Os materiais energéticos têm sido utilizados ao longo dos tempos em aplicações civis e militares. De forma concomitante, estudos foram direcionados focando os mecanismos de combustão desses materiais, incluindo seu comportamento cinético e termodinâmico durante a queima. O objetivo do presente trabalho foi estudar de forma sistemática os mecanismos de decomposição térmica da dinitramida de amônio (ADN), perclorato de amônio (AP), isolado e formulado como propelente sólido compósito, além do hidrogênio, por meio de simulação computacional. Foram levados em conta todos os parâmetros cinéticos e termodinâmicos para a realização destas simulações. Além disso, foi realizada a determinação dos parâmetros de Arrhenius para as reações elementares que envolvem o mecanismo global de decomposição térmica do hidrogênio por métodos de química quântica molecular. O comportamento da combustão da ADN para o caso do grão propelente sólido instalado na câmara de combustão de um motor-foguete convencional foi comparado ao comportamento quando em sistema aberto, nas condições ambiente. O livre fornecimento de oxigênio no sistema aberto acarreta um aumento significativo na velocidade das reações elementares do mecanismo global. A decomposição térmica do AP foi simulada nas condições de queima do grão instalado na câmara de combustão de um motor-foguete, de forma isolada ou formulado no "binder" de polibutadieno líquido hidroxilado (PBLH). Os resultados mostraram que a pressão do meio é um fator crítico na queima do AP isolado, enquanto para o AP formulado com PBLH, a variação no comportamento de queima em função da pressão pode ser desconsiderada. Por meio de métodos de química quântica molecular, foram determinados os parâmetros cinéticos e termodinâmicos das reações elementares do mecanismo de combustão do hidrogênio. Estes resultados foram comparados com os obtidos experimentalmente por meio de simulação de queima em um reator em regime transiente. Notou-se que mudanças no valor absoluto da energia de ativação acarretaram variações significativas no comportamento global da decomposição térmica do material.

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.

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.

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.

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.

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.