Materiais empregados em veículos espaciais estão sujeitos a um ambiente térmico agressivo. Estes materiais são empregados principalmente em tubeiras de exaustão dos gases de motor foguete e nas superfícies expostas ao severo ambiente da reentrada atmosférica. O ensaio em laboratório é fundamental para a qualificação dos materiais empregados em sistemas de proteção térmica de veículos espaciais. Este trabalho apresenta os resultados de pesquisas experimentais realizadas no Laboratório de Plasmas e Processos do ITA, cujo objetivo principal foi qualificar materiais utilizados em sistemas de proteção térmica de veículos espaciais. Um túnel de plasma foi concebido utilizando-se a infra-estrutura laboratorial existente, cujos principiais componentes foram: uma câmara de processos de 3,2 m3, um sistema de vácuo com capacidade de bombeamento de 500 m3/h, e uma tocha de plasma alimentada por uma fonte de energia elétrica de corrente contínua de 50 kW. Os parâmetros de operação do túnel de plasma foram otimizados para reproduzirem condições próximas do ponto crítico de reentrada do SARA (Satélite de Reentrada Atmosférica) um veículo espacial em desenvolvimento pelo IAE (Instituto de Aeronáutica e Espaço) com o objetivo de realizar experimentos científicos de micro gravidade. Foram gerados jatos de plasmas de ar e nitrogênio. O ambiente reproduzido apresentou um fluxo térmico de 2,2 MW/m2, número de Mach de 4.1, entalpia de 6,7 MJ/kg e uma altitude simulada próxima de 40 km. Foi realizada a caracterização do jato de plasma e das amostras de materiais compósitos de quartzo-fenólico, carbono-fenólico, carbono-carbono e carbono-carbeto de silício. Algumas propriedades ablativas (perda de massa e calor de ablação) e térmicas (difusividade térmica e emissividade) das amostras foram verificadas. Os efeitos da interação do plasma com os materiais foram analisados por MEV (Microscopia de Varredura Eletrônica), EDX (Energia Dispersiva de Raios X) e Difração de Raios X. Os resultados alcançados possibilitam o desenvolvimento de uma metodologia para a qualificação de materiais utilizados em sistemas de proteção térmica em ambiente de reentrada atmosférica utilizando um túnel de plasma, bem como apresentam as principais propriedades de alguns materiais largamente empregados em sistemas de proteção térmica.

A otimização de sistemas dinâmicos via métodos indiretos é bastante complexa e poderá exigir a utilização de programas computacionais para a solução de problemas de valor de contorno os quais podem não ser tratáveis analiticamente. Um dos principais problemas é a determinação das variáveis adjuntas para problemas com tempo final fixo e todos os vínculos terminais das variáveis de estado fornecidos. Este trabalho busca a determinação das trajetórias sub-ótimas do estado e das variáveis adjuntas para a classe de funcionais de custo quadrático ou expansíveis por série de Taylor até a segunda ordem, bem como o sinal de controle sub-ótimo. Propõe-se neste trabalho um novo método heurístico (LINQUAD) baseado nas técnicas dos extremais de vizinhança, regulador linear quadrático, regulador linear quadrático gaussiano e método da segunda variação. Os resultados com a utilização deste novo método servem como estimativas para a solução ótima obtida através do método dos Múltiplos Tiros. O problema principal a ser solucionado é o da reentrada de veículos espaciais na atmosfera terrestre considerando perturbações estocásticas nas variáveis de estado e de medida e um algoritmo é apresentado para a utilização deste novo método.

