O presente trabalho está voltado ao estudo e desenvolvimento de catodos óxidos destinados à geração de elétrons primários e neutralizadores para o protótipo de um propulsor iônico (PION-II), ora em desenvolvimento pelo Laboratório Associado de Plasmas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Esse protótipo está dimensionado para produzir 1mN de empuxo com um consumo máximo de potência de 50W, utilizando argônio ou xenônio com propelente. Tal propulsor poderá ser utilizado na descarga elétrica ou no controle de atitude e órbita dos satélites da Missão Completa Espacial Brasileira (MECB). Os catodos foram confeccionados empregando-se substrato de níquel recoberto por um filme de carbonatos de bário, estrôncio e cálcio. Para a transformação dos carbonatos em óxidos e a posterior emissão termoeletrônica, foi utilizado o aquecimento indireto do catodo. O catodo e o anodo foram dispostos concentricamente de forma a produzir um fluxo convergente de elétrons para o anodo. O desenvolvimento dos catodos óxidos compreendeu, então, o estudo da composição estequiométrica da suspensão de carbonatos, a forma de aplicação do filme sobre o substrato, a otimização do sistema de aquecimento indireto do catodo e os processos de ativação e reativação. As propriedades físico-químicas do filme foram obtidas através de ensaios de emissão termoeletrônica, análises da composição e micrografia do filme.

Os propulsores iônicos são dispositivos que tem encontrado um vasto e crescente campo de utilização com relação às aplicações espaciais, tais como o descarregamento elétrico e o controle de atitude e órbita de satélites geoestacionários ou mesmo de estações interplanetárias, pois, estes propulsores apresentam valores elevados de impulso específico e reduzidos valores no consumo de potência e de propelente. O crescente interese demostrado nos últimos anos por parte de toda a comunidade atuante no campo espacial, levou o Brasil a desenvolver tais propulsores iônicos através do Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisa Espaciais (INPE). O desenvolvimento destes propulsores foi iniciado em 1985 por meio da montagem e testes preliminares de desempenho de um primeiro protótipi por impacto eletrônico (PION-I) operando com argônio como propelente. Os bons resultados obtidos com este primeiro protótipo, propiciaram, então, a construção de uma câmara de vácuo eleborada exclusivamente para o desenvolvimento de propulsões iônicos pelo LAP. Neste trabalho será descrito o modelamento conceitual da fonte de íons para um novo protótipo de propulsor iônico por impacto eletrônico em gases nobres. Este novo protótipo (PION-II) foi dimensionado de forma a produzir um empuxo de 1 mN com um consumo de potência da ordem de 50 W, empregando um feixe de íons com seção transversal de 5 cm e utilizando-se, para tal, argônio ou xenônio como propelentes. Estas especificações permitirão que este propulsor iônico possa ser utilizado no controle de atitude dos satélites ora em desenvolvimento pela Missão Espacial Completa Brasileira (MECB). O modelamento desta fonte de íons foi realizado por meio da abordagem dos aspectos envolvendo a produção de um feixe de íons e os efeitos de carga espacial sobre este feixe, a produção de plasma e a geração de elétrons primários e neutralizadores. Para tal, foram utilizados tanto modelos analíticos específicos como códigos numéricos. Dentre os códigos numéricos empregados, alguns foram especialmente elaborados (por exemplo os códigos denominados por MAGFRAME e CONFMAG) ou adaptados para este trabalho (por exemplo o sódigo SLAC posteriormente denominado por IGUN). Somente com relação ao efeito de formação do anodo virtual, foi empregado o código numérico PDP1-1 já desenvolvido anteriormente para esta finalidade. Com relação à produção e propagação do feixe de íons, foi possível a identificação do efeito de anodo virtual como responsável pelos reduzidos valores da corrente iônica observados com o PION-I. Para o PION-II foi possível, então, o estabelecimento das condições geométricas e eletrostáticas para o sistema de eletrodos de tal forma a ser produzido um feixe de íons com pequeno ângulo de divergência. No aspecto relativo à produção de plasma, foram estabelecidos os parâmetros operacionais para a câmara de ionização do PION-UU de tal forma a haver a geração de um plasma denso mas com reduzido consumo de potência e de propelente. Tal condição foi conseguida estudando-se diversas configurações de ímãs permanentes até ser encontrada uma que propiciasse um elevado tempo de confinamento dos elétrons primários. Com isso, foi constatado que uma configuração com cúspides em anel correspondia às espectativas. O estudo das propriedades de emissão termiônica por catodos recobertos com uma camada de óxido composto por bário e estrôncio permitiram sugerir a utilização deste dispositivo para a produção dos elétrons primários na câmara de ionização do PION-II. Com relação à produção dos elétrons neutralizadores do feixe iônico, foram estudadas e estabelecidas as características de um catodo ôco. Ambos os catodos foram dimensionados com o compromisso de haver um reduzido consumo de potência e de propelente. Sempre que possível, os prognósticos teóricos foram confrontados com resultados experimentais provenientes tanto do primeiro protótipo de propulsor iônico PION-I, quanto de trabalhos correlatos desenvolvidos em instituições internacionais idôneas.

