimar os valores para o perfil de empuxo e de massa mais próximos dos valores reais, obtendo assim um algoritmo com resultados mais condizentes com a realidade.

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.

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.

Esta dissertação apresenta um conjunto de equações que modelam a dinâmica dos seguintes elementos básicos de um motor-foguete a propelente líquido (MFPL): câmara de empuxo (cabeçote de injeção e câmara de combustão); linha de alimentação (duto de seção transversal circular ou geometricamente equivalente); constritor (orifício calibrado ou válvula); regulador (regulador de pressão ou regulador de empuxo) e turbobomba (bomba centrífuga e turbina de impulso com um estágio). A abordagem usada neste trabalho é adequada para estudar variações temporais durante a fase de operação normal do motor, isto é, excluindo-se as fases de partida e de corte do mesmo. Adicionalmente, podem ser investigados problemas relacionados a instabilidades de baixa freqüência no sistema hidropneumático, as quais podem degenerar a eficiência do motor ou causar danos ao mesmo. As equações finais, relativas a cada um dos elementos básicos, são implementadas como diagramas de blocos encapsulados usando-se o software Matlab-Simulink e, com eles, é criada uma biblioteca de blocos para aplicações específicas em MFPL. Tal recurso dá a possiblidade de se fazer simulações computacionais de diferentes configurações de motor através de simples modificações na interação entre os blocos, além de permitir se verificar os efeitos causados pela modificação de quaisquer parâmetros do motor. Para ilustrar algumas possíveis aplicações, são estudadas duas configurações distintas: um MFPL pressurizado por gás e um por bomba. Em ambos os casos, respostas a degrau e respostas em freqüência são determinadas e usadas para analisar os efeitos do tempo de preparação da mistura (necessário para injetar, pulverizar, misturar e evaporar os propelentes) sobre a pressão da câmara de combustão.

Este trabalho foi realizado para avaliar o desempenho de composições pirotécnicas para a ignição de propelente sólido. Para esta avaliação foram realizados ensaios na Bomba de Pastilha (Bomba manométrica) e ensaios funcionais de ignitores em micropropulsores com propelente inerte e real. Estes micropropulsores são usados no foguete Veículo Lançador de Satélite (VLS) projetado no Centro Técnico Aeroespacial - Instituto de Aeronáutica e Espaço, CTA/IAE. Quatro destes micropropulsores são instalados no VLS e os funcionamentos devem ocorrer simultaneamente com uma dispersão de no máximo 50 milissegundo, entre eles, para que os propulsores atinjam 75% da pressão de trabalho no estado permanente de combustão. As composições pirotécnicas avaliadas foram: 1- Pólvora negra (PN); 2- Magnésio, Teflon, Viton B (MTV); 3- Magnésio, Perclorato de Potássio e ligante (Mg/KClO4); 4- Boro, Nitrato de Potássio e ligante (B/KNO3); 5- Alumínio, Perclorato de Potássio e ligante (Al/KClO4 ou Alclo). No experimento mais importante realizado neste trabalho, o ensaio de queima no banco de prova com quatro micropropulsores, os ignitores carregados com granulados de B/KNO3 e pastilhas de Al/KClO4 apresentaram o melhor desempenho entre todas as amostras ensaiadas, com dispersão na ordem de 35 ms.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e estudo de um modelo matemático do sistema de alimentação do banco de teste de motores foguete a propelente líquido para corpo de prova de 15 kN de empuxo do laboratório de propulsão líquida da APE/IAE (Divisão de Propulsão Espacial/Instituto de Aeronáutica e Espaço) com o objetivo de analisar a influência de efeitos fluido dinâmicos nos principais componentes do motor, levantando resultados da dinâmica de pressão e vazão para ensaios a frio e a quente. Para tal utilizou-se a modelagem em grafos de ligação, importante ferramenta para a simulação dinâmica de sistemas independentemente do seu domínio físico. Esta metodologia é fundamentada em elementos resistivos, capacitivos e de inertância, os quais interagem entre si através de ligações de energia, transmitindo potência e energia, sendo adequada para representação de sistemas hidráulicos. Neste trabalho foi utilizado uma amostra de pressão de ensaio a frio para o corpo de prova do propulsor de 15 kN de empuxo; esta será útil para aproximação da dinâmica de pressão do modelo com a real. Com essa aproximação foi possível simular ensaios a quente para dois pares-bipropelentes, Etanol/LOX e Querosene/LOX. O desenvolvimento deste trabalho e seus resultados contribuem para o melhor conhecimento da dinâmica fluida do sistema de alimentação da bancada de teste, o que torna a ferramenta apta para análise da influência dos componentes hidráulicos e alternativa para aplicação de futuros aperfeiçoamentos do sistema real.

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.

A utilização de motores foguete de combustível líquido em lançadores espaciais oferece muitas vantagens sobre seus homólogos sólidos: maior impulso específico, a possibilidade de re-ignição em vôo e o controle da magnitude do vetor empuxo. No entanto, os motores foguete líquidos são tecnicamente mais complexos do que os foguetes a propelente sólido. Nas atividades espaciais brasileiras, apenas motores foguetes sólidos tem sido utilizados em foguetes de sondagem e também no Veículo Lançador de Satélites (VLS). No Programa Espacial Brasileiro, o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), órgão responsável pelo desenvolvimento de foguetes, está desenvolvendo a tecnologia de motores foguete de propelente líquido para ser usada em lançadores de satélites no futuro. Tanques pressurizados ou turbobombas são utilizados para injetar o combustível e o oxidante na câmara de combustão, superando as perdas de pressão no resfriamento, válvulas, linhas de alimentação e injetores. Motores mais eficientes requerem maior pressão de câmara de combustão e só turbobombas podem fornecer pressões altas o suficiente para as linhas de alimentação. Estes sistemas operam em velocidades muito elevadas e sofrem intensas cargas dinâmicas. Portanto, o comportamento dinâmico do rotor deve ser avaliado ainda durante a fase de concepção. Esta dissertação encontra-se no âmbito dos esforços do IAE / ITA, a fim de desenvolver conhecimentos e recursos humanos na área de motores foguete de propelente líquido. Neste trabalho, uma unidade de turbobomba foi projetada para um motor de foguete de propelente líquido hipotético com 75kN de empuxo no vácuo. Também foi desenvolvido um programa de elementos finitos utilizando MATLAB considerando o eixo flexível com discos rígidos para analisar o comportamento dinâmico do rotor e dos mancais. Resultados clássicos de dinâmica de rotores, como diagrama de Campbell, modos de vibração e modos de giro foram calculados. Um valor de desbalanço típico para este tipo de sistema foi designado para o rotor e o efeito da distribuição de massas de desbalanceamento nos discos (bombas e turbinas) foi analisado. A análise indicou um rotor com vibrações laterais excessivas. Novas configurações do projeto foram criadas e analisadas com facilidade até uma configuração que atendesse aos requisitos de deslocamento foi encontrada.