O objetivo deste trabalho é investigar sobre as características de jatos de plasma térmicos gerados por tochas de plasma de arco não transferido, otimizados para a simulação das condições de reentrada atmosférica de veículos espaciais e realização de pesquisas básicas sobre os mecanismos de oxidação de materiais de utilizados em sistemas de proteção térmica. Em particular foram testadas amostras do compósito C/C SiC em jatos de plasma de ar operando em dois diferentes bancos de ensaios. No primeiro sistema experimenral, já caracterizado em trabalhos anteriores, o jato de plasma é gerado em ambiente de vácuo operando em regime de escoamento supersônico (Mach 4) sob a pressão de 313 Pa. Para comparação, foi realizada a otimização de um segundo banco de ensaio utilizando uma tocha de plasma similar operando em pressão atmosférica e regime de escoamento subsônico (Mach 0,4), para gerar um fluxo de calor homogêneo de 2,2 MWm2 (mesma intensidade gerada em vácuo) necessário para simular as condições térmicas de reentrada do satélite brasileiro SARA. Estas tochas foram operadas na faixa de potência variando de 30 a 40 kW com eficiência térmica em torno de 75% obtida para uma vazão de ar de 4 g/s. A resposta térmica e propriedades ablativas do compósito C/C-SiC foram avaliadas pela determinação da difusividade térmica e taxa de perda de massa específica tendo como parâmetros o tempo de exposição e temperatura da superfície da amostra. Em ambos os bancos de ensaios, a difusividade térmica é uma função decrescente do tempo de exposição. A taxa de perda de massa específica é uma função crescente do tempo de exposição sob pressão atmosférica e possui um comportamento contrário em ambiente de vácuo. As análises das características microestururais e composição atômica das superfícies tratadas, realizadas por MEV e EDS respectivamente, mostram um processo de vitrificação intenso na superfície da amostra que leva à questão dos mecanismos de oxidação ativa e passiva do componente SiC do compósito e que são fortemente dependentes da pressão parcial de oxigênio e da temperatura da superfície da amostra. Em ambiente de vácuo, a uma temperatura máxima na superfície de 1450 C e pressão parcial de oxigênio da ordem de 66 Pa, a resistência à oxidação do compósito C/C-SiC é garantida pela formação de uma camada de passivação uniforme (estimada ser de SiO2) menos catalítica ou menos propensa a reações exotérmicas de recombinação com espécies atômicas que a do próprio compóstio C/C-SiC. Em pressão atmosférica, a uma pressão parcial de oxigênio de 2,1×104 Pa, a temperatura máxima da superfície é 400 C mais elevada que a obtida em vácuo, atingindo patamares da ordem de 1850 C. Nestas condições a camada de óxido superficial protetora é parcialmente volatilizada com o tempo de exposição produzindo um aumento na taxa de massa específica por sublimação do compósito exposto diretamente ao jato de plasma. Este efeito é equivalente ao que ocorre na transição do processo de oxidação passiva para ativa do SiC.

Este trabalho é parte importante de esforços contínuos que vêm sendo empreendidos pelo ITA e pelo IAE em desenvolver uma ferramenta numérica capaz de simular escoamentos hipersônicos em condição de não equilíbrio termodinâmico e químico. O interesse, além de desenvolver e adquirir conhecimento sobre códigos numéricos abrangentes, é auxiliar o projeto aerotermodinâmico do SARA (Satélite de Reentrada Atmosférica). O trabalho, contudo, não está endereçado especificamente a configurações de reentrada. Validações do código numérico já haviam sido realizadas com sucesso em simulações de escoamentos hipersônicos sobre diedros e mistura reativa formada por hidrogênio e ar. Entretanto, dificuldades foram observadas na simulação de um escoamento em regime permanente sobre um corpo rombudo e mistura reativa formada também por hidrogênio e ar em proporção estequiométrica. A onda de detonação é induzida pela onda de choque e, na solução experimental, está visualmente destacada da onda de choque. Na solução numérica, não foi possível observar esse destacamento. A dinâmica dos fluidos foi modelada pelas equações de Euler e a velocidade de reação química pela lei de Arrhenius. O algoritmo de discretização espacial empregado foi o método de segunda ordem de precisão proposto por Liou, conhecido como AUSM+, implementado em um contexto de volumes finitos e malhas não estruturadas. A evolução temporal é realizada separadamente para a parte da dinâmica dos fluidos e para a parte química. O método de discretização temporal da dinâmica dos fluidos utilizado foi o esquema de segunda ordem de precisão de Runge-Kutta, com cinco estágios no tempo. Para a integração da parte química, utilizou-se o código numérico VODE. O cálculo das velocidades de reação química é feito pelo código CHEMKIN-II. Duas metodologias para o acoplamento da parte química com a dinâmica dos fluidos foram empregadas. Na primeira, o acoplamento é feito pelo processo de separação do passo de tempo de Strang. A segunda é um método híbrido lagrangeano/euleriano proposto no presente trabalho, no qual o acoplamento é realizado através do uso de partículas lagrangeanas. A mistura reativa é formada por H2 e ar. O mecanismo de cinética química selecionado foi o de Balakrishnan e Williams. O presente trabalho analisa essas dificuldades, faz uma proposta de solução e substancia, implementa e apresenta a validação dessa proposta. O método híbrido lagrangeano/euleriano proposto no presente trabalho difere da formulação teórica usual no que se refere ao acoplamento da química nas equações da dinâmica dos fluidos. Com essa nova formulação, a parte referente à dinâmica dos fluidos continua considerando as propriedades médias centradas nos volumes, ao passo que o cálculo da parte química deixa de considerar valores médios das frações mássicas. Também é demonstrado neste trabalho que malhas estruturadas de quadriláteros são preferíveis a malhas não estruturadas.