[pt] Atualmente o motor diesel é a propulsão básica utilizada por navios mercantes. Predominantemente o arranjo mais utilizado é o de um motor de dois tempos turboalimentado diretamente acoplado ao hélice. Estes motores são controlados por um regulador de velocidade onde um valor desejado da rotação é ajustado. O regulador opera acionando as réguas das bombas injetoras, movendo-as conforme a necessidade de manter a rotação desejada mesmo sob torque transiente. Se o rendimento térmico é reduzido, os índices das bombas injetoras terão que operar em valores mais altos, quando comparado ao funcionamento do motor com o rendimento térmico de projeto, e neste caso maior geração de fuligem deverá ocorrer. Em motores de combustão interna, a deposição de fuligem trás consequências à manutenção e eficiência do motor, e por isto os operadores possuem motivos para evitar este tipo de mecanismo. Este trabalho propõe um modelo termodinâmico dotado de sub modelo para regulador de velocidade e para a fluturação do torque, o que permite observar o rendimento térmico nas condições de transiência. Dados adquiridos por um sistema de aquisição de dados fornece as condições de contorno para ajustar o modelo proposto. / [en] The marine diesel engine is today’s predominant prime mover for ships propulsion. For the modern merchant vessels, the arrangement of a single slow speed turbocharged two stroke diesel engine directly coupled is used. The task of control these engines are done by speed governors, where a fixed rotational speed is set. The governor works holding the adjusted value even under transient loads, moving the fuel pump rack when necessary. When vessel operates in harsh weather conditions, the propellers may be subjected to large thrust and torque fluctuations. These fluctuations are generated by the propeller periodic change of submergence condition which leads to ventilation (air suction) and partial or full propeller emergence, at same time the rudder action to keep the route introduce another torque fluctuation. Thus, propulsion turbocharged two strokes engines runs under transient load could run with low fuel/air ratio, once the turbocharger can not be able to cover this transient range with appropriate response time. Some models from literature, like control and thermodynamics models are examined and adjusted with sub models for transient torque simulation. One thermodynamic model dotted of sub models for governor, and transient load is proposed and the thermal efficiency under transient torque observed. Data from monitored vessel’s engine under operation, supplied the boundaries conditions to adjust the proposed model.

