Óxido de ferro nanoparticulado tem sido usado como catalisador de queima para a decomposição de perclorato de amônio (AP ou NH4ClO4) em propelentes sólidos compósitos. Embora a literatura aponte a eficiência de diferentes tamanhos, formas e composições, a textura das partículas desempenha um importante papel na eficiência catalítica, mas esse aspecto não é sempre discutido. Nessa Tese, óxidos de ferro, não encapsulados e encapsulados com tetraetoxisilano, foram sintetizados em sistemas de microemulsão, e seu efeito na decomposição do AP foi investigado. Análises de difração de raios-X (XRD) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) mostraram que os pós sintetizados têm composição de óxido de ferro. Aliadas às análises por microscopia eletrônica de varredura e de transmissão (SEM/TEM), permitiram a caracterização da superfície das amostras, indicando diferentes microestruturas e a visualização de partículas primárias nanoscópicas. Por meio da técnica de Adsorção de N2 a 77 K, os óxidos de ferro foram caracterizados quanto as suas propriedades texturais, como área superficial, tamanho e volume de poros e a análise granulométrica por espalhamento de luz laser indicou que os óxidos de ferro possuem partículas aglomeradas. Finalmente, avaliou-se o efeito catalítico dos óxidos de ferro obtidos pela síntese microemulsão, precipitação direta, e óxido de ferro comercial (em escala micro), sobre a decomposição do AP, por análise térmica simultânea (TG/DTA). Dados de energia de ativação da decomposição térmica das misturas do AP com óxidos de ferro comercial e sintetizados foram também avaliados, por meio dos deslocamentos das temperaturas dos máximos dos picos (DTG), utilizando o método cinético de Flynn/Wall/Ozawa. Foi observado que o óxido de ferro (F1), uma das amostras sintetizadas, de elevada área superficial (388 m2 g-1), afetou significativamente o parâmetro cinético de ativação da reação térmica do AP, especialmente na região de alta temperatura de decomposição.