No setor aeroespacial inúmeros componentes são submetidos a altas temperaturas e a ambientes térmicos agressivos. Visando atender a estes requisitos, há uma considerável ênfase nas pesquisas que envolvem o desenvolvimento de materiais compósitos a base de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono (CRFC) e de Carbonos Modificados, principalmente com Carbeto de Silício (SiC). A obtenção de materiais resistentes ao calor a serem utilizados em componentes de veículos espaciais, tais como em proteções para estruturas sujeitas à reentrada atmosférica, em tubeiras de exaustão de gases aplicadas a foguetes ou em componentes em geral que atuam como proteções térmicas, tornou-se de importância estratégica para o êxito de um programa espacial, notadamente como é o caso brasileiro. Neste trabalho foram abordados aspectos relativos aos processos usuais de obtenção desses materiais, enfatizando-se as possibilidades de incorporação de carbono à estrutura por deposição gasosa ou por via úmida (impregnações com utilização de piches e resinas fenólicas). Foram estudadas as variáveis envolvidas no processamento de compósitos termoestruturais nacionais, oriundos de preforma tridirecional (3D) e tetradirecional (4D), obtidas pela disposição espacial de varetas de carbono. Foi investigada, também, a incorporação de carbeto de silício (SiC) em compósitos bidirecionais, por meio de polímero de silicona. Foram efetuadas caracterizações térmicas e por microscopia dos compósitos obtidos e também de quatro outros materiais similares advindos de países tradicionalmente produtores.

Neste trabalho são apresentados estudos da degradação de materiais utilizados em sistemas de proteção térmica expostos a jatos de plasmas com fluxos de calor comparáveis aos da reentrada atmosférica de artefatos espaciais. Amostras foram ensaiadas em ambiente de plasma reativo de ar gerado por uma tocha de arco não transferido em corrente contínua, com entalpias entre 6,2MJ/kg e 9,4MJ/kg, correspondentes a fluxos térmicos na faixa de 0,5MW/m2 a 2,2MW/m2. A ênfase é dada aos materiais compósitos ablativos de quartzo-fenólico, formados com matriz de resina fenólica reforçados com fibras de quartzo, material desenvolvido e fabricado no Brasil, de especial interesse do Instituto de Aeronáutica e Espaço. Neste caso, no intuito de resolver problemas de delaminação e moldagem em camadas espessas de proteção térmica com geometrias complexas, foram fabricadas amostras com diferentes concentrações de resina fenólica (20, 32 e 42)%, utilizando-se configurações de tecido de quartzo inteiriço e picado. Para comparação, foram ensaiados outros materiais com propriedades já bem estabelecidas como o teflon e a cortiça, além do compósito carbono-fenólico (reforçado com fibras de carbono), sob as mesmas condições ablativas. Foram determinadas as taxas de perda de massa das amostras, o calor de ablação, as temperaturas radiométricas superficiais e termométricas internas, em função do tempo de exposição e do fluxo térmico. Adicionalmente, foi avaliada a perda de massa das amostras por análises termogravimétricas, o coeficiente de expansão térmica e a difusividade térmica das amostras. Os aspectos microestruturais foram investigados por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). A composição superficial das amostras foi avaliada por difração de raios x (DRX) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios x (XPS), antes e após o tratamento por plasma. Os resultados mostram que os compósitos quartzo-fenólico são os que apresentam maior calor de ablação, mais que o dobro do valor obtido para os demais materiais testados. Os compósitos carbono-fenólico apresentam quase o dobro da perda de massa comparado aos reforçados com fibra de quartzo, devido a maior volatilização da resina provocada pela maior difusividade de calor, em razão da maior condutividade térmica das fibras de carbono (11W/mK), comparada com as fibras de quartzo (1,5W/mK). A taxa de perda de