A escolha do propulsor é uma etapa-chave no projeto de um navio. Muito do que se espera qualitativamente do desempenho de uma embarcação implica em economia de energia, em condições de operação e habitabilidade adequadas à tripulação, e em baixo custo de manutenção dos elementos estruturais e dos equipamentos. Essas questões estão diretamente relacionadas ao aproveitamento de combustível pelo sistema propulsivo e à propagação de vibração, cabendo ao propulsor um papel significativo para a performance do navio em ambos os aspectos. Por esta razão, a dissertação propõe a avaliação de propulsores navais com respeito à excitação de vibração e à eficiência, quando atuando em esteira não uniforme. A dissertação inicia-se com uma abordagem resumida especificamente sobre os estudos já realizados sobre indução de vibração pelo propulsor focados nas chamadas forças de mancal. Em seguida, revisam-se os assuntos pertinentes ao projeto de propulsor, isto é, definição de sua geometria, de seus coeficientes de operação, e dos métodos teóricos e computacionais utilizados para estudar seu comportamento hidrodinâmico. A metodologia do trabalho fundamenta-se no estudo paramétrico da geometria do hélice, objetivando identificar a influência de cada um dos parâmetros de projeto do propulsor nos dois aspectos destacados no início. As diversas configurações geométricas são submetidas a campos de velocidades advindos de diferentes navios, que representam três grupos de embarcações (navios série 60, porta-containers e navios-tanque), com o intuito de verificar as diferentes tendências de comportamento possíveis. Para a execução computacional, elabora-se uma rotina encarregada de sistematizar o processo de alterações geométricas, encaminhar os numerosos casos à análise hidrodinâmica, realizar o processo de integração casco-hélice e o pós-processamento dos resultados. A análise hidrodinâmica citada é feita através do uso de um software comercial, que, baseado na teoria do escoamento potencial, aplica o método dos painéis para a resolução do escoamento ao redor do propulsor. Os esforços excitados pelo hélice são traduzidos em critérios objetivos, baseados na transmissão de vibração através do eixo, que, associados ao critério de eficiência propulsora e à restrição relativa à ocorrência de cavitação, avaliam os casos e identificam-se o comportamento dos parâmetros de projeto. Obtém-se, como conclusão, uma metodologia de avaliação aplicável em outros casos de propulsores e navios. / The propeller choice is a key-step of the ship design. The high quality of the vessel performance requires energy economy, appropriated operating and environmental conditions for the crew, and low maintenance costs of structural elements and equipment. These questions consider directly fuel consumption by the propulsion system and the transmitted vibration, regarding the propeller an important role in the ships performance about both attributes. For this reason, the evaluation of marine propellers, regarding the induced vibration and the propulsive efficiency under a non-uniform inflow, is proposed. The study begins with a briefly state of the art about the propeller induced vibration focused in bearing forces. Then, a propeller design overview is made about subjects such as geometry definition, operation coefficients, and theoretical and computed methods for studying its hydrodynamic behavior. The methodology is based on a parametric study of the propeller geometry, in order to identify the influence of each of the propeller design parameters in both aspects highlighted in beginning. The several geometric configurations are submitted to the wake fields from different ships, that represent three groups of vessels (60 series, containers and tankers), then different tendencies of behavior can be expected. For computational execution, a routine is in charge of systematizing the process of geometrical parameterization, send the cases to the hydrodynamic analysis, make the hull-propeller integration and post process the data. The hydrodynamic analysis is compelled by a HSVA® software, which applies the panel method in the propeller flow, based on potential flow theory. The propeller induced bearing forces are converted in objective criteria, based on vibration transmission through the shaft, which, combined with the propulsive efficiency criteria and the cavitation restriction, evaluate the propeller geometric configurations. As a conclusion, a propeller evaluation methodology applicable to another kind of propeller series and wake fields is obtained.

O objetivo desta pesquisa foi comparar as alterações cefalométricas de pacientes com má oclusão de Classe II divisão 1, tratados com os aparelhos Jasper Jumper e Twin Force Bite Corrector, associados ao aparelho ortodôntico fixo. A amostra foi composta por 120 telerradiografias em norma lateral de 60 pacientes, os quais foram divididos em 3 grupos: Grupo Experimental 1, constituído por 20 pacientes com idade inicial média de 12,39 anos, tratados por meio do aparelho Jasper Jumper associado ao aparelho fixo, por um período médio de 2,42 anos; Grupo Experimental 2, contendo 20 pacientes com idade inicial média de 11,83 anos, tratados com o aparelho Twin Force associado ao aparelho fixo, com tempo médio de tratamento de 2,59 anos; Grupo Controle, composto por 20 jovens, com idade inicial média de 12,13 anos e observados por um período médio de 2,21 anos. As alterações foram comparadas entre os grupos, por meio da Análise de Variância e do teste de Tukey. Observou-se que ambos os tratamentos apresentaram um efeito restritivo na maxila, houve melhora significante da relação maxilomandibular nos dois protocolos de tratamento avaliados e promoveram rotação horária do plano oclusal. O grupo Jasper Jumper, promoveu uma significante limitação do desenvolvimento vertical dos molares superiores em relação aos outros grupos. Os incisivos inferiores exibiram maior protrusão e uma extrusão dos molares inferiores nos grupos 1 e 2. Ambos os aparelhos melhoraram significantemente a relação maxilomandibular, os trespasses horizontal, vertical e a relação molar. Os protocolos de tratamento promoveram retrusão dos lábios superiores. / The aim of this study was to compare the cephalometric changes in patients with Class II Division 1 malocclusion, treated with the Jasper Jumper and Twin Force Bite Corrector, associated with fixed orthodontic appliances. The sample consisted of 120 lateral cephalometric radiographs of 60 patients, divided into 3 groups: Experimental Group 1 comprised 20 patients with initial mean age of 12.39 years, treated with the Jasper Jumper appliance associated with device fixed for an average period of 2.42 years; Experimental group 2 with 20 patients with initial mean age of 11.83 years, treated with Twin Force unit associated with braces, with an average treatment time of 2.59 years; Control Group, composed of 20 individuals, average initial age of 12.13 years and observed for an average period of 2.21 years. The changes were compared between groups by ANOVA followed by Tukey test. It was observed that both treatments presented a restrictive effect on the maxilla; there was significant improvement in the maxillomandibular relationship in the two treatment protocols groups evaluated and clockwise rotation of the occlusal plane. The Jasper Jumper group, provided a significant limitation of the vertical development of the maxillary molars in relation to other groups. The lower incisors showed greater protrusion and extrusion of mandibular molars in groups 1 and 2. Both appliances provided significant improvement of maxillomandibular relationship, overjet, overbite and molar relationship. Groups 1 and 2 presented retrusion of the upper lip.

