O projeto do sistema de controle de um veículo lançador de satélites é feito baseado em um algoritmo que leva em conta, dentre outros parâmetros, a propulsão produzida pelo motor foguete e o consumo de massa de propelente, dadas na forma de três curvas, chamadas de nominal, superior e inferior. A partir destas curvas, têm-se então limites, dentre os quais a curva de empuxo e massa real devem permanecer. Atualmente, o algoritmo usa um perfil de empuxo constante e um perfil de massa que depende da taxa de consumo de massa. Pelo fato do algoritmo utilizar estes dados, eles não condizem com o perfil de empuxo e massa reais, pois durante a queima do propulsor a propelente sólido, estes dados podem variar consideravelmente. As simulações do algoritmo levam em conta o perfil nominal de empuxo e massa. O ideal é ter um perfil real igual à nominal, mas isso não acontece devido às variações ocorridas no motor foguete. Por isso se faz necessário uma boa estimativa para o perfil de empuxo e de massa de tal forma que ela se aproxime o máximo possível do perfil real. Este trabalho apresenta uma Estimativa Online para, durante o voo do veículo, estimar os valores para o perfil de empuxo e de massa mais próximos dos valores reais, obtendo assim um algoritmo com resultados mais condizentes com a realidade.

A otimização de parâmetros de desempenho de motores foguetes, utilizados principalmente em veículos lançadores de satélites, é de fundamental importância quando se deseja o lançamento de satélites, sejam em órbitas equatoriais, polares ou geoestacionárias. A necessidade de desenvolvimento de um booster a propelente sólido, para compor o primeiro estágio do lançador denominado VLS-BETA, originou a presente proposta de trabalho. Um estudo específico sobre este motor, no sentido de otimizar os principais parâmetros de desempenho, é necessário para definição da configuração do veículo, bem como o estudo de trajetografia e otimização de outros subsistemas do veículo. O resultado do levantamento das tecnologias disponíveis, dos meios materiais e dos softwares para simulação numérica é utilizado neste trabalho, com enfoque na definição e otimização dos parâmetros de desempenho de um propulsor de 40 t de propelente. São apresentados resultados por meio de gráficos, utilizados posteriormente para análise e discussão. Os principais parâmetros otimizados são: composição e geometria do bloco propelente, geometria da tubeira e massa estrutural dos componentes do MFPS, ou seja, envelope do motor, tubeira, proteções térmicas e ignitor.

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.

A utilização de motores foguete de combustível líquido em lançadores espaciais oferece muitas vantagens sobre seus homólogos sólidos: maior impulso específico, a possibilidade de re-ignição em vôo e o controle da magnitude do vetor empuxo. No entanto, os motores foguete líquidos são tecnicamente mais complexos do que os foguetes a propelente sólido. Nas atividades espaciais brasileiras, apenas motores foguetes sólidos tem sido utilizados em foguetes de sondagem e também no Veículo Lançador de Satélites (VLS). No Programa Espacial Brasileiro, o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), órgão responsável pelo desenvolvimento de foguetes, está desenvolvendo a tecnologia de motores foguete de propelente líquido para ser usada em lançadores de satélites no futuro. Tanques pressurizados ou turbobombas são utilizados para injetar o combustível e o oxidante na câmara de combustão, superando as perdas de pressão no resfriamento, válvulas, linhas de alimentação e injetores. Motores mais eficientes requerem maior pressão de câmara de combustão e só turbobombas podem fornecer pressões altas o suficiente para as linhas de alimentação. Estes sistemas operam em velocidades muito elevadas e sofrem intensas cargas dinâmicas. Portanto, o comportamento dinâmico do rotor deve ser avaliado ainda durante a fase de concepção. Esta dissertação encontra-se no âmbito dos esforços do IAE / ITA, a fim de desenvolver conhecimentos e recursos humanos na área de motores foguete de propelente líquido. Neste trabalho, uma unidade de turbobomba foi projetada para um motor de foguete de propelente líquido hipotético com 75kN de empuxo no vácuo. Também foi desenvolvido um programa de elementos finitos utilizando MATLAB considerando o eixo flexível com discos rígidos para analisar o comportamento dinâmico do rotor e dos mancais. Resultados clássicos de dinâmica de rotores, como diagrama de Campbell, modos de vibração e modos de giro foram calculados. Um valor de desbalanço típico para este tipo de sistema foi designado para o rotor e o efeito da distribuição de massas de desbalanceamento nos discos (bombas e turbinas) foi analisado. A análise indicou um rotor com vibrações laterais excessivas. Novas configurações do projeto foram criadas e analisadas com facilidade até uma configuração que atendesse aos requisitos de deslocamento foi encontrada.