Propelentes sólidos são materiais energéticos que produzem gases em alta pressão por meio de uma reação de combustão. Qualquer propelente sólido inclui dois ou mais dos seguintes componentes: oxidante (nitratos e percloratos); combustível (resinas orgânicas ou polímeros); compostos químicos combinando oxidantes e combustíveis (nitrocelulose ou nitroglicerina); aditivos para facilitar processos de produção ou alterar a taxa de queima e inibidores (fita de etilcelulose), para restringir superfícies de combustão. Pequenas percentagens de aditivos são usadas para modificar diversas propriedades mecânicas, químicas e balísticas dos propelentes sólidos: acelerar ou desacelerar a velocidade de combustão (catalisadores e inibidores de combustão, respectivamente); assegurar a estabilidade química para prevenir a deterioração durante a estocagem; controlar as propriedades de processamento durante a produção de propelente (tempo de cura, fluidez para extrusão ou moldagem, etc.); controlar as propriedades de absorção de radiação no propelente em combustão; aumentar a resistência mecânica e diminuir a deformação elástica; e, finalmente, minimizar a sensibilidade térmica. No caso de propelentes sólidos Base Dupla (mistura de duas bases ativas: a nitrocelulose e a nitroglicerina), é possível alterar sua velocidade de queima principalmente pelo emprego de pequenos teores de modificadores balísticos, em geral sais orgânicos de cobre e chumbo. Neste trabalho, estudou-se a aceleração da velocidade de queima de uma formulação conhecida de propelente Base Dupla - BD, alterando o teor total dos modificadores balísticos cromato de cobre e estearato de chumbo (ou plastabil - nome comercial) na receita original, bem como a proporção entre eles. Estas alterações na formulação original devem, idealmente, preservar os parâmetros de desempenho estabelecidos para as propriedades químicas (estabilidade química) e mecânicas (densidade da massa e ensaios de tração), ao mesmo tempo otimizando o desempenho balístico, pelo aumento da velocidade de queima. Os resultados experimentais mostram que para os parâmetros de qualidade elongação e velocidade de queima a interação entre os fatores, Proporção Sal de Chumbo/Sal de Cobre (Fator A) e Teor de Modificadores Balísticos (Fator B) foram significativos, ou seja, quanto maior os fatores pior o resultado com as propriedades. Com os parâmetros de resistência a tração e densidade da massa, o fator A e B respectivamente influenciam negativamente quando aumentado em sua concentração. Para o parâmetro estabilidade química não houve nenhum sinal de melhora ou influencia dos fatores. No caso da velocidade de queima a interação AB é o que mais influencia. Melhorando significativamente a velocidade de queima. / Solid propellants are energetic materials which produce a considerable amount of high-pressure gases by means of a combustion reaction. Any solid propellant formulation includes at least two of the following items: oxidizer (nitrates and perchlorates); fuel (organic resins or polymers); chemical compounds combining oxidizers and fuels (nitrocellulose or nitroglycerine); additives to easy production operations or to modify the burning rate and inhibitors (tape ethyl-cellulose), to restrict the combustion surfaces. Small amounts of additives are employed to modify the mechanical, chemical and ballistic features of the solid propellants: to accelerate or diminish the burning rate (catalysts and inhibitors of burning, respectively); to assure the chemical stability in order to prevent the deterioration during stocking; to control the processing properties during propellant production (curing time, extrusion or casting rheology); to control the radiation absorption in the burning propellant; to enhance the mechanical resistance and to reduce the strain; and, finally, to get the thermal sensitivity to a minimum level. In the case of Double-Base solid propellants (blend of two energetic bases: nitrocellulose and nitroglycerine), it\'s possible to control its burning rate mainly by the use of small amounts of ballistic modifiers, generally copper and lead organic salts. This work has studied the burning rate acceleration of a known Double-Base propellant formulation, by changing the total amount of the ballistic modifiers copper chromate and lead stearate (commercially known as plastabil) in the original formulation, as well as the proportion between them. These changes at the original recipe should preserve, ideally, the performance levels required for the chemical (chemical stability) and mechanical properties (density and stress-strain evaluation), optimizing, at the same time, the ballistic performance, through the burning rate enhancement. Results show that for the parameters of quality and elongation rate of burning the interaction between factors, Proportion of Lead Salt / Salt Copper (Factor A) and content Ballistic Modifiers (Factor B) were significant, ie, the higher the worst factors result with the properties. With the parameters of tensile strength and mass density, the factor A and B respectively negatively influence increased when its concentration. For the chemical stability parameter there was no sign of improvement or influences of factors. In the case of burning rate AB interaction is what most influences. Significantly improving the speed of burning.

