Uma das grandes dificuldades para a determinação da hélice ideal para a aplicação no grupo moto propulsor em aeronave rádio controlada está associada ao seu desempenho. A escolha ideal do grupo moto propulsor, baseado em um motor responsável pela geração de potência de eixo e uma hélice que converte essa potência em força propulsiva, é de grande importância pois garante uma melhor qualidade de voo e menor consumo da fonte energética, que pode ser um combustível ou energia elétrica. As hélices são diferenciadas por suas características geométricas e aerodinâmicas definidas pelos seus respectivos fabricantes. As principais características geométricas são o diâmetro e o passo geométrico. A principal característica aerodinâmica é curvatura da pá, definida pelo formato aerodinâmico da seção transversal da pá. Este trabalho tem como objetivo principal a caracterização experimental de diversas hélices de diferentes fabricantes. Para tal trabalho foi desenvolvido um banco de hélices para obtenção dos principais parâmetros de desempenho de uma hélice, como força propulsiva e rotação. As hélices testadas possuem diâmetro de 13 polegadas com diferentes passos, sendo elas: APC (13x4, 13x6, 13x9, 13x10 e 13x11), Master Aircrew (13x5, 13x6 e 13x8), JCSuper (13x6) e Top Flite (13x6). Os resultados experimentais foram comparados com resultados obtidos através de modelagem numérica, utilizando a teoria de elemento de pá, e com alguns resultados experimentais e numéricos obtidos na literatura, a fim de validar os resultados numéricos. Os resultados experimentais mostram que hélices de dimensões equivalentes, de diferentes fabricantes, possuem desempenho propulsivo diferente.

Calculando quinze motores (variando a pressão de câmara e a razão de expansão dos gases) e mais cinco geradores de gás (variando apenas a pressão de funcionamento), propulsionados a LOX e álcool, foi selecionado um motor compatível com o atual motor russo RD109 (LOX e querosene) com os dados numéricos gerados por um algoritmo de cálculo. Uma vez escolhida à pressão de câmara, foi possível dimensionar um motor de 75kN com um gerador de gás que alimenta uma turbo bomba com funcionamento de ciclo aberto. Neste trabalho, foi estudado um novo tipo de gerador de gás alimentado por injetores de célula única, com duas regiões de queima, com o objetivo de reduzir a formação de fuligem. Com o modelo proposto de gerador de gás foi realizado um estudo estrutural estático, para verificar a espessura mínima da parede da câmara geradora de gás.

Este trabalho se direciona na construção de um modelo detalhado de elementos finitos da Câmara de empuxo do motor L15 a propulsão líquida. O sistema estrutural compõe-se das seguintes partes: tubeira, suporte, garganta, cinta de resfriamento e câmara de combustão. A pré-análise, apresentada neste trabalho, ajuda a compreender e prever a influência das deformações e respectivas tensões, antes da construção de um protótipo para ensaio reduzindo esforços, custos e permitindo uma visão com boa margem de segurança sobre os resultados que serão obtidos com os testes práticos. A análise teórica da estabilidade de um sistema, assim como também, a simulação de sua operação, requer a elaboração de um modelo matemático para descrever, sempre com algum nível de aproximação, os fenômenos mais importantes do sistema real. No presente trabalho, esta modelagem é feita pelo "software" MSC. "Patran/Nastran V.2004" através da criação de modelos geométricos e a geração de malha com materiais diversos. É possível por meio do "software" utilizado, prever as tensões em áreas críticas, melhorar a qualidade dos resultados através do refinamento de malha. O método proporciona uma redução significativa no tempo e no esforço necessário para a realização da análise estrutural. Os resultados foram comparados com valores obtidos para tensão de escoamento e ruptura dos materiais, e margens de segurança foram determinadas.

O presente estudo contempla a análise de um modelo específico de cabeçote de injeção de propelente líquido para motor foguete e compara os dados provenientes do cálculo e as considerações empíricas com os testes de comprovação. Utilizando de base o cabeçote de injetores do MFPL L15, os testes permitirão qualificar os principais dados referentes a distribuição de injetores e a eficácia da mistura por conseqüência do arranjo escolhido para tal. Com um projeto que prevê uma distribuição garantindo, além da queima, líquido para a proteção da câmara de combustão, este trabalho analisa o efeito desta mistura em camadas adjacentes e sua participação no processo de combustão. Os testes que se sucederam permitiram a análise de todos os parâmetros requeridos para o estudo em questão, evidenciando também a possibilidades de considerações acerca da geometria empregada.

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.

