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.

Combustion instability problems have been experienced during nearly every rocket engine development program, characterized by chamber pressure oscillations and high density of energy release in a volume having relatively low losses. Several distinct types of instability and their physical manifestations have been observed, although the frequency and amplitude of these oscillations and their external manifestations normally vary with the type of instability. The most destructive type of instability is referred to as high frequency instability, resonant combustion or acoustic instability, which is usually eliminated by use of passive control, involving installation of baffles, resonators, or some other modification of geometry. The main purpose of this work is the experimental investigation of use of passive control devices (Helmholtz resonators and baffles) to control acoustic instabilities in combustion chambers, because this type of instability occurs in liquid rocket engines, rocket motors and industrial burners. The first step of this research is the acoustic characterization of chamber, thus cold tests were carried out on full-scale chamber model to analyze the effects of resonators. Experimental frequency spectrum data are in excellent agreement with resonant frequencies and damping rate calculated by theoretical model, demonstrating resonators efficiency to reduce the amplitude of Sound Pressure Level at given resonant frequency. Afterwards, hot tests were carried out on burner with and without resonators, identifying the frequency spectrum of acoustic pressure in chamber, which was compared with cold tests (full-scale model) results and theory by correction factors of temperature, density, and viscosity. The experimental data validated the methodology to design resonators useable to control combustion instabilities.

Os materiais energéticos têm sido utilizados ao longo dos tempos em aplicações civis e militares. De forma concomitante, estudos foram direcionados focando os mecanismos de combustão desses materiais, incluindo seu comportamento cinético e termodinâmico durante a queima. O objetivo do presente trabalho foi estudar de forma sistemática os mecanismos de decomposição térmica da dinitramida de amônio (ADN), perclorato de amônio (AP), isolado e formulado como propelente sólido compósito, além do hidrogênio, por meio de simulação computacional. Foram levados em conta todos os parâmetros cinéticos e termodinâmicos para a realização destas simulações. Além disso, foi realizada a determinação dos parâmetros de Arrhenius para as reações elementares que envolvem o mecanismo global de decomposição térmica do hidrogênio por métodos de química quântica molecular. O comportamento da combustão da ADN para o caso do grão propelente sólido instalado na câmara de combustão de um motor-foguete convencional foi comparado ao comportamento quando em sistema aberto, nas condições ambiente. O livre fornecimento de oxigênio no sistema aberto acarreta um aumento significativo na velocidade das reações elementares do mecanismo global. A decomposição térmica do AP foi simulada nas condições de queima do grão instalado na câmara de combustão de um motor-foguete, de forma isolada ou formulado no "binder" de polibutadieno líquido hidroxilado (PBLH). Os resultados mostraram que a pressão do meio é um fator crítico na queima do AP isolado, enquanto para o AP formulado com PBLH, a variação no comportamento de queima em função da pressão pode ser desconsiderada. Por meio de métodos de química quântica molecular, foram determinados os parâmetros cinéticos e termodinâmicos das reações elementares do mecanismo de combustão do hidrogênio. Estes resultados foram comparados com os obtidos experimentalmente por meio de simulação de queima em um reator em regime transiente. Notou-se que mudanças no valor absoluto da energia de ativação acarretaram variações significativas no comportamento global da decomposição térmica do material.

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.

O injetor é um dos componentes críticos do motor a propelente líquido. A ele estão relacionados muitas das causas que levam ao mau funcionamento do motor. As técnicas utilizadas na caracterização dos injetores são feitas com água a pressão e temperatura ambientes. No entanto esta caracterização tende a ser pouco precisa para prever o real comportamento do injetor, devido à discrepância entre os regimes de operação encontrados nas câmaras de combustão e também à diferença entre as propriedades dos líquidos utilizados. O presente trabalho teve como objetivo estudar o comportamento de um injetor criogênico, comparando os resultados obtidos com água e com um líquido criogênico. Também foi projetada uma câmara para o estudo do injetor em combustão. Iniciou-se fazendo a escolha de um injetor adequado para os testes na câmara de combustão. Quatro modelos foram testados a procura do que apresentasse as melhores características. Nessa primeira parte, verificaram-se os tamanhos de gotas (SMD) e se fez a comparação dos valores medidos com os tamanhos de gotas calculados a partir das equações empíricas. Também foram realizadas as medidas dos ângulos de abertura dos sprays. Os testes de distribuição de massa foram realizados com um parternador e um calorímetro. Posteriormente foram representados em gráficos de curva de nível e de superfície e a qualidade de mistura analisada. A primeira câmara fabricada era inteiriça (uma peça única) de cobre com uma tomada de pressão e um ignitor gás dinâmico acoplado. Ao final dos testes verificou-se a necessidade de um estudo para um novo cabeçote e de um novo ignitor. Despenderam-se esforços no sentido de redimensionar o ignitor com alguns resultados promissores. Foram realizados ensaios com sprays de N2 líquido e álcool, utilizando a técnica de Fluorescência Induzida por Laser ("Planar Laser Induced Fluorecence", PLIF). O PLIF demonstrou ser uma excelente ferramenta para observar o comportamento dos sprays. O injetor foi testado com água e depois com álcool, para o combustível, e nitrogênio para o oxidante, utilizando Velocimetria de partículas por imageamento ("Particle image Velocimetry", PIV). Foram comparados os resultados do comportamento do líquido criogênico e da água. Finalmente, um novo modelo de câmara foi projetado, incluindo modificações que a fazem mais maleável e permitem diferentes regimes de trabalho. Este modelo deve ser testado em trabalho posterior.

