Os motores foguete a propelente híbrido com combustíveis baseados em parafina podem ser uma tecnologia revolucionária no campo da propulsão aeroespacial. A elevada taxa de regressão da parafina elimina a desvantagem da necessidade de grãos combustível complexos. Esses motores, longe de apenas uma promessa, já foram testados com sucesso em voos tripulados. No futuro, podem ser competitivos em aplicações de turismo espacial e como boosters para veículos lançadores pesados. O uso da parafina é uma grande oportunidade não só em motor foguete. O emprego desse material em ramjets a combustível sólido tem sido tema de investigação por pesquisadores e empresas que já produzem motores foguetes a propelente híbrido. A possibilidade de usar a parafina com eficiência elevada e baixo custo em ramjets e motores foguete estimula sua aplicação em ciclos combinados desses motores, que buscam aproveitar o máximo das vantagens de cada modelo propulsivo em seus envelopes de melhor desempenho. O sucesso da aplicação de ciclos combinados, em particular tendo a parafina como combustível, pode revolucionar em termos de custo o acesso ao espaço e também o cruzeiro atmosférico de elevada velocidade. Para isso, entretanto, cuidadosas investigações experimentais ainda devem responder como se comportam motores foguete e ramjets com propelentes baseados em parafina em ciclos propulsivos combinados. Dentro desse contexto, o presente trabalho apresenta o projeto, a construção e a realização ensaios em uma bancada laboratorial com um motor de variado emprego. A bancada desenvolvida permite o estudo de fenômenos relacionados ao desempenho do motor com queima de parafina em modo motor foguete, em modo ramjet a combustível sólido e, também, em ciclo combinado. De fato, os testes realizados com o motor e a bancada forneceram dados que permitiram o sucessivo ajuste do motor para funcionamento de acordo com as especificações de projeto para o funcionamento com gás oxigênio. Dentre outros parâmetros, dados de empuxo específico e de taxa de regressão da parafina foram levantados. Os resultados mostraram desempenho próximo ao estimado na fase de projeto. A ignição e o funcionamento com ar continuam sendo um desafio que deve ser endereçado em trabalhos futuros por meio do uso de injetores pressure swirl, por meio de aditivos ao grão propelente, pela avaliação do uso de outros tipos de ignitores e, também, através de injeção simultânea de ar com oxigênio.

A propulsão por motores-foguete foi explorada ao longo do século XX com o uso da propulsão por motores foguete a propelente líquido (MFPL) em viagens espaciais; e com a propulsão por motores foguete a propelente sólido (MFPS) em sistemas de armamentos, devido à necessidade de aliar bom desempenho à utilização imediata e vida útil prolongada, além da relativa simplicidade do sistema aliada a menores custos. No final do século XX, as tecnologias de propulsão líquida e sólida foram integradas nos motores híbridos, encontrados atualmente na propulsão de veículos lançadores, mísseis, entre outros. O mais versátil dos binders de propelentes é obtido pela reação poliol (PBLH)/diisocianato (IPDI), por sua capacidade de suportar altos carregamentos, baixo custo e facilidade de processamento. A obtenção e manutenção das propriedades mecânicas do grão propelente sólido são fundamentais ao bom desempenho do MFPS durante sua vida útil, pois o grão estará sujeito a diversos esforços durante sua vida útil que podem comprometer sua integridade estrutural. Os binders obtidos neste trabalho com a substituição parcial do PBLH pelos polióis 2,5-hexanodiol, trietanolamina e polipropileno glicol, buscando um desempenho mecânico superior em comparação ao binder que utiliza apenas o poliol PBLH, foram caracterizados mecanicamente com o emprego de ensaios de tração. Para as amostras de binders baseados apenas em PBLH, foram variadas as cargas e agentes de cura, buscando-se avaliar a influência destes sobre propriedades do binder, tais como resistência à tração, dureza, viscosidade e tempo de processamento, e a influência dos plastificantes nas propriedades mecânicas do binders obtidos. Por fim, realizaram-se testes de envelhecimento natural e envelhecimento acelerado para o propelente baseado em PBLH, buscando avaliar as modificações em suas propriedades de resistência à tração, elongação e dureza em até 360 dias. O mecanismo considerado neste processo de envelhecimento é o aumento da densidade de ligações cruzadas pela quebra da dupla ligação do PBLH, podendo tornar o artefato mais instável. As amostras do grão propelente submetidas ao envelhecimento apresentaram mudanças em suas propriedades que coincidem com os valores disponíveis na literatura. Os resultados mostraram que é possível substituir com vantagens o PBLH por baixas concentrações de polióis de cadeia curta, especialmente o 2,5-hexanodiol. Neste caso, foram observadas melhorias nas propriedades mecânicas, como a elongação na ruptura, que apontam para o uso vantajoso deste poliol em formulações de propelentes e combustíveis sólidos. Também pôde ser demonstrada a estabilidade do grão baseado em PBLH, inclusive quando submetido a envelhecimento acelerado em todas as análises realizadas.