Motores foguetes a propelente sólido de um artefato militar (Sistema Balístico Ar Terra, SBAT 70mm) foram utilizados em estudo comparativo de envelhecimento natural e acelerado confinados, semi e abertos. Sendo que um deles, além do tempo (10 anos) em estocagem em paióis da FAB-Força Aérea Brasileira, ainda foi submetido a um programa de envelhecimento acelerado. Após este processo de envelhecimento artificial dos motores ter sido concluído, os foguetes do artefato foram desmontados sendo então retiradas amostras dos grãos propelentes sólidos compósitos as quais foram conduzidas para análises físico-químicas pela aplicação de técnicas de análise térmica, mais especificamente, termogravimetria (TGA) e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Concomitantemente, amostras do grão propelente sólido não confinadas também foram submetidas a ciclos de envelhecimento artificial semelhante ao do motor. Estas amostras apresentaram mudanças nas propriedades térmicas semelhantes àquelas encontradas na literatura para as amostras não-confinadas. Essas mudanças, caracterizadas principalmente pelas propriedades energéticas, indicam que o compósito instalado no motor tem uma vida útil pré-determinada que leva em conta os parâmetros balísticos de projeto do motor correspondente, sendo a principal delas o desempenho em voo. Observou-se uma queda na variação de entalpia (?H) da fase exotérmica da curva DSC de amostras do grão o que indica possíveis alterações na performance do motor, especialmente um aumento do Erro Circular Provável (CEP), que é o principal parâmetro de qualificação do artefato impulsionado pelo motor estudado nesta pesquisa. Da mesma forma, houve uma queda do valor absoluto da energia de ativação (Ea) na decomposição térmica do material envelhecido. Ainda foram realizados ensaios de natureza mecânicas de formulação semelhante à utilizada no motor do SBAT, envelhecida artificialmente sob diferentes condições. Foram avaliadas as seguintes propriedades mecânicas: resistência máxima à tração, módulo elástico ou de Young, alongamento na região elástica, alongamento de ruptura e dureza. Verificou-se uma variação nas propriedades mecânicas com o incremento de temperatura e tempo de envelhecimento acelerado, o que indica um possível aumento na densidade de ligações cruzadas nas amostras estudadas. O processo de envelhecimento do grão é intrínseco às suas matérias primas e processamento de obtenção.

This work presents an experimental investigation carried out in the Hypersonic Shock Tunnel T3, using the 1:2 scale model of the scramjet technology demonstrator 14-X B, developed at the Laboratory of Aerothermodynamic and Hypersonic Prof. Henry T. Nagamatsu belonging to the Instituto de EstudosAvançados (IEAv). The scramjet demonstrator 14-X B was installed parallel to the free-stream hypersonic flow at angle of attack 0 and Mach numbers 6 to 12 approximately. On the scramjet demonstrator 14-X B lower surface, flush mount piezoelectric pressure transducers are installed to measure the pressure distribution along the model central streamline (longitudinal symmetry line) and off-line. A piezoelectric pressure transducer is installed at the leading edge of the model 14-X B (pitot tube) to measure the freestream total pressure and to infer the airflow speed of the hypersonic flow in the test section of the hypersonic shock tunnel T3. In addition, a theoretical analysis based on the viscous hypersonic flow is applied to airflow over the airframe scramjet engine. The experimental results are collected and analyzed, showing a reasonable agreement with the theoretical ones.

A borracha de EPDM vem sendo empregada com sucesso como proteção térmica flexível de motor foguete. Entretanto, sendo essa aplicação ainda recente em nosso país, existe a necessidade do desenvolvimento de metodologias de caracterização para o melhor entendimento de seus mecanismos de degradação e otimização de suas formulações. As metodologias existentes para análise de aditivos desse material envolvem etapa de extração, aumentando o tempo de análise. Sendo assim, nesta tese de doutorado, a borracha de EPDM crua e vulcanizada, bem como seus aditivos, foram investigados, sem extração, por pirólise gasosa aliada à espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (PIR-G/FT-IR) e pelo acoplamento das técnicas termogravimetria (TG) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (TG/FT-IR). Foi realizada também uma comparação entre os dados obtidos com as duas metodologias. Os resultados demonstraram que grupos funcionais dos aditivos podem ser detectados nas borrachas crua e vulcanizada, sem extração prévia. Os aditivos sulfurados TMTM e MBT, em teores tão baixos quanto 0,7 phr (0,63%), foram detectados por ambas as metodologias. Contudo, outros aditivos como óleo parafínico, ácido esteárico e TMQ não puderam ser identificados na borracha formulada. Individualmente, todos os aditivos analisados apresentaram espectros FT-IR distintos e foram identificados de forma inequívoca pelas metodologias PIR-G/FT-IR e TG/FT-IR.

Esta dissertação apresenta uma análise estrutural em regime transiente da câmara de empuxo do Motor Foguete a Propelente Líquido L15 que se encontra em desenvolvimento na Divisão de Propulsão Espacial, no Instituto de Aeronáutica e Espaço. Para tanto foi utilizado o método de elementos finitos por meio dos programas MSC.Patran e MSC.Nastran. O regime transiente caracteriza-se pela existência de um carregamento dinâmico, a pressão de câmara, variando no domínio do tempo. Para a determinação das respostas dinâmicas foi selecionada uma solução MSC.Nastran que calcula a resposta utilizando o método da superposição modal. Deslocamentos e acelerações de nós em duas diferentes regiões da câmara de empuxo (região cilíndrica e tubeira) foram resultados utilizados para quantificar a magnitude e intensidade das vibrações geradas nesses locais e verificar a influência do amortecimento.

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.