O objetivo desta pesquisa foi comparar as alterações cefalométricas de pacientes com má oclusão de Classe II divisão 1, tratados com os aparelhos Jasper Jumper e Twin Force Bite Corrector, associados ao aparelho ortodôntico fixo. A amostra foi composta por 120 telerradiografias em norma lateral de 60 pacientes, os quais foram divididos em 3 grupos: Grupo Experimental 1, constituído por 20 pacientes com idade inicial média de 12,39 anos, tratados por meio do aparelho Jasper Jumper associado ao aparelho fixo, por um período médio de 2,42 anos; Grupo Experimental 2, contendo 20 pacientes com idade inicial média de 11,83 anos, tratados com o aparelho Twin Force associado ao aparelho fixo, com tempo médio de tratamento de 2,59 anos; Grupo Controle, composto por 20 jovens, com idade inicial média de 12,13 anos e observados por um período médio de 2,21 anos. As alterações foram comparadas entre os grupos, por meio da Análise de Variância e do teste de Tukey. Observou-se que ambos os tratamentos apresentaram um efeito restritivo na maxila, houve melhora significante da relação maxilomandibular nos dois protocolos de tratamento avaliados e promoveram rotação horária do plano oclusal. O grupo Jasper Jumper, promoveu uma significante limitação do desenvolvimento vertical dos molares superiores em relação aos outros grupos. Os incisivos inferiores exibiram maior protrusão e uma extrusão dos molares inferiores nos grupos 1 e 2. Ambos os aparelhos melhoraram significantemente a relação maxilomandibular, os trespasses horizontal, vertical e a relação molar. Os protocolos de tratamento promoveram retrusão dos lábios superiores. / The aim of this study was to compare the cephalometric changes in patients with Class II Division 1 malocclusion, treated with the Jasper Jumper and Twin Force Bite Corrector, associated with fixed orthodontic appliances. The sample consisted of 120 lateral cephalometric radiographs of 60 patients, divided into 3 groups: Experimental Group 1 comprised 20 patients with initial mean age of 12.39 years, treated with the Jasper Jumper appliance associated with device fixed for an average period of 2.42 years; Experimental group 2 with 20 patients with initial mean age of 11.83 years, treated with Twin Force unit associated with braces, with an average treatment time of 2.59 years; Control Group, composed of 20 individuals, average initial age of 12.13 years and observed for an average period of 2.21 years. The changes were compared between groups by ANOVA followed by Tukey test. It was observed that both treatments presented a restrictive effect on the maxilla; there was significant improvement in the maxillomandibular relationship in the two treatment protocols groups evaluated and clockwise rotation of the occlusal plane. The Jasper Jumper group, provided a significant limitation of the vertical development of the maxillary molars in relation to other groups. The lower incisors showed greater protrusion and extrusion of mandibular molars in groups 1 and 2. Both appliances provided significant improvement of maxillomandibular relationship, overjet, overbite and molar relationship. Groups 1 and 2 presented retrusion of the upper lip.