massa do teflon é quase o triplo dos demais materiais e não há formação de camada superficial carbonizada, portanto as temperaturas radiométricas são menores (~900C) e mais estáveis. Neste material, para um aumento de 1MW/m2 no fluxo de calor incidente, constata-se elevação de temperatura de apenas 75C. A cortiça apresenta as menores condutividade térmica (~0,14W/mK) e massa específica (~0,1g/cm3), com taxa de perda de massa semelhante a do carbono-fenólico, porém, entre os materiais testados é o que sofre o maior taxa de erosão (~4mm/min) para um fluxo térmico de 0,8MW/m2. As análises por MEV do compósito quartzo-fenólico mostram que o uso de tecido de quartzo com malha picada, com concentrações moderadas de resina evita problemas de delaminação e excesso de rachaduras nas regiões de carbonização e adjacentes. Para fluxos térmicos mais elevados (~2MW/m2), as análises microestruturais mostram claramente a transformação de fibras maciças de quartzo em fibras ocas, na forma de tubos. As análises DRX e XPS indicam a formação de estrutura carbonosa amorfa na superfície e que os tubos são formados, principalmente, pela intensificação da oxidação das paredes das fibras, que são expostos a um jato de plasma de ar, atingindo temperaturas em torno do ponto de fusão do quartzo (~1600C). As micrografias do compósito quartzo-fenólico revelam ainda que a matriz sofre um processo de erosão mais intenso que a fibra e depende da direção do fluxo de plasma em relação ao eixo da fibra. Por meio da análise geral dos resultados focada na otimização do banco de ensaios para ablação materiais utilizados em sistemas de proteção térmica por plasma térmico, mostra-se a viabilidade de abrir um campo de pesquisas para desenvolvimento de materiais termoestruturais, até então inédito no Brasil e dispor de uma ferramenta indispensável para qualificar e certificar materiais de interesse da indústria aeroespacial.

Neste trabalho apresenta-se resultados de uma pesquisa experimental realizada no Laboratório de Plasmas e Processos do ITA, a qual, teve como objetivo principal desenvolver uma infra-estrutura laboratorial para simulação de ambiente de reentrada atmosférica e, em específico executar ensaios de materiais de proteção térmica, adequados a disponibilidade de recursos existentes. Em primeira instância são descritos os principais aspectos da reentrada, agrupando-os numa base de conhecimento necessária para iniciar pesquisas relacionadas à simulação experimental. Numa segunda instância, apresentam-se formas conhecidas de simulação de reentrada, descrevendo as principais características de um túnel de vento a plasma, do aparato experimental utilizado para geração dos jatos de plasma e dos métodos de diagnósticos para caracterização do jato produzido. Quanto ao aspecto prático, primeiro descreve-se características dos equipamentos que foram implementados na câmara de vácuo para ensaio de materiais, dos que já estavam disponíveis e dos que foram especialmente construídos para realização dos experimentos. A câmara com 3,2m3 de volume interno está equipada com sistema de bombeamento adequado para atingir a pressão residual de 10-4N/m2, medidores de vácuo, válvula automática para controle da pressão de processo e fluxímetros para 5 tipos de gases. Levantou-se a capacidade de bombeamento do sistema de vácuo, correlacionando fluxo de gás injetado e pressão, obtendo-se como resultados curvas completas de calibração da Estação Experimental, as quais definem os limites de parâmetros aerodinâmicos que podem ser simulados no sistema. Construiu-se e testou-se três tipos conceituais de geradores de jato de plasma, para ensaios térmicos de materiais: o reator do tipo catodo oco refrigerado a água, duas versões do reator do tipo descarga em regime de arco a baixa pressão, com catodo de mercúrio e condensador de vapor resfriado a nitrogênio líquido e duas versões de tocha de plasma. O reator do tipo descarga em de arco com catodo de mercúrio trata-se de uma