EQUIPAMENT TO MEASURE PRESSURE AND TEMPERATURE INSIDE
ROCKET ENGINE PROPELLED BY SOLID PROPELLANT
Michel de Oliveira Guijarro
Prof. Dr. Paulo Celso Greco Junior
Collaborators: Grupo TOPUS de Pesquisas Aeroespaciais
Marcus Casanova Nogueira Jr
University of São Paulo/São Carlos School of Engineering
michelguijarro@usp.brpgreco@sc.usp.br
Resumo
Esse projeto constitui-se em implementar um método de mensuração de temperatura e pressão interna de um motor foguete a propelente sólido e o projeto, construção e validação de uma estrutura de fixação de uma balança de medição de empuxo de motor foguete de pequeno porte.
Palavras Chaves: Medição, Mensuração, Temperatura, Pressão, Motor, Foguete, Propelente Sólido,
Balança de Medição de Empuxo, Estrutura de Fixação.
Abstract
This project consists in an implementation of a method to measure the temperature and pressure inside rocket engines propelled by solid propellant (Kn/SU) and to design, to build and validate a structure to bind that engine in a scale, which measure the thrust.
Key words: Measurement, Temperature, Pressure, Engine, Rocket, Solid Propellant, Thrust, Scale,
Introdução
O propósito dessa pesquisa é o projeto, construção e ensaio de um equipamento capaz de medir a temperatura e pressão interna de motores foguete a propelente sólido de pequeno e médio porte, e também da produção de uma estrutura de fixação desse motor junto à Balança de Medição de Empuxo, dentro de um bunker de testes.
Para a concepção de um motor foguete levam-se em conta vários fatores, como a pressão e a temperatura interna na câmara de combustão, e em especial as de estagnação, na região superior do motor. Essas variáveis são encontradas teoricamente ou numericamente através da análise da queima do propelente, mas há diferenças entre a teoria e a realidade, pois sabemos que nenhuma combustão dentro de um motor é perfeita. Portanto, com valores mais exatos da temperatura e pressão interna de um motor foguete durante e após sua ignição, será possível otimizar o projeto e a concepção do mesmo.
Os primeiros passos após o desenvolvimento de um motor foguete é a análise de seu comportamento em ensaios estáticos. Por questões de segurança, é de grande importância que os testes estáticos sejam realizados em lugares apropriados, como por exemplo, no bunker subterrâneo de testes do Departamento de Engenharia Aeronáutica – EESC/USP, pois em caso de falha, não há riscos aos envolvidos no ensaio. Por esse motivo, o equipamento de mensuração de temperatura e pressão e a estrutura de fixação da balança de medição de empuxo do motor que será montada no bunker, devem enquadrar-se às normas de segurança para minimizar os riscos de acidente.
Espera-se que a construção destes equipamentos e os dados obtidos, estimulem o progresso e o desenvolvimento de pesquisas na importante e promissora área de projeto e desenvolvimento de motores foguetes e seus sistemas envolvidos.
Objetivos
O objetivo dessa pesquisa é a implementação de um equipamento de mensuração de pressão de estagnação e temperatura interna de um motor foguete de pequeno porte, e a produção de uma estrutura de fixação da Balança de Medição de Empuxo deste motor no bunker de teses, para a realização de testes estáticos.
Materiais e Métodos
Estrutura de Fixação da Balança de Medição de Empuxo
Utilizou-se das seguintes hipóteses de cálculos para a definição da geometria da estrutura, a partir da figura 1.
1º - O quadros 1, 2, 3 e 4, 5, 6 são Treliças Estruturais;
2º - As barras 2̅5 e 3̅6 são Barras Gerais (vigas que sustentam a barra 8̅9);
3º - A barra 8̅9 é uma barra geral (as barras 1̅4 e 7̅9 são barras gerais construtivas);
4º - As barras 1̅8, 2̅7, 5̅7, 4̅8, 2̅9, 3̅8, 6̅8,5̅9 são barras simples construtivas (barras de contraventamento); 5º - Condições de Apoio: Pontos 1, 4, 2, 8 e 5 apoiados no solo;
6º - “F” é a força de empuxo gerada através do motor foguete.