O presente trabalho aborda análises de sistemas de propulsão e manobra para comboios fluviais, e seus efeitos na manobrabilidade dos comboios. Analisam-se o sistema de propulsão convencional (propulsor mais leme), o sistema azimutal e o equipamento de proa auxiliar combinado com cada um destes sistemas de propulsão. Apresenta-se a modelagem matemática dos sistemas de propulsão e manobra citados, os quais serviram de base para implementação de um simulador computacional utilizado para obtenção dos resultados desta dissertação. As forças e momentos hidrodinâmicos são obtidos através do método das derivadas hidrodinâmicas para as simulações próximas à velocidade de serviço do comboio, enquanto para simulações em baixa velocidade utilizou um método semi-empírico baseado no princípio de cross-flow. Inicialmente, efetuou-se a validação do simulador com resultados da literatura para o caso do comboio com propulsão convencional. Em seguida, o modelo foi adaptado para os demais tipos de sistemas de propulsão e manobra propostos. Os resultados obtidos mostram que há uma maior eficiência do sistema de propulsão azimutal e do equipamento na proa para manobras em baixas velocidades, o que se torna adequado sua aplicação em comboios fluvial, pois essas embarcações navegam em velocidades menores se comparadas a outros tipos de embarcações. / The present work deal with analysis of propulsion and maneuvering systems for pusher-barge system, and results on the maneuverability of convoys. It analyzes the conventional propulsion system (rudder plus propeller), the azimuth system and combined auxiliary equipment bow with each of these propulsion systems. Presents the mathematical modeling of propulsion and maneuvering systems mentioned, which served as the basis for implementation of a computational simulator used to obtain the results of this dissertation. The hydrodynamic forces and moments are obtained by the method of hydrodynamic derivatives for simulations about service speed, while for simulations at low speed used a semi - empirical method based on the principle of cross-flow. Initially, performed the validation of the simulation results with the literature for the case of pusher-barge system with conventional propulsion. Then the model was adapted to other types of propulsion and maneuvering systems proposed. The results show that there is a greater efficiency of azimuth propulsion system and equipment in the bow to maneuver at low speeds, which makes it suitable for application in river transport, because these vessels navigate slower speeds compared to other types of vessels.

O presente trabalho aborda análises de sistemas de propulsão e manobra para comboios fluviais, e seus efeitos na manobrabilidade dos comboios. Analisam-se o sistema de propulsão convencional (propulsor mais leme), o sistema azimutal e o equipamento de proa auxiliar combinado com cada um destes sistemas de propulsão. Apresenta-se a modelagem matemática dos sistemas de propulsão e manobra citados, os quais serviram de base para implementação de um simulador computacional utilizado para obtenção dos resultados desta dissertação. As forças e momentos hidrodinâmicos são obtidos através do método das derivadas hidrodinâmicas para as simulações próximas à velocidade de serviço do comboio, enquanto para simulações em baixa velocidade utilizou um método semi-empírico baseado no princípio de cross-flow. Inicialmente, efetuou-se a validação do simulador com resultados da literatura para o caso do comboio com propulsão convencional. Em seguida, o modelo foi adaptado para os demais tipos de sistemas de propulsão e manobra propostos. Os resultados obtidos mostram que há uma maior eficiência do sistema de propulsão azimutal e do equipamento na proa para manobras em baixas velocidades, o que se torna adequado sua aplicação em comboios fluvial, pois essas embarcações navegam em velocidades menores se comparadas a outros tipos de embarcações. / The present work deal with analysis of propulsion and maneuvering systems for pusher-barge system, and results on the maneuverability of convoys. It analyzes the conventional propulsion system (rudder plus propeller), the azimuth system and combined auxiliary equipment bow with each of these propulsion systems. Presents the mathematical modeling of propulsion and maneuvering systems mentioned, which served as the basis for implementation of a computational simulator used to obtain the results of this dissertation. The hydrodynamic forces and moments are obtained by the method of hydrodynamic derivatives for simulations about service speed, while for simulations at low speed used a semi - empirical method based on the principle of cross-flow. Initially, performed the validation of the simulation results with the literature for the case of pusher-barge system with conventional propulsion. Then the model was adapted to other types of propulsion and maneuvering systems proposed. The results show that there is a greater efficiency of azimuth propulsion system and equipment in the bow to maneuver at low speeds, which makes it suitable for application in river transport, because these vessels navigate slower speeds compared to other types of vessels.