Este trabalho apresenta a analise modal de uma estrutura composta por um motor foguete a propelente solido acoplado a um satelite por um cone de acoplamento. O envelope do motor e constituido por um vaso de pressao, com selante de borracha, bobinado com fibra de aramida e resina epoxi. Foi utilizada a concepcao isotensoidal para a determinacao da geometria de seus doisdomos de fechamento. A analise teorica, com a extracao dos modos e das frequencias naturais da estrutura, e realizada pelo metodo dos elementos finitos. Os resultados teoricos sao confrontados com os resultados da analise modal experimental da estrutura real, onde saocomentadas as consideracoes realizadas no modelamento teorico, assimcomo as possiveis fontes de erro nos resultados. No geral foi obtidauma boa correlacao entre os resultados experimentais e os teoricos. Utilizando-se os fatores de amortecimento obtidos experimentalmente e os resultados teoricos, foi possivel avaliar a influencia do propelente no comportamento da estrutura analisada. Na analise dos resultados sao ressaltadas as consequencias de suas baixas propriedades de rigidez e de seu elevado amortecimento, com relacao ao restante da estrutura.

Uma grande limitação dos foguetes à propelente sólido consiste na dificuldade de alteração do módulo do vetor empuxo, quando e se necessário, durante a queima do grão. Entre as soluções conhecidas pra resolver este problema encontram-se a utilização de um grão composto de propelentes diferentes, a utilização de uma geometria de grão adequada e a utilização de foguetes auxiliares (e.q. boosters). Estas soluções não significam entretanto um efetivo controle já que não podem ser alteradas durante a queima. Consistem, na sua essência, de uma pré-programação da queima. Um controle efetivo é obtido pela injeção de massa na câmara de combustão, alterando a vazão mássica que flui através da tubeira, as propriedades termodinâmicas do gás produto da combustão bem como outros parâmetros do motor foguete, tendo como resultado a possibilidade de controle do módulo do vetor empuxo quando e se necessário, ou seja, num instante aleatório durante a queima e de reprodutibilidade possível, independente de programação prévia. Este trabalho visa estabelecer primordialmente um equacionamento matemático adequado à obtenção da curva pressão versus tempo de queima durante a queima, sem injeção e com a injeção.

Esta tese apresenta uma investigação detalhada dos injetores centrífugos utilizados para atomização de propelentes líquidos. Inicialmente foram analisadas e comparadas as teorias aplicadas aos cálculos analíticos das dimensões do injetor e do escoamento interno, apresentadas por vários pesquisadores. Com base nesta análise, para os cálculos iniciais, foi escolhida a teoria de Abramovich como sendo a mais completa e adequada. Nessa teoria o propelente é considerado um fluido ideal e por este motivo pode ser aplicada no projeto dos injetores que possuem as características geométricas apropriadas. Para os cálculos dos injetores, incluindo os efeitos de viscosidade, a teoria de Abramovich foi modificada. Essa modificação apresentou resultados satisfatórios. A segunda parte do trabalho incluiu a modelagem numérica do escoamento interno do injetor. Nessa parte foi apresentado o procedimento de geração de malha, sendo também discutidos os tipos de modelagem multifásica e modelos de turbulência aplicados para simulação do escoamento. A modelagem de escoamento do fluido no interior do injetor tem suas particularidades devido às altas velocidades de rotação. Estas velocidades têm influência no comportamento do fluido que torna complexa a convergência da solução numérica; por isso para se obter resultados compatíveis com escoamento real é necessário utilizar modelos de turbulência direcionados para este tipo de problema. Na simulação numérica foi aplicado o modelo de turbulência ?-?, RNG ?-? e Reynolds stress model. A modelagem foi feita utilizando o software ANSYS CFX. Os resultados desta simulação apresentaram o comportamento detalhado do escoamento do fluido dentro de injetor. Foram determinados os campos de velocidade axial, tangencial e radial, a câmera oca formada pelo ar e distribuição da pressão total, estática e dinâmica. A validação dos resultados analíticos e numéricos foi feita em comparação com resultados dos testes experimentais. Para realização dos ensaios foi projetada uma matriz de testes que permitiu fazer a avaliação dos injetores mono e bi-propelentes. Durante os ensaios também foi analisada a influência da quantidade de orifícios de entrada do injetor na homogeneidade da distribuição do líquido no spray.

O sistema de injeção de um motor foguete a propelente líquido (MFPL) é considerado uma das partes mais importantes para o perfeito funcionamento do motor. Seus parâmetros fluidos mecânicos influenciam diretamente no comportamento térmico da câmara, por conseqüência na eficiência de combustão, refrigeração do motor e também na estabilidade dinâmica de todo o motor. Esta dissertação propõe uma metodologia de cálculo para dimensionamento de injetores centrífugos líquido-líquido para motor foguete a propelente líquido, validada através da obtenção da geometria de um injetor já conhecido, o injetor do motor russo RD-109. Este trabalho também estuda aspectos experimentais de influência dos canais tangenciais de admissão de fluido no ângulo de cone, distribuição da vazão mássica e razão de mistura, que são os principais parâmetros de desempenho do injetor. O conhecimento prévio desses parâmetros é útil antes da montagem dos injetores no cabeçote, pois conhecendo seu comportamento é possível distribuí-los de maneira a melhorar a resposta dinâmica do sistema e a eficiência de combustão, otimizando os custos de ajustes do motor na fase de testes a quente.

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.