Thrust Control System for the Hybrid Rocket Motor

2017 - 2020

Na indústria aeroespacial os requisitos específicos de uma dada missão possuem parâmetros rigorosos, uma vez que a maioria das aplicações implica na liberação de grande volume de energia confinada ou de condições ambientais adversas, quando não ambos. Neste contexto, o sistema de controle de empuxo é fundamental para o processo de operação do motor dentro de seu envelope de voo. A modulação de empuxo é uma tecnologia estudada e desenvolvida em sistemas comerciais desde os primórdios do voo espacial e pode ser aplicada, de forma relativamente simples, nos sistemas propulsivos líquidos e híbridos. No passado, o grupo de propulsão hibrida de Universidade de Brasília projetou, construiu e testou um motor de foguete para aplicações variadas, permitindo a modificação de vários componentes, como sistema de alimentação, de forma a possibilitar a introdução de um sistema de controle de empuxo. No presente projeto um sistema de alimentação com mecanismo de controle será implementado de forma a permitir o desenvolvimento da pesquisa em várias  condições de funcionamento do motor, em vários níveis diferentes de empuxo e de forma estável. Este trabalho desenvolverá, de forma geral, o projeto metodológico do sistema de alimentação para aplicação em motores de foguete.

Projeto e fabricação de um sistema propulsivo que atenda os requisitos do sistema de reentrada da plataforma SARA utilizando propelentes híbridos

2013 - 2016

Os sistemas propulsivos baseados em propelentes híbridos, devido as suas vantagens comparativas com sistemas a propelentes sólidos e líquidos vêm se tornando uma importante opção tecnológica para diversas aplicações espaciais. Destacam-se o desempenho equivalente às outras tecnologias químicas, baixo nível de emissão de poluentes, segurança operacional e competitividade em níveis tecnológicos e custos reduzidos. Desta forma, os motores de foguete propelente híbrido tem sido atualmente objeto de estudo em diversos países, inclusive os que já têm maturação tecnológica em motores líquidos e sólidos como Estados Unidos, Rússia e China, por exemplo. No Brasil, o Hybrid Propulsion Team da Universidade de Brasília (HPT-UnB) estuda a tecnologia híbrida desde o início dos anos 2000 tendo projetado e construído com sucesso um foguete de sondagem 1500 N (edital UNIESPAÇO 2004) demonstrando assim, um importante passo para a nacionalização dessa tecnologia e formação de pessoal (graduação, mestrado e doutorado). Outro passo importante para o domínio da tecnologia híbrida foi o trabalho realizado com modulação de empuxo (edital UNIESPAÇO 2007) onde o grupo desenvolveu um motor híbrido em escala de laboratório com empuxo variável. No que concerne a propulsão híbrida, no HPT-UnB, avalia-se que o estatus da tecnologia atingiu grau de maturidade três (TRL=3). O desenvolvimento de um motor capaz de efetuar a indução de reentrada da plataforma SARA (IAE-Brasil) é uma demanda tecnológica relevante para programa espacial brasileiro (PNAE). Teoricamente, o problema foi estudado pelo HPT-UnB, tendo como base um motor foguete a propelentes híbridos. As características preliminares do referido motor, capaz de cumprir a missão, foram obtidas por código de otimimização multidisciplinar e multivariável, via algoritmos genéticos. Em linhas gerais, esta proposta (Fases 1 e 2) objetiva validar o sistema propulsivo (motor de reentrada da plataforma SARA) em ambiente laboratorial, estabelecendo incremento no nível de maturidade tecnológica (avançar para TRL=4). Para tal, o protótipo deverá satisfazer o critério principal da missão, isto é, gerar um determinado nível de impulso que garanta variação de velocidade da plataforma, estimada para realizar manobra de reentrada. Os componentes principais do sistema serão, majoritariamente, do tipo COTS (“commercial off-the-shelf”)

Projeto e desenvolvimento de um míssil supersônico de alta manobrabilidade com motor estato-reator