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.

Este trabalho se propõe a simular a emissão de NOx na condição de decolagem, para motores de diversos fabricantes, usando o software de simulação de desempenho GasTurb (versão 10) e obter resultados próximos aos dados experimentais apresentados na planilha de certificação de emissões da ICAO (Organização Internacional de Aviação Civil). O GasTurb é utilizado sobretudo em cálculos do ponto de projeto e permite similar, numa única subrotina, vários motores. Mais que isso, objetiva-se apresentar os passos a serem seguidos para a avaliação dos ciclos completes de emissões (LTO), usando-se o GasTurb, embora não seja o objetivo dessa dissertação um estudo detalhado desses ciclos. Finalmente, mostra-se que um modelo empírico de emissões de NOx que depende apenas da pressão e temperatura de entrada na câmara de combustão (P3 e T3) prevê com boa confiabilidade as emissões experimentais desse poluente em combustores convencionais.

The present work proposes a methodology to define the electric propulsion system for PSVs. This methodology was applied to a case study: the conceptual design of a PSV for operation at the pre-salt fields at Santos basin. First, four different alternatives of electric propulsion systems for the PSV are presented and sized. The first one has induction motors as main propulsion motors, the second one has synchronous motors as main propulsion motors; the third and fourth alternatives are the same as the first and second, respectively, with a batteries bank connected to the main switchboard. Each of the four arrangements was contemplated with two options for Diesel generators: high speed and medium speed generator sets. The mass, volume, fuel consumption, exhaust gases emissions and reference capital costs for each arrangement are estimated and analyzed. Moreover, an economic analysis through the Net Present Value (NPV) is performed. The methodology ends with the Analytic Hierarchy Process (AHP) to support the decision making procedure. Some of the parameters obtained for each arrangement (mass, volume, fuel consumption, exhaust gases and NPV) are used as criteria and sub-criteria for selection. Two scenarios are evaluated, the first scenario gives more importance to the financial component of the design; the second scenario sets the exhaust gases emissions as the more significant parameter. The results were different, the arrangements 1 and 2 with medium speed Diesel generator sets appear as the most suitable option from the economical point of view; whereas the arrangements with batteries and high speed Diesel gensets are the best options to reduce the exhaust emissions. / O presente trabalho propôs uma metodologia para definir o sistema de propulsão elétrica para PSVs. A metodologia foi aplicada para um caso estudo: o projeto conceitual de um PSV para operar nos campos do pré-sal na Bacia de Santos. Primeiramente, as quatro diferentes alternativas de sistemas de propulsão elétrica para PSV são apresentadas e dimensionadas. A primeira alternativa tem motores de indução como motores de propulsão principal, a segunda alternativa tem motores síncronos como motores de propulsão principal; a terceira e quarta alternativas são as mesmas que a primeira e a segunda, respectivamente, com um banco de baterias conectado ao quadro principal. Cada um dos quatro arranjos foi considerado com duas opções para Diesel geradores: Diesel geradores de alta e média rotação. A massa, volumem, consumo de combustível, emissão de gases e os custos capitais de referência para cada arranjo são estimados e analisados. Adicionalmente, uma análise económica usando o Valor Presente Líquido (VPL) é feita. A metodologia finaliza com o Analytic Hierarchy Process (AHP) para apoiar o processo de escolha de alternativa. Alguns dos parâmetros obtidos para cada arranjo (massa, volumem, consumo de combustível, gases poluentes e o VPL) são utilizados como critérios de seleção. Dois cenários são avaliados, o primeiro cenário dá maior importância à parte financeira do projeto, o segundo cenário estabelece as emissões de gases poluentes como o parâmetro mais significativo. Os resultados foram diferentes, os arranjos 1 e 2 com Diesel geradores de média rotação se apresentam como a opção mais adequada desde o ponto de vista econômico; enquanto os arranjos com baterias e Diesel geradores de alta rotação são a melhor opção para reduzir as emissões de gases poluentes.

