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.

Os propelentes com baixa emissão de fumaça são usados em motores foguetes por terem uma melhor camuflagem e de um melhor controle de direcionamento no campo de batalha, devido ao fato de apresentar maior dispersão de fumaça lançada no ar em comparação com os propelentes tradicionais. No desenvolvimento destes propelentes de alto desempenho são utilizados como oxidante o nitrato de amônio que tem baixa toxicidade, baixo custo e menor teor de poluentes lançados na atmosfera porém, possui baixa reatividade, alta higroscopicidade e um indesejável aumento de volume devido à transição da fase sólida a 32 oC. Com intuito de aumentar a reatividade do propelente é utilizado o "binder energético" (resina formada por exemplo: GAP), produzimos um propelente usando um poliuretano formado por GAP e um isocianato alifático, na qual foi carregado com nitrato de amônio. Após a cura completa do propelente realizamos estudo cinético com calculo de energia de ativação. As técnicas utilizadas para essa finalidade foram a Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) e o cálculo da energia de ativação pelo Método Ozawa.

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.

Dinitramida de amônio (ADN) é um oxidante utilizado em propelentes de foguetes. Para a obtenção de ADN, foram utilizados, nesse estudo, como materiais de partida, sulfamato de amônio e ácido sulfâmico, em rotas de síntese, com diferentes condições. A proporção de reagentes e os métodos de purificação foram testados, e as amostras resultantes foram analisadas por espectroscopia na região do infravermelho médio (MIR). Para a síntese em que sulfamato de amônio foi utilizado como reagente de partida, as amostras foram, também, analisadas por espectroscopia na região do infravermelho próximo (NIR). Para as amostras cristalizadas, foram realizadas análises por calorimetria exploratória diferencial (DSC), para determinar seu ponto de fusão e valor de entalpia, durante seu processo de decomposição, além da obtenção de sua micrografia por microscopia eletrônica de varredura (SEM). Podem ser destacados, nesse estudo, os seguintes resultados: a) a síntese de ADN, utilizando-se o sulfamato de amônio como material de partida e nitração com HNO3/H2SO4, mostrou-se mais promissora, sendo esse produto obtido, pela primeira vez em nosso país; b) foi necessário o desenvolvimento de metodologia específica, nos laboratórios do IAE, para a obtenção e purificação do ADN sintetizado, constituindo uma contribuição do estudo na área de síntese deste oxidante para propelentes; c) o ADN obtido foi caracterizado, não somente por MIR mas também por NIR, que apresenta um número menor de estudos na literatura; d) as análises DSC e SEM mostraram boa concordância com os dados encontrados na literatura. A possibilidade de interação entre o sistema à base do polímero de azoteto de glicidila e da dinitramida de amônio (GAP/ADN) foi também avaliada, por FT-IR, nas regiões MIR e NIR. O sistema GAP e perclorato de amônio (GAP/AP), com oxidante mais usual, foi analisado por MIR. Maiores alterações espectrométricas foram observadas para o sistema GAP/ADN. Foi observado um alargamento de bandas para ambos os sistemas na região entre 3100-3500 cm-1, sugerindo interações entre os grupos OH do GAP e NH4+ do ADN ou AP. A diminuição da intensidade da banda do grupo N3 do GAP e o aumento de intensidade do nitroílo (NO2+) do ADN também foram notados, sugerindo interação entre esses grupos, no sistema GAP/ADN. Na tentativa de extrair o material usado no microencapsulamento do ADN utilizado como referência, foi feito um tratamento com tolueno. As análises FT-IR UATR/ATR/PAS da superfície do ADN referência mostraram que, basicamente, possa existir um composto orgânico éster e/ou amínico, aromático, heterocíclico e/ou contendo hidroxila.

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 objetivo deste trabalho foi obter formulações de propelente à base de AP/PBLH/Al, na qual as quantidades de sólidos fossem maiores do que as utilizadas atualmente. O aumento da fração de sólidos acarreta um aumento do impulso do motor-foguete. Entretanto, ele deve seguir um conjunto de critérios que também foi objeto de estudo neste trabalho. Esses critérios foram baseados nas teorias de empacotamento de partículas, as quais têm sido utilizadas como uma ferramenta para a definição da modalidade, distribuição, granulometria e carga de sólidos. Alguns ensaios também foram realizados para verificar a aplicabilidade de um modelo de empacotamento linear. O modelo testado se mostrou aplicável e as predições teóricas apresentaram boa concordância com os resultados experimentais. Um modelo de correlação foi ainda proposto neste trabalho para correlacionar os dados de viscosidade da mistura final a 50, 55 e 60C sob pressão atmosférica. Um outro modelo de correlação também foi proposto para correlacionar dados experimentais do módulo de Young a 25C. Ambos os modelos foram bem sucedidos na correlação dos pontos experimentais. As propriedades balísticas foram ainda determinadas para uma faixa de pressões variando de 4 a 10 MPa. Os efeitos da ordem de adição do agente de ligação e do Alumínio também foram avaliados. Os melhores resultados foram obtidos quando o Alumínio e o agente de ligação foram adicionados ao PBLH no início do processo de mistura. O catalisador de cura também foi substituído por DBTDL nos ensaios seguintes a fim de acelerar o processo de cura. Os testes conduzidos com 5 ppm de DBTDL apresentaram os melhores resultados para a viscosidade da mistura final e para as demais propriedades do propelente. A utilização de sistemas de partículas com alto empacotamento, associados com a utilização de 5 ppm de DBTDL como agente de cura, permitiu elevar a carga sólidos até 88%, muito superior aos 84% em uso no propelente do VLS. Além disso, as propriedades mecânicas e balísticas deste propelente produzido em escala de laboratório são apropriadas para os projetos em andamento no IAE.