Após as análises da resistência dos materiais envolvidos sobre a possível geometria da estrutura, convergiu-se a algumas conclusões importantes, e a partir de tais conclusões estabeleceu-se três possibilidades para a geometria da estrutura de fixação do motor foguete. Das três possibilidades de geometria para a estrutura encontrada optou-se por escolher a estrutura conforme mostrado na figura 2. Com essa geometria a estrutura se torna um pouco mais pesada, porém todos os cálculos de projetos podem ser considerados e as barras em “x” favorecem os cálculos de projeto a favor da segurança e essa estrutura não precisa de barras de contraventamento.
Figura 2 - Possível Estrutura e Dimensões Transdutor de Pressão
Para a medição da pressão interna de um motor foguete movido a propelente sólido deve se usar um transdutor de pressão, com faixa de pressão entre 0 a 100 bar e faixa de temperatura de operação de 20ºC a 100ºC.
Deve-se usar também, um tubo longo (aproximadamente de 500 mm) de aço inoxidável de conexão do transdutor à câmara de combustão, para que o transdutor não se danifique com o calor da câmara de combustão. Tal tubo tem a função de absorver a energia do fluido na forma de calor (gases da combustão do propelente usado) até que a temperatura do fluido esteja na faixa de trabalho do transdutor de pressão.
Termopar
Para a medição da temperatura interna de um motor foguete movido a propelente sólido deve se usar um termopar convencional Tipo S (Platina 90%/Ródio 10%) com tubo capilar em cerâmica e comprimento de 500 mm.
O termopar deve ser fixado no cabeçote da câmara de combustão por meio de uma resina Epóxi de alta temperatura, que posteriormente deve ser dissolvida.
Necessita-se de um termopar convencional e sem proteção porque procura-se por uma resposta rápida, e portanto, a medição deve ser direta. Por esse mesmo motivo deve-se ter um termopar de tal comprimento e com fixação por meio de uma resina Epóxi que posteriormente seja dissolvida, pois por se tratar de uma medição direta, após o primeiro ensaio a junção dos fios de diferentes materiais do termopar irão se fundir, portanto para se fazer novos ensaios deve-se dissolver a resina de fixação do termopar para que o mesmo
tenha seus fios em contato novamente, ou seja, a cada ensaio uma pequena parte do termopar (aproximadamente 5 mm) será consumida.
Resultados
Para a construção da estrutura escolhida, após os cálculos de resistência dos materiais, utilizou-se de três barras de Metalon de 6 metros de comprimento cada, com 50 X 50 milímetros de largura e 1,5 milímetros de espessura. O somatório do comprimento de barras utilizadas para a construção de toda a estrutura foi de 12,8 metros de Metalon. Após cortadas segundo o projeto da figura 3, tais barras foram soldadas conforme a figura 4. A partir de tais dados, o cálculo da massa teórica da estrutura foi de 29,24 Kg.
Figura 3 – Projeto da Estrutura (Software Solid Edge) Figura 4 – Acoplamento do Motor Foguete Após Soldagem da Estrutura
Posicionamento de Montagem dos Sensores
Como pretende-se encontrar a pressão de estagnação e a temperatura interna do motor foguete, a localização ideal dos sensores de pressão e temperatura é no cabeçote da câmara de combustão, ou seja, tanto o transdutor de pressão como o termopar devem ser fixados no cabeçote da câmara de combustão. Utilizou-se o Software de engenharia Solid Edge para o detalhamento de tal posicionamento de montagem dos sensores. Conforme pode ser visualizado nas figuras 5, 6 e 7 abaixo.
Figuras 5, 6 e 7 - Motor Foguete e Sensores de Pressão e Temperatura
Conclusões
Após a realização da calibração da Balança de Medição de Empuxo na Estrutura e o posterior teste estático do motor foguete didático de pequeno porte, concluiu-se que a Estrutura desenvolvida se adéqua as
condições de segurança necessárias e que a estrutura está apta a ser utilizada regularmente dentro do bunker de testes.
Por motivos de não poder se utilizar do motor foguete do Grupo TOPUS no momento de desenvolvimento do processo de medição de temperatura e pressão interna da câmara de combustão e pelo atraso na compra do termopar e sensor de pressão específicos, não foi possível realizar a construção e o posterior teste e validação de tal método de implementação de mensuração de pressão e temperatura de estagnação. Entretanto, com todo o trabalho de pesquisa desenvolvido até o momento, pode-se dar continuidade a essa pesquisa e concluir os itens faltantes sem que haja uma prévia avaliação e busca de dados, pois todo esse trabalho já foi realizado.
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