The present work proposes a methodology to define the electric propulsion system for PSVs. This methodology was applied to a case study: the conceptual design of a PSV for operation at the pre-salt fields at Santos basin. First, four different alternatives of electric propulsion systems for the PSV are presented and sized. The first one has induction motors as main propulsion motors, the second one has synchronous motors as main propulsion motors; the third and fourth alternatives are the same as the first and second, respectively, with a batteries bank connected to the main switchboard. Each of the four arrangements was contemplated with two options for Diesel generators: high speed and medium speed generator sets. The mass, volume, fuel consumption, exhaust gases emissions and reference capital costs for each arrangement are estimated and analyzed. Moreover, an economic analysis through the Net Present Value (NPV) is performed. The methodology ends with the Analytic Hierarchy Process (AHP) to support the decision making procedure. Some of the parameters obtained for each arrangement (mass, volume, fuel consumption, exhaust gases and NPV) are used as criteria and sub-criteria for selection. Two scenarios are evaluated, the first scenario gives more importance to the financial component of the design; the second scenario sets the exhaust gases emissions as the more significant parameter. The results were different, the arrangements 1 and 2 with medium speed Diesel generator sets appear as the most suitable option from the economical point of view; whereas the arrangements with batteries and high speed Diesel gensets are the best options to reduce the exhaust emissions. / O presente trabalho propôs uma metodologia para definir o sistema de propulsão elétrica para PSVs. A metodologia foi aplicada para um caso estudo: o projeto conceitual de um PSV para operar nos campos do pré-sal na Bacia de Santos. Primeiramente, as quatro diferentes alternativas de sistemas de propulsão elétrica para PSV são apresentadas e dimensionadas. A primeira alternativa tem motores de indução como motores de propulsão principal, a segunda alternativa tem motores síncronos como motores de propulsão principal; a terceira e quarta alternativas são as mesmas que a primeira e a segunda, respectivamente, com um banco de baterias conectado ao quadro principal. Cada um dos quatro arranjos foi considerado com duas opções para Diesel geradores: Diesel geradores de alta e média rotação. A massa, volumem, consumo de combustível, emissão de gases e os custos capitais de referência para cada arranjo são estimados e analisados. Adicionalmente, uma análise económica usando o Valor Presente Líquido (VPL) é feita. A metodologia finaliza com o Analytic Hierarchy Process (AHP) para apoiar o processo de escolha de alternativa. Alguns dos parâmetros obtidos para cada arranjo (massa, volumem, consumo de combustível, gases poluentes e o VPL) são utilizados como critérios de seleção. Dois cenários são avaliados, o primeiro cenário dá maior importância à parte financeira do projeto, o segundo cenário estabelece as emissões de gases poluentes como o parâmetro mais significativo. Os resultados foram diferentes, os arranjos 1 e 2 com Diesel geradores de média rotação se apresentam como a opção mais adequada desde o ponto de vista econômico; enquanto os arranjos com baterias e Diesel geradores de alta rotação são a melhor opção para reduzir as emissões de gases poluentes.