A presente Proposta da Dissertação de Mestrado apresenta a modelagem de sistemas de atuação de tubeiras através de Bond Graph, analisando os sistemas de controle de foguetes em relação a missão do VLS-1, a descrição do controle de cada estágio e movimentação das tubeiras. A modelagem dinâmica visa a simulação do comportamento do sistema. A modelagem dinâmica de sistemas físicos é realizada no aplicativo 20-SIM através de Bond Graph que descreve graficamente o domínio independente do comportamento dinâmico de sistemas físicos, ou seja, os sistemas dos domínios diferentes (elétrico, mecânico, hidráulico, acústico, termodinâmico, etc.) são descritos da mesma maneira, pois são baseados na troca da energia, resultando por tanto em equações e conceitos físicos análogos. A modelagem através de Bond Graph é uma ferramenta poderosa para modelar sistemas da engenharia, especialmente quando são envolvidos sistemas físicos diferentes. Além de trabalhar com sistemas físicos diferentes seus submodelos podem ser reutilizados para criação de novos modelos. Os ensaios de identificação dos dados foram realizados em bancada no Instituto de Aeronáutica e Espaço - IAE, localizado em São José dos Campos - SP.

Compósitos de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono (CRFC) pertencem à classe de materiais termoestruturais e são utilizados em aplicações de demanda termomecânica extrema. A título de exemplo pode-se mencionar o uso desses materiais em sistemas de proteção térmica de componentes aeroespaciais. O processamento desses compósitos envolve rotas em fase líquida e fase gasosa. Em ambas as rotas o uso de ciclos de tratamento térmico resulta em mudanças na morfologia, microestrutura e propriedades termomecânicas, que podem ser monitoradas por resistividade elétrica. A resistividade elétrica é ferramenta bastante utilizada no monitoramento de processos industriais e controle de qualidade de materiais, mas pouco explorada para compósitos CRFC. Neste trabalho, o processamento dos compósitos CRFC foi monitorado por medidas de resistividade elétrica em corrente contínua, por amostragem, em diferentes níveis de temperatura de tratamento térmico (Processo Isotérmico), e em tempo real (Processo Dinâmico). As medidas foram realizadas a partir da temperatura ambiente até 1000oC, faixa crítica de mudança micro estrutural e morfológica durante o processamento do compósito CRFC. Fitas unidirecionais (UD) e bidirecionais (2D) de fibras de carbono, obtidos de fibras de poliacrilonitrila (PAN) e fibras de Rayon, foram utilizados como reforço na manufatura dos compósitos. Uma preforma tri-direcional (3D) também foi utilizada nos experimentos. A matriz precursora de carbono utilizada foi a resina fenólica. A resistividade elétrica de compósitos é função da direção de orientação de fibras de carbono. As medidas de resistividade elétrica foram efetuadas em temperatura ambiente, pelos métodos de duas pontas e de quatro pontas, para os materiais obtidos em processo isotérmico. Medidas dinâmicas foram também obtidas pelos métodos de duas pontas e de quatro pontas para efeito de controle de processo em tempo real. Nos compósitos (3D) (preforma) foram realizadas somente medidas dinâmicas, por ambos os métodos. Embora ocorra aumento no volume de poros, durante tratamento térmico dos compósitos, que impede a passagem de corrente elétrica no material, em ambas as medidas (isotérmicas e dinâmicas) a resistividade elétrica dos compósitos 2D e 3D reduz à medida que a temperatura atinge 1000 oC, como resultado da transformação do material isolante (resina fenólica) em matriz condutora (carbono vítreo). As diferenças nos valores de resistividade elétrica nos compósitos 2D e 3D refletem a dependência do tipo de fibras de carbono e fração em volume de fibras utilizadas na manufatura dos compósitos, bem como a temperatura de tratamento térmico.

Neste trabalho, foi investigado o comportamento da garganta da tubeira de um motor foguete líquido hipotético de 5 kN, dimensionada para operar com o emprego de materiais ablativos e metálicos. O foco do trabalho foi o emprego de tubeiras confeccionadas em grafite recoberto com filme de SiC pelo processo de deposição química na fase vapor (Chemical Vapor Deposition) com espessura da ordem de 20?m. No intuito de avaliar suas propriedades ablativas e microestruturais, as tubeiras foram expostas a um fluxo de calor de 0,75 MW/m2 gerado por uma tocha de plasma de arco não transferido operando em ar a pressão atmosférica. A tocha foi operada 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. As propriedades ablativas das tubeiras de grafite com e sem recobrimento de SiC foram avaliadas pela determinação da percentagem de perda de massa em função do tempo de exposição ao jato de plasma. Para um tempo de exposição de 60 s, as tubeiras de grafite sem o recobrimento de SiC apresentaram uma percentagem de perda de massa de até 10% superiores comparadas as tubeiras revestidas, evidenciando um grande potencial de aplicação em câmaras de motores foguete a propelente líquido. As análises das características microestruturais e composição das superfícies tratadas, realizadas por MEV e DRX respectivamente, mostram um processo de oxidação intenso do filme de SiC, especificamente pela formação de uma camada de passivação de SiO2 na superfície das amostras. Esta camada de óxido é menos catalítica ou menos propensa a reações exotérmicas de recombinação com espécies atômicas geradas no jato de plasma que a do próprio SiC, conduzindo a um processo de oxidação passiva do SiC e consequentemente, inibindo o processo de erosão do recobrimento e da matriz.

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.

Este trabalho é focado no modelo dinâmico de um servomecanismo hidromecânico com comando elétrico aplicado no sistema de controle de atitude de vôo do veículo lançador de satélite (VLS). No presente sistema, a tubeira é fixada ao corpo do motor por uma interface elástica permitindo movimentos angulares da tubeira em duas direções ortogonais. O movimento angular da tubeira é atuado por um servo-posicionador eletro-hidráulico com realimentação mecânica direta entre a saída do pistão e a eletroválvula bocal-palheta. A válvula bocal-palheta é atuada por um motor linear de relutância variável, controlado por um sinal elétrico enviado pelo computador de bordo de controle de vôo do foguete. Um modelo dinâmico do servo posicionador eletrohidraúlico completo é proposto nesse trabalho. Alguns parâmetros do modelo foram obtidos por processo de identificação em malha fechada no domínio do tempo, usando a abordagem indireta. Os dados para o processo de identificação foram obtidos de montagem experimental, também apresentada nesse trabalho. A validação do modelo é obtida pela comparação com a resposta do sistema real.