Propelentes sólidos são materiais energéticos que produzem gases em alta pressão por meio de uma reação de combustão. Qualquer propelente sólido inclui dois ou mais dos seguintes componentes: oxidante (nitratos e percloratos); combustível (resinas orgânicas ou polímeros); compostos químicos combinando oxidantes e combustíveis (nitrocelulose ou nitroglicerina); aditivos para facilitar processos de produção ou alterar a taxa de queima e inibidores (fita de etilcelulose), para restringir superfícies de combustão. Pequenas percentagens de aditivos são usadas para modificar diversas propriedades mecânicas, químicas e balísticas dos propelentes sólidos: acelerar ou desacelerar a velocidade de combustão (catalisadores e inibidores de combustão, respectivamente); assegurar a estabilidade química para prevenir a deterioração durante a estocagem; controlar as propriedades de processamento durante a produção de propelente (tempo de cura, fluidez para extrusão ou moldagem, etc.); controlar as propriedades de absorção de radiação no propelente em combustão; aumentar a resistência mecânica e diminuir a deformação elástica; e, finalmente, minimizar a sensibilidade térmica. No caso de propelentes sólidos Base Dupla (mistura de duas bases ativas: a nitrocelulose e a nitroglicerina), é possível alterar sua velocidade de queima principalmente pelo emprego de pequenos teores de modificadores balísticos, em geral sais orgânicos de cobre e chumbo. Neste trabalho, estudou-se a aceleração da velocidade de queima de uma formulação conhecida de propelente Base Dupla - BD, alterando o teor total dos modificadores balísticos cromato de cobre e estearato de chumbo (ou plastabil - nome comercial) na receita original, bem como a proporção entre eles. Estas alterações na formulação original devem, idealmente, preservar os parâmetros de desempenho estabelecidos para as propriedades químicas (estabilidade química) e mecânicas (densidade da massa e ensaios de tração), ao mesmo tempo otimizando o desempenho balístico, pelo aumento da velocidade de queima. Os resultados experimentais mostram que para os parâmetros de qualidade elongação e velocidade de queima a interação entre os fatores, Proporção Sal de Chumbo/Sal de Cobre (Fator A) e Teor de Modificadores Balísticos (Fator B) foram significativos, ou seja, quanto maior os fatores pior o resultado com as propriedades. Com os parâmetros de resistência a tração e densidade da massa, o fator A e B respectivamente influenciam negativamente quando aumentado em sua concentração. Para o parâmetro estabilidade química não houve nenhum sinal de melhora ou influencia dos fatores. No caso da velocidade de queima a interação AB é o que mais influencia. Melhorando significativamente a velocidade de queima. / Solid propellants are energetic materials which produce a considerable amount of high-pressure gases by means of a combustion reaction. Any solid propellant formulation includes at least two of the following items: oxidizer (nitrates and perchlorates); fuel (organic resins or polymers); chemical compounds combining oxidizers and fuels (nitrocellulose or nitroglycerine); additives to easy production operations or to modify the burning rate and inhibitors (tape ethyl-cellulose), to restrict the combustion surfaces. Small amounts of additives are employed to modify the mechanical, chemical and ballistic features of the solid propellants: to accelerate or diminish the burning rate (catalysts and inhibitors of burning, respectively); to assure the chemical stability in order to prevent the deterioration during stocking; to control the processing properties during propellant production (curing time, extrusion or casting rheology); to control the radiation absorption in the burning propellant; to enhance the mechanical resistance and to reduce the strain; and, finally, to get the thermal sensitivity to a minimum level. In the case of Double-Base solid propellants (blend of two energetic bases: nitrocellulose and nitroglycerine), it\'s possible to control its burning rate mainly by the use of small amounts of ballistic modifiers, generally copper and lead organic salts. This work has studied the burning rate acceleration of a known Double-Base propellant formulation, by changing the total amount of the ballistic modifiers copper chromate and lead stearate (commercially known as plastabil) in the original formulation, as well as the proportion between them. These changes at the original recipe should preserve, ideally, the performance levels required for the chemical (chemical stability) and mechanical properties (density and stress-strain evaluation), optimizing, at the same time, the ballistic performance, through the burning rate enhancement. Results show that for the parameters of quality and elongation rate of burning the interaction between factors, Proportion of Lead Salt / Salt Copper (Factor A) and content Ballistic Modifiers (Factor B) were significant, ie, the higher the worst factors result with the properties. With the parameters of tensile strength and mass density, the factor A and B respectively negatively influence increased when its concentration. For the chemical stability parameter there was no sign of improvement or influences of factors. In the case of burning rate AB interaction is what most influences. Significantly improving the speed of burning.

[pt] Analizam-se os principais métodos de Cálculo para determinação dos parâmetros do tiro, segundo modelos que consideram exclusivamente a variação temporal das variáveis envolvidas. Aplicam-se os métodos selecionados a exemplos de tiros reais. Comparam-se resultados teóricos com experimentais. Apontam-se as principais dificuldades relativas a obtenção dos dados relativos às características termodinâmicas e balísticas dos propelentes, determinadas nos testes de bomba manomêtrica. Aplicam-se os conceitos de função de forma geométrica e de vivacidade dinâmica dos propelentes comprovando-se a validade de ambos na previsão dos resultados de tiros. / [en] The principal methods of calculation of the parameters from the shot are analysed, according to models that take into consideration exclusively the time variation of the envolved variables. The selected methods are applied in real shots examples. Experimental and theoretical results are compared. The main difficulties concerning the obtention of data of thermodynamics and ballistics characteristics of the propellants are pointed out through tests developed in manometrics bombs. The concepts of geometric form function and dynamic vivacity of propellants are applied, conforming the validity of both to forecast the effects of the shots.