In the last decade the hybrid propulsion has been considering as a viable alternative of chemical energy conversion stored in propellants into kinetic energy. This energy is applied in propulsive systems of manned platforms, maneuvering procedures and even in the repositioning process of micro satellites. It presents attractive features and good balance between performance and environmental impact. Paraffin based grains are the hybrid solid fuels appointed as polymeric fuel substitute. The liquid layer formed on the burning surface ensures high regression rate when driven into the flame front. Paraffin grains allow raw material recovery and reduce the risk of explosion in the presence of erosive burning. The structure of the grain and the control of the liquefying burning surface layer depend on the additives concentration, such as carbon black, which are added to the fuel matrix during the production process. In the solid propellant paraffin based grain a cylindrical center port developed during the centrifugation tends to concentrate carbon black in the outer region of the grain. The influence of carbon black distribution and hardness gradient in paraffin based grain were evaluated in this work. Despite being a well-known material, scarce data on the relation of activation energy (Ea) of paraffin is available. In this work, the kinetic parameters (activation energy and pre-exponential factor) of microcrystalline 140/1450F paraffin have been raised through Thermo Gravimetric Analysis in conjunction with the Arrhenius kinetic mechanism, according to ASTM-E1461. The analysis indicated that the microcrystalline 140/1450F paraffin presents activation energy of 242 kJ.mol-1 and pre-exponential factor from 1.42x1020 min-1 to 2.90x1025 min-1. Ignition was achieved with a 50 W pyrotechnic igniter. Firing tests with 140/1450F paraffin as solid fuel and gaseous oxygen (GOX) as oxidizer were carry on at pressure above 3.8 MPa. The study suggests that multiple thin layers grain may generate burning surfaces with hardness and carbon black concentration almost constant. In this work combustion instability presented by rocket engine was calculated applying the frequency and boundary layer delay time relationship as proposed by Karabeyoglu. The frequency instability up to was evaluated using LabVIEW data acquisition system. In hybrid propulsion the carbon black has been playing a key role in the gas production process on the burning surface, the contribution of carbon black in the combustion instability suppression of hybrid propulsion system with paraffin-based propellant was evaluated. The results confirm the potential use of paraffin base propellant grains loaded with carbon black charge in hybrid propulsion. Paraffin propellants grains doped with carbon black (CB - from 2% to 8%) were burned on the rocket engine test workbench in the Aeronautical Engineering Laboratory / ITA. In the hybrid combustion performance evaluation based on conventional methods approach, it was applied graphical means to visualize the flow path results. Through the flow profile adjustment it was identified a global regression rates values near the practical grain consumption. The model represented graphically the relationships between oxidizer mass flow rate from with injection pressure from and it is recommended as a tool to help the hybrid propulsion performance assessment.

Os motores de foguetes baseados em ciclos combinados têm sido largamente discutidos e aplicados nos sistemas de propulsão de veículos lançadores reutilizáveis devido ao fato de apresentarem baixa relação empuxo x peso e elevado impulso específico, podendo assim ampliarem a carga útil transportada. Este trabalho tem por finalidade explanar a variedade de motores de foguetes baseados em ciclos combinados. E dentro desta perspectiva apresentar um estudo de um motor de ciclo combinado que é híbrido entre motor turbo-foguete e propulsão aspirada, denominado motor turbo-foguete aspirado - ATR como uma proposta de motor auxiliar reutilizável para veículos lançadores de satélites. A análise do motor turbo-foguete aspirado proposto será feita através do desenvolvimento de uma metodologia computacional baseada em linguagem de programação orientada a objeto (C++) e o código aberto Cantera (GOODWIN, 2002). Esta análise consiste na obtenção de dados termodinâmicos e parâmetros de seus componentes para a configuração do motor ATR proposto, de modo que venha facilitar o desenvolvimento do projeto do motor do tipo ATR. Ao término deste trabalho ter-se-á uma ferramenta de análise do motor ATR bem como demais motores que apresentem a propulsão aspirada em seu sistema de propulsão.