UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO DE JOINVILLE CURSO DE ENGENHARIA AEROESPACIAL
MARTIN SCHULTZ
ANÁLISE DA CONFIABILIDADE DO MOTOR-FOGUETE DE PROPELENTE SÓLIDO EXPERIMENTAL DA EQUIPE DE COMPETIÇÃO KOSMOS FOGUETEMODELISMO
Joinville 2020
MARTIN SCHULTZ
ANÁLISE DA CONFIABILIDADE DO MOTOR-FOGUETE DE PROPELENTE SÓLIDO EXPERIMENTAL DA EQUIPE DE COMPETIÇÃO KOSMOS FOGUETEMODELISMO
Trabalho apresentado como requisito para obtenção do título de bacharel no Curso de Graduação em Engenharia Aeroespacial do Centro Tecnológico de Joinville da Universidade Federal de Santa Catarina. Orientador: Dr. Luis Fernando Peres Calil
Joinville 2020
MARTIN SCHULTZ
ANÁLISE DA CONFIABILIDADE DO MOTOR-FOGUETE DE PROPELENTE SÓLIDO EXPERIMENTAL DA EQUIPE DE COMPETIÇÃO KOSMOS FOGUETEMODELISMO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do título de bacharel em Engenharia Aeroespacial, na Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico de Joinville.
Joinville (SC), 04 de dezembro de 2020. Banca Examinadora:
________________________ Dr. Luis Fernando Peres Calil
Presidente
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Dr. Marcos Alves Rabelo
Membro
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Dr. Maurício de Campos Porath
Membro
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por me abençoar por todo esse caminho da graduação. À minha família por todo amor, educação e valores que construíram meu caráter, pelo apoio e incentivo que me deram e me acompanharam até aqui. À minha noiva pelo amor, apoio, companheirismo e compreensão durante o desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus professores, que sempre me provocaram a construir meu conhecimento. Ao meu orientador, prof. Dr. Eng. Luis Fernando Peres Calil, pelos incentivos, ensinamentos, correções e orientações sobre este trabalho. Aos colegas e amigos os quais dividimos vários momentos desse ciclo juntos, compartilhando experiências e vivências, que me ajudaram, me apoiaram e que eu tenho a felicidade de tê-los ao lado.
À equipe Kosmos Foguetemodelismo pela oportunidade de ter sido membro e dar todo o suporte e incentivo a esse trabalho. E a todos os membros do time de especialistas que se dispuseram a me auxiliar nesse trabalho.
RESUMO
Por seu projeto complexo e operação em condições extremas, o motor-foguete é um dos itens mais avaliados em competições educacionais e que mais carece de atenção por parte das equipes. Visando analisar a confiabilidade do motor-foguete de propelente sólido experimental de alta potência, da equipe de competição Kosmos Foguetemodelismo, Centro Tecnológico de Joinville (CTJ) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), o presente trabalho buscou elencar os modos de falha, componentes críticos e levantar recomendações mitigatórias para estes componentes. Isto foi realizado, por meio da Análise de Modo de Falha e Efeito (FMEA). Foram identificados treze modos de falha, treze cadeias causais com avaliação inaceitável, dezessete com avaliação indesejável, dezessete com aceitável com revisão e cinco com avaliação aceitável. Sendo os componentes críticos prioritários o grão, os parafusos da tampa dianteira e os parafusos da tubeira.
ABSTRACT
Due to its complex design and operation in extreme conditions, the rocket motor is one of the most rated items in educational competitions and that most needs attention from the teams. Aiming to analyze the reliability of the high-powered experimental solid rocket motor, from the competition team Kosmos Foguetemodelismo at the Joinville’s Technological Center of the Federal University of Santa Catarina, the present work sought to list the failure modes, critical components and raise mitigation recommendations for these components. This was accomplished through the Failure Mode and Effect Analysis (FMEA). Thirteen failure modes were identified, thirteen causal chains with unacceptable evaluation, seventeen with undesirable evaluation, seventeen with acceptable with review and five with acceptable evaluation. The critical components being the grain, the bulkhead screws and the nozzle screws.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Exemplo de funcionamento de motores-foguete... 12
Figura 2 – Exemplo de MFPS ... 13
Figura 3 – Meia-vista do MFPS do projeto Hagemayer 8 (dimensões em milímetros) ... 14
Figura 4 – Esquemático do Reservatório ... 15
Figura 5 – Reservatório (escala em centímetros) ... 15
Figura 6 – Esquemático da tampa dianteira (dimensões em milímetros) ... 15
Figura 7 – Vista em perspectiva (7a) e vista superior (7b) da tampa dianteira (escala em centímetros) ... 16
Figura 8 – Esquemático da tubeira (dimensões em milímetros) ... 17
Figura 9 – Vista frontal (9a) e vista em perspectiva (9b) da tubeira (escala em centímetros) . 18 Figura 10 – Exemplo de tipos de configuração e suas curvas de empuxo ... 19
