2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.3. BALÍSTICA INTERNA DOS FOGUETES A PROPELENTES HÍBRIDOS.
O projeto dos Foguetes a Propelente Híbrido (FPH) depende unicamente da natureza da combustão híbrida ou balística interna. Humble et al. (1995) diz que a questão principal que deve ser respondida é como o combustível sólido vaporiza e entra na porta para a combustão e, mais especificamente, quão rápido regressa.
Intuitivamente, pode-se postular que a quantidade de oxidante líquido escoando através da câmara de combustão afeta o empuxo produzido; esse postulado tem base teórica e comprovação experimental. Então, a taxa de queima do combustível sólido, ou taxa de regressão, é também uma função da taxa de escoamento do oxidante.
Na câmara de combustão de um foguete híbrido, um líquido atomizado ou vaporizado escoa na porta de combustão e reage próximo à superfície do combustível sólido. De acordo com Humble et al. (1995), os fatores que controlam a combustão são a taxa de calor transferida para a superfície sólida e o calor de vaporização da fase sólida do combustível. O fluxo mássico de oxidante determina a taxa de calor gerada na zona de combustão e, consequentemente, o calor transferido e o nível de empuxo. O fenômeno da combustão é semelhante a uma chama de difusão turbulenta, com a zona de chama estabelecida dentro da camada limite, como mostra a figura 2.3.
Figura 2.3 - Esquema da zona de combustão de um FPH tradicional, como o HTPB, Humble et al. (1995).
Pode-se convenientemente representar esse processo através de um modelo idealizado com uma linha de descontinuidade separando o fluxo de combustível do fluxo de oxidante. A queima, com taxa infinita, ocorre no encontro dos fluxos (razão estequiométrica), definindo uma linha fina onde surgem os produtos da combustão.
No caso real de combustão com taxa de reação finita, a zona de chama é engrossada com gradientes contínuos tanto na temperatura quanto na composição. O oxidante entra na zona de chama através do núcleo livre do escoamento, por difusão, enquanto o combustível adentra a camada limite após vaporizar na parede sólida. A zona de combustão é estabelecida onde uma razão de mistura aproximadamente estequiométrica é alcançada, conforme Sutton (1992).
Este modelo mostra que a zona de combustão ocorre dentro da camada limite turbulenta e a uma determinada distância da parede sólida. A velocidade axial na chama
( )
Vb é também menor que a velocidade na borda exterior da camada limite( )
Ve .De acordo com Humble et al. (1995) medidas experimentais usando oxigênio gasoso reagindo com Plexiglass têm confirmado esse modelo simplificado, que é usado para desenvolver o tratamento matemático da combustão.
Na equação da taxa de queima, estado padrão, o calor transferido da chama para a superfície do combustível
( )
Qw é exatamente balanceado pela vazão mássica do combustível vaporizado( )
mf multiplicada pelo calor total de volatização( )
hv , matematicamente expresso pela equação (2.1) .w f v
Q =m ⋅h (2.1)
O parâmetro h inclui três termos: v
a) O calor que aquece o sólido até a temperatura de vaporização; b) Energia para a despolimerização;
c) O calor de vaporização;
Em certos polímeros (cross-linked), rachaduras podem ocorrer gerando diretamente fragmentos de gases, tais como H2 e CH2, em um processo de não equilíbrio. Portanto, h é v a quantidade de calor necessária para decompor o combustível sólido em vapores e fragmentos que podem se mover até a zona de chama.
Devido a essa complexidade, a melhor determinação de h é feita através de experimentos v de pirólise em laboratórios. Nesses experimentos pode-se diretamente medir o calor de gaseificação, ou analisar a composição dos gases produzidos, permitindo assim o cálculo de h através do calor de formação. v
Humble et al. (1995) apresentam uma equação para a taxa de regressão do combustível sólido, a partir da equação (2.1), de forma a simular ao proposto em Sutton (1992):
0.2 0.8 0.32 0.03 f G r B x μ ρ ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.2)
A taxa de regressão do grão combustível sólido
( )
r é função do coeficiente de insuflamento - blowing coefficien,( )
B . O coeficiente de insulflamento não é apenas um parâmetro aerodinâmico, mas também um parâmetro termoquímico, e a dependência da posição axial dentro da câmara de combustão( )
x é da mesma ordem que B na equação (2.2). Esta expressão é frequentemente simplificada com o propósito de projeto preliminar englobando os efeitos de x e B , densidade do combustível( )
ρf e viscosidade do gás( )
μ em um único parâmetro, a.Segundo Sutton (1992), o resultado da simplificação da equação (2.2) é, não só conservar a forma funcional, como também ajustar as constantes a e n utilizando dados experimentais obtidos da caracterização de uma combinação específica de oxidante e combustível.
De acordo com Humble et al. (1995) e Sutton (1992), a mais freqüente forma de caracterização da taxa de regressão do combustível sólido para a avaliação em engenharia é representada pela equação (2.3):
n ox
r = ⋅a G (2.3)
As constantes a e n são obtidas diretamente de dados experimentais e G é o fluxo de ox massa de oxidante por unidade de área.
ox ox port m G N A = ⋅ (2.4)
camada limite. Tipicamente o processo de combustão dos foguetes híbridos é limitado pela difusão, fazendo a taxa de queima do combustível primariamente dependente do fluxo de massa.
Na prática, um projeto balístico preciso de um sistema de propulsão híbrida necessita de um completo entendimento da dependência da taxa de regressão em relação ao fluxo de massa e de outros parâmetros operacionais chave, como a pressão e o comprimento do grão. Essa relação funcional é conhecida como “Lei da taxa de regressão” e cada combinação de propelente tem uma única fórmula para a taxa de regressão devido às diferenças das propriedades termofísicas e termoquímicas entre os propelentes.
No entanto, o modelo de queima aplicado aos combustíveis híbridos tradicionais não pode ser totalmente aplicado para a taxa de regressão da parafina. A figura 2.4 ilustra o modelo balístico da queima deste combustível, modelo proposto por Karabeyoglu et al. (2004), em pesquisa da Universidade de Stanford.
Camada Líquida Grão Combustív el G otas Reagindo Chama de Difusão Frente s de Ond a 0 0
u
r
Figura 2.4 - Modelo do processo de queima da parafina.
Segundo esse modelo, gotas do combustível se desprendem do filme líquido formado na superfície do grão e são postas a vaporizar e reagir no escoamento central. Desta forma somam-se os efeitos: da chama de difusão, da formação das gotas e das frentes de onda no filme líquido da superfície do combustível. Isto faz com que a taxa de regressão da parafina seja superior a dos combustíveis híbridos tradicionais. De acordo com Karabeyoglu et al. (2005) o modelo se aplica muito bem no que tange ao entendimento do fenômeno físico e na forma de se estabelecer os parâmetros balísticos.