 2014 - 2019

O trabalho é dedicado ao projeto e desenvolvimento numérico e experimental de um míssil supersônico de alta manobrabilidade com motor estato-reator - ramjet. Hoje, ciência e tecnologia aeroespacial são uma prioridade da indústria brasileira. Neste contexto, é muito importante a pesquisa e concepção de novos dispositivos para voo, em especial mísseis de alta manobrabilidade, tipo ramjet. O míssil supersônico com motor estato-reator (ramjet), motor a jato, é um dispositivo de reação que difere de outras opções por sua eficiência, porque tem o combustível armazenado a bordo, e o outro principal componente para a combustão, o oxidante, é retirado da atmosfera, do ar. O desenvolvimento de um dispositivo como o ramjet tem aplicação direta na defesa do território brasileiro, pois pode percorrer longas distâncias em um curto intervalo de tempo. Contra medidas para o deter são extremamente difíceis pois este dispositivo voa a velocidades supersônicas.

Durante a execução do projeto, espera-se atingir a configuração ideal da balística externa e interna do sistema de modo a determinar a propulsão ótima com relação ao impulso específico e as dimensões do motor. Para a execução do projeto teórico e experimental métodos tradicionais de projeto de ramjets serão usados. Na parte teórica, a atenção será focada no estudo do escoamento externo para determinar a geometria ótima do míssil e as condições na entrada da câmera de combustão como também os processos de fluxo de gás no interior do motor, na escolha do combustível, nos processos de combustão e estabilização da frente de chama, no equilíbrio térmico do motor, e por fim na modelagem numérica dos processos de fluxos de gás no interior do motor. Também, será proposta a execução do projeto de uma bancada de testes experimentais de ramjets, o que irá permitir a realização de testes de motores protótipos no recém-criado campus Gama da Universidade de Brasília. A bancada de teste de motor tipo ramjet também pode ser usada para o processo educativo de alunos e para outros trabalhos científicos.
O tempo de duração de projeto proposto é de dois anos. Durante este período de tempo, as investigações teóricas serão realizadas no prazo de um ano, incluindo o estudo das balísticas externas e internas ao míssil, para a concepção do sistema de propulsão e o projeto da bancada. O restante do tempo será dedicado à produção da bancada e a execução dos experimentos. Também, com base em dados experimentais, será possível alterar os modelos físico-matemáticos, a fim de melhorar a precisão das simulações numéricas e reduzir os custos do projeto do míssil e dos motores estato-reator no futuro. O principal resultado do projeto é a aquisição de conhecimentos em ramjets e o teste de motores protótipos em bancada simulando condições próximas as reais. Espera-se ainda, que haja o aumento da experiência do grupo de trabalho e um amadurecimento da tecnologia.

Projeto, desenvolvimento e teste do sistema de ignição tocha para motor de foguete híbrido

 2015 - 2018

Os sistemas desenvolvidos para ignição de motores de foguete propelente hibrido são usualmente realizados através de cargas pirotécnicas ou sistemas catalíticos. Normalmente, esses sistemas possuem a desvantagem de promover uma única ignição. Neste contexto, o presente trabalho visa desenvolver e testar o conceito alternativo: um sistema de ignição através de uma tocha, utilizando como propelentes Metano (CH4) e Oxigênio (O2) ou Oxido Nitroso (N2O). A arquitetura desse sistema tem como principal vantagem a possibilidade de múltiplas ignições e reutilização do próprio oxidante do motor do sistema propulsivo. Durante a execução do projeto os requisitos do sistema serão analisados e o processo de desenvolvimento do projeto será concebido levando em conta os cálculos do escoamento e o design dos sistemas mecânicos, elétricos e eletrônicos, assim como, a análise térmica.
No passo seguinte, serão realizados os planos de produção e teste, mostrando os requisitos mínimos para o desenvolvimento do projeto, as expectativas, os resultados e os benefícios do sistema tocha de ignição operacional, para pesquisa de motor de foguete propelente hibrido.
A criação do sistema de tocha ignição será a chave tecnológica para operação confiável do motor de foguete. Este trabalho está baseado em analises previas realizadas pelo Grupo de Propulsão Química de Universidade de Brasilia.