concepção inovadora para geração do jato de plasma, através da qual, pode-se obter menor grau de contaminação do jato lançado na câmara de expansão. Foi construída uma fonte de potência elétrica capaz de gerar tensão de 1,6kV e corrente de 3A para produzir a descarga que forma o jato de plasma. Diversos ensaios foram efetuados visando caracterizar os parâmetros operacionais desses reatores bem como mostrar a viabilidade de se produzir na câmara de vácuo um jato de plasma com intensidade adequada para ser utilizado em ensaios térmicos de materiais. Analises de espectrometria de massa foram realizadas para caracterizar as espécies químicas do jato de plasma formado em Ar, N2, O2 e suas misturas. Finalmente ensaios térmicos preliminares confirmaram a aplicabilidade dos jatos de plasma gerados para o adequado teste de material, tendo sido produzidos jatos com potências da ordem de até 2,5MW/m2 em pressões entre 70 e 440N/m2 que correspondem a faixa entre 37 e 52km de atitude. A realização dos trabalhos permitiu ampliar conhecimento e experiência, indicando claramente a possibilidade de se atingir o objetivo principal da equipe de pesquisa que é a realização da proposta de planos para construção de um Túnel de Plasma Brasileiro.

Neste trabalho foram realizadas investigações sobre o processo de deposição por aspersão térmica a plasma (Plasma spray) utilizando soluções coloidais precursoras de dióxido de silício no intuito de formar uma camada de passivação deste composto sobre materiais compósitos termoestruturais. Em particular foi utilizado o compósito C/C, de elevado interesse da indústria aeroespacial. Uma tocha de plasma do tipo Tornado com vórtice de fluxo reverso em ar foi adaptada ao processo de deposição. O processo de deposição em até três camadas do mesmo material foi investigado tendo como parâmetro a corrente elétrica que passa pela tocha nos valores de 80 A, 85 A e 90 A. As análises das características microestruturais e composição atômica dos recobrimentos por MEV e EDS, respectivamente, bem como as análises de FT-IR indicam a presença de silício e oxigênio em uma proporção adequada a formação de uma camada uniforme de SiO2. As informações sobre a estrutura dos recobrimentos foram obtidas por espectroscopia Raman e por Difração de Raios-X (DRX) visando também avaliar a relevância do efeito de produção de múltiplas camadas sobre o compósito. Os resultados indicam que os recobrimentos formam estruturas cristalinas do quartzo alfa e da cristobalita quando a tocha opera em correntes mais baixas, sendo que para correntes mais elevadas ou temperaturas de saturação na superfície do compósito mais elevadas, observa-se a presença apenas da estrutura da cristobalita. As amostras com uma camada à corrente de 90 A e com três camadas a 80 A foram submetidas a testes de aquecimento térmico utilizando a mesma tocha de plasma operando em ar a uma potência de 35 kW, visando comparar suas propriedades ablativas e microestruturais com as amostras de C/C sem os recobrimentos. As amostras foram expostas ao plasma em intervalos de tempo de 10, 20, 30 e 40 s à uma distância de 10 cm do bocal da tocha correspondente a um fluxo de calor de 0,65 MW/m2 e entalpia média do gás da ordem de 3 MJ/kg. Os resultados dos testes de ablação mostram que para um tempo de exposição de 40 s os recobrimentos atuam como uma eficiente camada de passivação sobre o compósito C/C conduzindo a valores de perda de massa de aproximadamente 50% mais baixos quando comparados aos compósitos desprovidos de recobrimento. No entanto, as análises de MEV das amostras após os ensaios de ablação mostram que os recobrimentos são parcialmente removidos após um tempo de exposição de 40s, embora cumpram seu papel como camada de passivação neste período. Este resultado indica que a camada de sílica formada sofre uma degradação, provavelmente, pela presença de oxigênio e nitrogênio atômicos, altamente reativos, gerados no jato de plasma de ar operando em pressão atmosférica.