Este trabalho apresenta o estudo e simulação numérica do escoamento no interior e exterior de um injetor centrífugo bipropelente similar a aquele empregado no motor foguete a propelente líquido RD-0110, pertencente à etapa orbital da nave espacial Soyuz, sendo considerado um dos motores mais eficientes da historia aeroespacial. Além, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo matemático capaz de predizer o diâmetro de gota de Sauter em função dos parâmetros geométricos obtidos no estudo do escoamento interno (primeira parte deste trabalho) e parâmetros geométricos externos envolvidos no estudo da estabilidade do filme e dos fenômenos de ruptura da folha cônica, considerando os efeitos da viscosidade do líquido (segunda parte deste trabalho), os tamanhos de gotas calculados com o presente modelo matemático, serão comparados com resultados obtidos a partir de equações empíricas, testes experimentais e da simulação numérica utilizando o modelo de atomização Cone. Para o caso da simulação numérica do escoamento no interior do injetor centrífugo bipropelente foi utilizada uma malha estruturada tridimensional de grande envergadura capaz de abranger três zonas importantes: a câmara de vórtices do estágio de oxidante (injetor centrífugo fechado), a câmara de vórtices do estágio de combustível (injetor centrífugo aberto) e a zona destinada para a visualização do spray, com a finalidade de compreender os fenômenos originados pela interação dos escoamentos de oxidante e combustível no interior do injetor bipropelente. Cabe mencionar que para simular os fenômenos de turbulência, foi utilizado o modelo RNG k-? em regime permanente e transiente as através do código comercial CFD Fluent 14.0. Obtendo assim, uma análise mais confiável das diferentes aplicações utilizadas no desenho e optimização dos injetores centrífugos, procurando à vez, uma adequada atomização, distribuição homogênea dos propelentes na câmara de combustão e dispersão do tamanho de gotas que leve a um processo de combustão eficiente.

Amostras de cromito de cobre (CuCr2O4), de diferentes procedências e métodos de síntese, foram analisadas por meio de técnicas FT-IR de transmissão, reflexão (refletância difusa-DRIFT) e detecção fotoacústica (PAS). Basicamente, foi observado que por meio da aplicação do mesmo tipo de técnica FT-IR (transmissão - pastilha de KBr) para a caracterização de amostras de cromito de cobre de diferentes fornecedores, é possível indicar o método de síntese dos catalisadores. Com a utilização de técnicas FT-IR, pastilha de KBr, DRIFT e PAS para amostras de cromito de cobre do mesmo fornecedor, a contribuição das bandas dos materiais de partida pode ser melhor observada por meio das técnicas de análise de superfície (DRIFT e PAS), em função do grau de profundidade de amostragem. Análise quantitativa IR foi aplicada para determinar o teor de cobre e cromo de várias amostras de cromito de cobre. Foi observada uma boa relação linear entre os resultados IR e os obtidos por técnicas clássicas de eletrogravimetria e volumetria e por ativação neutrônica (NAA). Foi observada também uma correlação entre os dados de área superficial específica (Sw), obtidos por BET e teor de cobre obtido por IR. Maior precisão foi encontrada com os valores obtidos por IR para determinação de cobre e com valores obtidos por NAA para determinação de cromo. Utilizando-se os diferentes catalisadores de cromito de cobre, observou-se que a viscosidade de processamento, bem como as propriedades mecânicas de propelentes não foram afetadas substancialmente. Alguns tipos de catalisadores causaram um aumento na velocidade de queima do propelente em comparação com o catalisador usual, óxido de ferro. Os resultados mostraram que em adição aos valores de Sw, outros parâmetros como teores de Cu e Cr, estrutura cristalina e presença de impurezas podem afetar o desempenho do catalisador. Todas as amostras de cromito de cobre analisadas podem ser usadas como catalisador de queima em formulação de propelentes sólidos, com vantagens para as amostras SX14 (2), Cu 0202P e Cu 1800P que conduzem a maiores valores de velocidade de queima desses tipos de propelentes.

O processo de injeção de combustíveis nas câmaras de combustão é de vital importância, sob diversos aspectos, para o funcionamento ideal de cada tipo de motor. O elemento responsável pela introdução de propelentes líquidos e gasosos na câmara de combustão de foguetes e pela transformação de massas líquidas em "sprays" é o injetor que converte a energia potencial dos propelentes em energia cinética, pela queda de pressão em seu interior, formando um jato ou folha líquida que se desintegra então em gotas[