Um foguete é basicamente constituído de motores-foguete com a finalidade de fornecer energia por meio da combustão do propelente e impulsionar todo o conjunto, e de uma carga útil que pode ser desde um satélite de comunicações até experimentos biológicos. Internamente, o propelente é aderido ao metal ou isolante térmico por meio de um revestimento adesivo conhecido como liner. O liner é um adesivo ativado, especialmente desenvolvido para promover uma adesão adequada que garanta a integridade estrutural do grão propelente. Em sua composição, o liner possui um balanço específico de compostos que permitem a interdifusão de componentes entre as interfaces liner/propelente, de modo a promover uma ponte química entre o adesivo e o propelente. Para que o processo de interdifusão possa ocorrer é necessário que o liner não esteja completamente curado, pois um alto grau de cura interfere nesse processo, mas também não pode apresentar um grau de cura muito baixo, visto que a adição do propelente é feita na vertical e um baixo grau de cura ocasionará em um escoamento da camada adesiva. Um fator de grande importância nesse processo é o controle do tack, propriedade apresentada pelos adesivos de se aderirem ao substrato ou vice-versa imediatamente após serem postos em contato sobre uma leve pressão. O domínio desse fenômeno permite encontrar a faixa de adesão mais adequada na qual não o adesivo não escoe e que ainda seja quimicamente ativo. O tack pode ser mensurado em termos de força e energia por meio de ensaios de tração, e testes de adesão, permitindo encontrar a faixa adequada para efetuar a adição do propelente. Na presente tese de mestrado foram levantadas as curvas de tack e calculadas as energias. Testes de adesão mostraram que a faixa ideal de tack situa-se entre 120 e 180 minutos de cura do liner a 80 C, promovendo uma falha coesiva no propelente.

O injetor é um dos componentes críticos do motor a propelente líquido. A ele estão relacionados muitas das causas que levam ao mau funcionamento do motor. As técnicas utilizadas na caracterização dos injetores são feitas com água a pressão e temperatura ambientes. No entanto esta caracterização tende a ser pouco precisa para prever o real comportamento do injetor, devido à discrepância entre os regimes de operação encontrados nas câmaras de combustão e também à diferença entre as propriedades dos líquidos utilizados. O presente trabalho teve como objetivo estudar o comportamento de um injetor criogênico, comparando os resultados obtidos com água e com um líquido criogênico. Também foi projetada uma câmara para o estudo do injetor em combustão. Iniciou-se fazendo a escolha de um injetor adequado para os testes na câmara de combustão. Quatro modelos foram testados a procura do que apresentasse as melhores características. Nessa primeira parte, verificaram-se os tamanhos de gotas (SMD) e se fez a comparação dos valores medidos com os tamanhos de gotas calculados a partir das equações empíricas. Também foram realizadas as medidas dos ângulos de abertura dos sprays. Os testes de distribuição de massa foram realizados com um parternador e um calorímetro. Posteriormente foram representados em gráficos de curva de nível e de superfície e a qualidade de mistura analisada. A primeira câmara fabricada era inteiriça (uma peça única) de cobre com uma tomada de pressão e um ignitor gás dinâmico acoplado. Ao final dos testes verificou-se a necessidade de um estudo para um novo cabeçote e de um novo ignitor. Despenderam-se esforços no sentido de redimensionar o ignitor com alguns resultados promissores. Foram realizados ensaios com sprays de N2 líquido e álcool, utilizando a técnica de Fluorescência Induzida por Laser ("Planar Laser Induced Fluorecence", PLIF). O PLIF demonstrou ser uma excelente ferramenta para observar o comportamento dos sprays. O injetor foi testado com água e depois com álcool, para o combustível, e nitrogênio para o oxidante, utilizando Velocimetria de partículas por imageamento ("Particle image Velocimetry", PIV). Foram comparados os resultados do comportamento do líquido criogênico e da água. Finalmente, um novo modelo de câmara foi projetado, incluindo modificações que a fazem mais maleável e permitem diferentes regimes de trabalho. Este modelo deve ser testado em trabalho posterior.

