O propelente sólido é uma mistura complexa e estável de ingredientes oxidantes e redutores, que ao entrarem em ignição, reagem entre si, formando moléculas gasosas a altas temperaturas. A estocagem de motores-foguetes carregados com propelente sólido compósito por longos períodos pode modificar propriedades de projeto, podendo ocasionar falhas, afetando assim a segurança durante o lançamento. Neste estudo foi realizado o envelhecimento acelerado, visando predição do tempo de vida útil, e avaliada a variação das propriedades do propelente com o decorrer do tempo, por meio de ensaios de tração, medidas de dureza, extração com solvente, análise térmica TG/DSC e ensaio em bomba calorimétrica. As temperaturas de envelhecimento utilizadas foram 45C, 55C e 65C e os tempos de envelhecimento foram 0, 1, 3, 6, 9, 10 e 12 meses. Foi feito também o envelhecimento em temperatura ambiente. Não houve variação significativa nos valores de energia de ativação de decomposição térmica nos dois métodos utilizados - Ozawa e isoconversional livre de modelo - durante o período de envelhecimento. A variação nos resultados obtidos pela bomba calorimétrica foi pequena. A extração com solvente mostrou que o uso do agente de ligação altera significativamente o teor sol durante o envelhecimento. Os resultados de propriedades mecânicas mostraram que com o decorrer do envelhecimento acelerado, o propelente tende a apresentar perda de rigidez, verificada pela redução nos valores de tensão máxima e módulo de Young. Houve também diminuição nos valores de dureza Shore A. A variação das propriedades mecânicas permitiu a predição do tempo de vida útil do propelente sólido compósito.

No atual processo de produção de Propelente Sólido Compósito que é utilizado nos Foguetes de Sondagens e no Veículo Lançador de Satélites, desenvolvidos pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço, estão previstos dois sistemas dedicados para efetuarem a homogeneização da mistura das matérias-primas presentes nesse propelente. Esses sistemas são denominados Macerador I e Macerador II. Com a principal meta de modernizar o referido processo, optou-se por automatizar toda a operação do Macerador II. Nesse contexto, este trabalho apresenta propostas de modelos, elaborados por meio das Redes de Petri, para representarem a atual arquitetura de automatização empregada na operação de comando e controle do Macerdor II. Esses modelos são submetidos às várias seqüências de simulações para avaliar se o comportamento dessa arquitetura é capaz de atender os requisitos de operação e segurança compatíveis com o processo em questão. Nessas simulações são avaliadas as propriedades das Redes de Petri que estão relacionadas com a conservação, a vivacidade e os conflitos do tipo confusão e mortal. Os resultados obtidos nessas avaliações mostram que os modelos propostos são capazes de representar os principais estados alcançados pelos equipamentos previstos no mencionado processo de homogeneização, durante a sua operação, e em função disso são sugeridas alterações que priorizem a segurança e a eficiência na utilização dessa arquitetura.

A decomposição térmica de amostras de formulações de propelente sólido do tipo compósito baseadas no polibutadieno líquido hidroxilado (PBLH) é um processo complexo que envolve vários fenômenos físico-químicos. Desde que a estrutura física do propelente sólido compósito é heterogênea, a estrutura da chama que se forma a partir de sua combustão também é heterogênea. O fenômeno de combustão deste tipo de compósito é extremamente dependente das espécies químicas empregadas na formulação de partida, pressão, temperatura inicial da superfície do grão propelente sólido, e vários outros parâmetros de caráter termoquímicos presentes na câmara de combustão do motor-foguete. Altas temperaturas, pressões e razões de aquecimento estão presentes na câmara de combustão de motores-foguete a propelente sólido durante seu funcionamento. Neste estudo, a técnica de análise térmica denominada termogravimetria, entre outras, foi empregada para elucidar a cinética de decomposição térmica de amostras de formulações de propelente sólido compósito baseadas no "binder" produto da reação entre o polibutadieno líquido hidroxilado (PBLH) com o di-isocianato de isoforona (IPDI) para razões de aquecimento variando entre 32,5 e 5 K/min. Observou-se que a energia de ativação (Ea) variou de acordo com a extensão da decomposição e o modelo cinético empregado. A grande versatilidade na qual poliuretanos obtidos a partir do PBLH/IPDI podem ser formulados, quando comparados a outros tipos de polímeros não energéticos empregados como "binders" em formulações de propelente sólido compósito, é a principal razão de seu uso extensivo ao longo destas últimas décadas. O PBLH permanece como principal poliol de partida na formulação destes compósitos. Devido a crescente exigência de aumento do valor do impulso específico destas formulações além da performance do motor-foguete, avanços crescentes podem ser registrados nas tecnologias que envolvem a obtenção destes compósitos. O envelhecimento da estrutura polimérica baseada no PBLH/IPDI pode afetar a performance balística do motor-foguete. A degradação das propriedades mecânicas do grão propelente sólido quando submetido a solicitações de origem térmica aumentam a possibilidade de falha do material pelo surgimento de microfissuras além de fenômenos de desagregação das cargas sólidas. As mudanças nas propriedades mecânicas do grão propelente sólido durante o processo de envelhecimento estão diretamente ligadas ao aumento da densidade de ligações cruzadas da rede polimérica que compõe o "binder" - PBLH/IPDI.