Este trabalho científico apresenta o estudo da modelagem matemática de propulsores eletromecânicos das aeronaves tipo multirrotor, uma vez que estes são responsáveis pela estabilidade dessas aeronaves. Esses veículos aéreos de pequeno porte se caracterizam pela ausência física de um controlador. Atualmente, essas naves vêm sendo utilizadas em diversas áreas, para fiscalizar, inspecionar e/ou monitorar através de imagens aéreas e filmagens. Portanto, investiga-se principalmente a estacionariedade das séries temporais da corrente e da velocidade angular do propulsor eletromecânico de forma a obter um modelo matemático não espúrio. Para isso, o estudo visa aprofundar o conhecimento de testes de raiz unitária, os quais são aplicados nos dados coletados das grandezas supracitadas. A metodologia proposta consiste no estudo do sistema de propulsão implementado numa plataforma de testes para a coleta de dados. Posteriormente é realizada a aplicação dos testes de estacionariedade sobre os dados coletados e efetuado o cálculo das funções de autocorrelação e autocorrelação parcial para determinação da estrutura e ordem do modelo. Em seguida é feita a estimação de parâmetros e validação do modelo através da simulação dos dados da plataforma e a análise residual. Após estimados os parâmetros do modelo ARIMAX, foi validado o mesmo pela análise residual e também pelo cálculo do erro, obtendo assim um resultado satisfatório. Com este trabalho auxilia-se a comunidade científica que projeta e desenvolve naves do tipo multirrotor, uma vez que os modelos obtidos dos propulsores eletromecânicos são mais consistentes. / 88 f.

Propulsores de baixo empuxo possuem a proteção térmica da superfície interna da parede provida pela redução da carga térmica dos gases quentes por meio de um filme líquido de combustível injetado, paralelo e junto à parede. A carga térmica transferida para a parede pode ser determinada conhecendo o coeficiente de transferência de calor por convecção na camada limite. Ambos, o perfil de temperatura do filme de combustível e o perfil do coeficiente de transferência de calor, são difíceis de serem quantificados e possuem grandes incertezas na determinação por meio teórico ou experimental. Determinar o comportamento de ambos os perfis térmicos é muito importante para o projeto e para a escolha do melhor material a ser usado na parede do propulsor. Este trabalho apresenta a técnica do problema inverso usada na determinação dos perfis do filme de combustível e do coeficiente de transferência de calor para a parede de um propulsor de 200N de empuxo, onde através de um perfil de temperatura da superfície externa da parede do propulsor como dado de entrada, os perfis térmicos desejados podem ser determinados. Um algoritmo híbrido composto por GEO4 (Otimização Extrema Generalizada), baseado na técnica da evolução natural somado a um EE (Estratégias Evolutivas) que incluem a auto-adaptação como principal característica, será usado como um algoritmo de otimização associado a um programa de simulação térmica. Casos simulados para a condição de regime permanente e transiente serão estudados usando o Inconel 600 e o Nióbio como materiais de parede. Os resultados obtidos mostram que a técnica do problema inverso apresenta-se como uma boa ferramenta para a solução do problema proposto. Além disso, possibilita o estudo das temperaturas da parede em várias condições de transientes térmicos para simular em que condições a temperatura limite da parede é alcançada, contribuindo para a segurança nos projetos de propulsores.

Esse trabalho apresenta o anteprojeto de uma unidade automatica para auxiliar duas importantes fases no atual processo de fabricacao de propulsores para foguetes desenvolvidos no Brasil: uma fase de inspecao e a outra de ativacao do propelente solido em seu estagio final de fabricacao. Na fase de inspecao, busca-se detectar fissura e/ou trincas na superficie do propelente que possamcomprometer o funcionamento do propulsor. A meta da ativacao e retirar da superficie do propelente os excesso de resina e anti-aderente que sao depositados durante o processo de frabricacao,para que este nao prejudiquem a ignicao do propulsor. Na composicao desta unidade automatica, destacaram-se o modulo do robo e o modulo de visao; o do robo por sua configuracao dedicada a aplicacao e o devisao, pelo metodo empregado na comparacao de imagens. A este ultimomodulo e dada maior enfase neste trabalho, pois o funcionamento adequado da unidade automatica depende principalmente do sucesso de operacao desse modulo.

O mecanismo da combustão do hidrogênio foi o primeiro a ser estudado e ainda são realizados estudos visando aumento no número de reações elementares para melhor aproximação de um modelo mais realista, determinação e padronização de parâmetros físico-químicos de cada espécie ou adição de mais etapas no mecanismo reacional. O objetivo do presente trabalho foi estudar de forma sistemática o mecanismo de decomposição térmica do hidrogênio, por meio de simulação computacional. Foram levados em conta todos os parâmetros cinéticos e termodinâmicos para a realização destas simulações. 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 simulação do material. Para melhor estudar o processo de queima, a evolução das reações ao longo do tempo foi detalhadamente analisada, assim como o processo de ignição do sistema; foi também realizada uma simulação bidimensional de combustão do H2 em um combustor padrão, obtendo-se assim perfis de velocidades de escoamento, temperatura, pressão e frações molares internamente à câmara.