O cálculo das propriedades relacionadas com a geometria de um bloco de propelente, como área de queima, volume de propelente residual, momentos de inércia e centro de massa, e a evolução da superfície ao longo da queima, consiste em uma das etapas fundamentais do projeto de motor foguete que utiliza propelente sólido, valores estes que serão utilizados para a determinação dos parâmetros propulsivos do motor, como pressão na câmara de combustão e empuxo. Este trabalho apresenta um método baseado na discretização da superfície de queima inicial em elementos triangulares com o objetivo de calcular a área de queima e o volume de propelente residual. O método gera uma seqüência de novas superfícies de queima usando a malha de pontos obtida no passo anterior podendo desta forma determinar a evolução da superfície de queima de um bloco de propelente. A validação do método é realizada através da comparação dos resultados analíticos da área de queima e da massa de propelente residual, com os resultados obtidos numericamente utilizando três motores cujos blocos de propelente possuem diferentes configurações.

Uma grande limitação dos foguetes à propelente sólido consiste na dificuldade de alteração do módulo do vetor empuxo, quando e se necessário, durante a queima do grão. Entre as soluções conhecidas pra resolver este problema encontram-se a utilização de um grão composto de propelentes diferentes, a utilização de uma geometria de grão adequada e a utilização de foguetes auxiliares (e.q. boosters). Estas soluções não significam entretanto um efetivo controle já que não podem ser alteradas durante a queima. Consistem, na sua essência, de uma pré-programação da queima. Um controle efetivo é obtido pela injeção de massa na câmara de combustão, alterando a vazão mássica que flui através da tubeira, as propriedades termodinâmicas do gás produto da combustão bem como outros parâmetros do motor foguete, tendo como resultado a possibilidade de controle do módulo do vetor empuxo quando e se necessário, ou seja, num instante aleatório durante a queima e de reprodutibilidade possível, independente de programação prévia. Este trabalho visa estabelecer primordialmente um equacionamento matemático adequado à obtenção da curva pressão versus tempo de queima durante a queima, sem injeção e com a injeção.

Esta tese apresenta uma investigação detalhada dos injetores centrífugos utilizados para atomização de propelentes líquidos. Inicialmente foram analisadas e comparadas as teorias aplicadas aos cálculos analíticos das dimensões do injetor e do escoamento interno, apresentadas por vários pesquisadores. Com base nesta análise, para os cálculos iniciais, foi escolhida a teoria de Abramovich como sendo a mais completa e adequada. Nessa teoria o propelente é considerado um fluido ideal e por este motivo pode ser aplicada no projeto dos injetores que possuem as características geométricas apropriadas. Para os cálculos dos injetores, incluindo os efeitos de viscosidade, a teoria de Abramovich foi modificada. Essa modificação apresentou resultados satisfatórios. A segunda parte do trabalho incluiu a modelagem numérica do escoamento interno do injetor. Nessa parte foi apresentado o procedimento de geração de malha, sendo também discutidos os tipos de modelagem multifásica e modelos de turbulência aplicados para simulação do escoamento. A modelagem de escoamento do fluido no interior do injetor tem suas particularidades devido às altas velocidades de rotação. Estas velocidades têm influência no comportamento do fluido que torna complexa a convergência da solução numérica; por isso para se obter resultados compatíveis com escoamento real é necessário utilizar modelos de turbulência direcionados para este tipo de problema. Na simulação numérica foi aplicado o modelo de turbulência ?-?, RNG ?-? e Reynolds stress model. A modelagem foi feita utilizando o software ANSYS CFX. Os resultados desta simulação apresentaram o comportamento detalhado do escoamento do fluido dentro de injetor. Foram determinados os campos de velocidade axial, tangencial e radial, a câmera oca formada pelo ar e distribuição da pressão total, estática e dinâmica. A validação dos resultados analíticos e numéricos foi feita em comparação com resultados dos testes experimentais. Para realização dos ensaios foi projetada uma matriz de testes que permitiu fazer a avaliação dos injetores mono e bi-propelentes. Durante os ensaios também foi analisada a influência da quantidade de orifícios de entrada do injetor na homogeneidade da distribuição do líquido no spray.

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.