O estudo de um "binder", ou matriz polimérica, alternativo ao mineral baseado na substituição parcial do polibutadieno líquido hidroxilado (PBLH) pelo óleo de mamona potencialmente aplicável em formulações de combustíveis e propelentes sólidos em motores-foguete e "ramjet" em sistemas propulsivos de mísseis táticos e veículos lançadores de satélite, entre outros. Neste trabalho, foram empregadas técnicas de caracterização termoanalíticas como análise dinâmico mecânica (DMA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e termogravimetria (TG). A temperatura de transição vítrea para este novo "binder" foi determinada e é comparada com a temperatura de transição vítrea para o "binder" com base em PBLH, atualmente utilizado. Foram realizados ensaios mecânicos de tração uniaxiais no novo "binder" e em outro com base no PBLH, bem como em compósitos de formulações semelhantes com "binders" distintos. Procura-se estabelecer uma comparação entre eles, por meio de uma análise simples dos ensaios mecânicos, considerando-se o compósito combustível sólido como isotrópico com comportamento não-linear. Com os dados obtidos nos ensaios foi possível alimentar um pacote de elementos finitos, Cosmos Works 2007, e simular as condições de pressão instantânea máxima e compará-las com simulações realizadas em compósitos sólidos similares.

Motores-foguete a propelentes sólidos (MFPS) empregados na propulsão de artefatos bélicos, entre outros, são vulneráveis a estímulos externos, especialmente impactos balísticos por projéteis ou fragmentos se deslocando a altas velocidades. O impacto de um determinado projétil às altas velocidades, contra um motor-foguete carregado com propelente sólido, pode provocar reações do tipo detonação/deflagração comprometendo a segurança pessoal e material de missões operacionais das Forças Armadas Brasileiras. Baseado em procedimentos normatizados, foram realizados ensaios de impacto balístico com munição de calibre 12,7 x 99 mm (0.50) contra motores-foguete (MFPS) carregados com dois tipos de propelentes sólidos os quais integram o Sistema Bélico Ar-Terra (SBAT-70). Os resultados encontrados nestes ensaios de impacto balístico contra tubos motores-foguete de alumínio, carregados com propelente sólido do tipo base-dupla (BD) apresentaram, no total de testes conduzidos, 50% de reação do tipo deflagração e 50% de não reação. Quando carregado com propelente sólido do tipo compósito, nas mesmas condições de ensaio, 94% dos motores-foguete (MFPS) desenvolveram reação de deflagração e 6% de não reação. Esses resultados sugerem a troca do "case" metálico do tubo motor-foguete por um de material compósito principalmente nos tubos motores-foguete carregados com propelente sólido do tipo compósito, bem como recomenda o uso do propelente base dupla (BD) nos motores-foguetes de 70 mm, visando maior segurança operacional.

Os altos explosivos são ferramentas usadas em diferentes áreas de pesquisa e são componentes críticos em armas convencionais e nucleares. Para se obter mais energia em menor volume, iniciou-se o desenvolvimento dos explosivos plásticos (PBX). Os PBXs foram desenvolvidos para reduzir a sensibilidade do explosivos, e são amplamente usados em ambas as aplicações, civil e militar, onde alta performance seja requerida. Um método para obtenção de cargas explosivas é a prensagem do explosivo coberto por meio de prensa hidráulica, e representa o mais importante processo para manufatura de cargas explosivas de alto desempenho. Como os armamentos podem ser expostos em ambientes térmicos e mecânicos agressivos, é importante caracterizar os PBXs, de modo a conhecer seu comportamento e propriedades. Portanto, contribuindo para a pesquisa de PBXs, foi desenvolvida nesta Tese uma metodologia para caracterizar e quantificar o teor de polímero em PBX por Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FT-IR), utilizando-se como técnicas de referência para o método quantitativo, a Cromatografia a Líquido de Alta Performance (HPLC) e a Termogravimetria (TG). A metodologia proposta para a quantificação dos polímeros em PBX usando técnica FT-IR de Reflexão Total Atenuada (ATR) e Universal Reflexão Total Atenuada (UATR) apresentou excelentes resultados, mostrando-se mais rápida que as metodologias usuais e eliminando a desvantagem da geração de resíduos químicos. Tendo-se ainda a destacar que o desenvolvimento desta metodologia FT-IR, incluindo técnicas de análise de superfície, para quantificar polímeros, constitui uma nova linha de pesquisa em nosso Centro de Pesquisa, a qual já está servindo de base para desenvolvimento de novas metodologias aplicadas no setor aeroespacial.

Nesta tese de mestrado é mostrado o desenvolvimento de um método de extração de plastificantes em polímeros usados nos motores foguetes a propelente sólido compósito, para aplicação na sua quantificação através da cromatografia gasosa. Uma metodologia para análise da migração de plastificantes em adesivos, borrachas e propelente usados nos motores foguetes foi desenvolvida avaliando-se os principais parâmetros de validação: sensibilidade, linearidade, faixa linear, exatidão, precisão e limite de detecção. O método foi aplicado para estudar a migração a 50 e 80C em corpos de prova contendo propelente aderido à borracha por meio de um adesivo conhecido como liner. A migração foi confirmada, atingindo todos os polímeros que compõem o motor-foguete. A migração, através de um novo adesivo foi avaliada, a 80C pelo método desenvolvido, onde corpos de prova contendo diferentes adesivos foram comparados. A partir dos resultados deste trabalho foi possível testar um método matemático capaz de simular a migração e calcular o coeficiente difusão.

Para estabelecer a relação entre estrutura e propriedades de propelentes sólidos compósitos é importante conhecer a estrutura dos ligantes elastoméricos que têm sido utilizados nestes sistemas. Portanto, nesta dissertação de mestrado foi feita a caracterização de novos ligantes, contendo grupos energéticos azida. Esta caracterização foi feita por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) em larga faixa espectral, Infravermelho Próximo, Infravermelho Médio e Infravermelho Distante (NIR/MIR/FIR). Isto permitiu a identificação de bandas analíticas e o desenvolvimento de uma metodologia quantitativa, por FT-MIR, para determinar o conteúdo de C, H e N em polímeros energéticos usados em propelentes. Dados de análise elementar foram usados como referência. Os resultados FT-MIR mostraram boa concordância com análises CHN. Uma boa relação linear foi obtida, sugerindo que a metodologia desenvolvida pode ser usada para o controle de qualidade desses polímeros energéticos. Foi desenvolvido um método para a determinação de massa molar por FT-IR, sugerindo uma boa alternativa para laboratórios que não possuam equipamentos usuais, tais como cromatógrafos, para esta determinação. Foi sintetizado o polímero energético poli-BAMO e foi utilizada a espectroscopia FT-MIR para o acompanhamento das reações envolvidas. Foi realizada a análise cinética do copolímero de BAMO e AMMO por análise térmica, usando-se o método isoconversional, com dados provenientes da técnica termogravimétrica, TG, apresentando a distribuição de energia de ativação (Ea) em função do grau de avanço da reação de decomposição térmica. O propelente BAMO-AMMO apresentou valores de energia de ativação e entalpia similares ao propelente HTPB, mesmo tendo o copolímero BAMO-AMMO apresentado um valor de entalpia bem maior que o HTPB sem carga.

O objetivo deste trabalho é determinar perfis de temperatura ao longo da seção transversal da parede da tubeira de um motor-foguete a partir do conhecimento da distribuição de temperatura num ponto (ou estação) desta seção em função do tempo. Tanto a distribuição de temperatura como o fluxo de calor assim estabelecidos são mais próximos dos reais à medida em que o ponto de medição é escolhido mais próximo da parede quente. A principal vantagem deste método é evitar a utilização do coeficiente de transferência de calor por convecção calculando empiricamente através da fórmula de Bartz (1957). Os resultados obtidos podem ser aplicados na otimização de projetos de tubeira para motores-foguetes.

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.