Figura 11 – Vistas superior e frontal (11a) e vista em perspectiva (11b) dos grãos (escala em centímetros) ... 20
Figura 12 – Proteção térmica no interior do envelope-motor ... 21
Figura 13 – Dois pares de O-rings e Parback© (escala em centímetros) ... 22
Figura 14 – Doze parafusos DIN ISO 7380-1 ... 23
Figura 15 – Exemplo de desdobramento funcional com funções ... 27
Figura 16 – Diferenças entre abordagens de FMEA ... 28
Figura 17 – Matriz de Avaliação de Risco ... 30
Figura 18 – Matrizes de Avaliação de Risco ... 31
Figura 19 – Escalas dos índices de S, O e D ... 32
Figura 20 – Trecho retirado da folha de FMEA da cadeia causal da queima em região inibida ... 37
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Exemplo de análise funcional ... 26
Quadro 2 – Exemplo de folha de FMEA ... 33
Quadro 3 – Análise de funcional ... 34
Quadro 4 – Desdobramento funcional do MFPS em componentes... 35
Quadro 5 – Exemplo de análise funcional de componente ... 36
Quadro 6 – Lista dos modos de falha ... 37
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas CTJ – Centro Tecnológico de Joinville
D – Índice de Criticidade: Dificuldade de detecção DIN – Instituto Alemão para Normatização
FAA – Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos da América FMEA – Análise de Modo de Falha e Efeito
ICAO – Organização Internacional de Aviação Civil ISO – Organização Internacional de Normalização ITA – Instituto Tecnológico da Aeronáutica MFPS – Motor-Foguete de Propulsão Sólida
MIL-STD – Padrões Militares dos Estados Unidos da América
NASA – Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos da América NBR – Norma Técnica Brasileira
NPR – Número de Prioridade de Risco O – Índice de Criticidade: Ocorrência S – Índice de Criticidade: Severidade
SAE – Sociedade de Engenheiros Automotivos SRB – Motor-foguete auxiliar de propelente sólido UDESC – Universidade Estadual de Santa Catarina UERJ – Universidade Estadual do Rio de Janeiro UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina UNITAU – Universidade de Taubaté
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 10
1.1 OBJETIVOS ... 11
2. MOTOR-FOGUETE DE PROPELENTE SÓLIDO EXPERIMENTAL ... 12
2.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ... 12 2.2 MFPS DA EQUIPE KOSMOS ... 13 2.2.1. Envelope motor ... 14 2.2.2. Tubeira ... 16 2.2.3. Grão ... 19 2.2.4. Proteções e vedações ... 21 2.2.5. Fixadores ... 23
3. ANÁLISE DE MODO DE FALHA E EFEITO ... 24
3.1 DEFINIÇÃO DA EQUIPE ... 25
3.2 ANÁLISE FUNCIONAL ... 26
3.3 IDENTIFICAÇÃO DOS MODOS DE FALHA E RESPECTIVOS EFEITOS ... 28
3.4 IDENTIFICAÇÃO DAS CAUSAS E CONTROLES ATUAIS ... 29
3.5 AVALIAÇÃO DA CRITICIDADE ... 29
3.6 LEVANTAMENTO DAS AÇÕES MITIGATÓRIAS ... 32
3.7 RESULTADO DA FMEA ... 33
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 34
4.1 ANÁLISE FUNCIONAL ... 34
4.2 FOLHA DE FMEA ... 36
4.3 LEVANTAMENTO DOS COMPONENTES CRÍTICOS E RECOMENDAÇÕES ... 38
5. CONCLUSÕES ... 42
REFERÊNCIAS ... 44
APÊDICE A – FOLHA DE FMEA ... 46
ANEXO A – PROJETO DO MFPS DA EQUIPE KOSMOS FOGUETEMODELISMO ... 63
1. INTRODUÇÃO
As competições educacionais são ferramentas impulsionadoras de desenvolvimento, conhecimentos, tecnologias, conceitos, criatividade e trabalho em equipe. Possuem várias abordagens, desde mais conceituais (olimpíadas de matemática, física), até mais tecnológicas, por exemplo, as competições SAE (Sociedade de Engenheiros Automotivos), que engloba Baja, Fórmula, AeroDesign e outros. Dentre as competições de âmbito tecnológico, existem ainda as competições de foguetes.
A equipe Kosmos Foguetemodelismo, uma equipe de competição da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Centro Tecnológico de Joinville (CTJ), foi criada em dezembro de 2013 com objetivo de participar de competições de foguetes educacionais experimentais no Brasil, aplicando os conhecimentos obtidos durante o curso de engenharia aeroespacial, em seus projetos. Com objetivo de competir na categoria de apogeu de 1 (um) quilômetro (km), no ano de 2017 a equipe desenvolveu o projeto Hagemayer 8. Esse projeto foi o primeiro de alta potência produzido pela equipe, envolvendo o desenvolvimento de vários sistemas, desde o código de medição de altitude a uma bancada de teste estático e dentre esses, o motor-foguete.
O motor-foguete é um subsistema do foguete cuja função é gerar propulsão. Segundo Sutton e Biblarz (2017), a propulsão deve gerar força a um corpo em repouso, ou mudar sua velocidade. Este o faz, ejetando gases em alta velocidade (jato) e, pela 3ª lei de Newton, os gases empurram o foguete no sentido oposto. Em um motor-foguete de propulsão sólida (MFPS), os gases são gerados pela combustão do propelente e expelidos em alta velocidade devido à pressão interna gerada pelo confinamento dos gases e o estrangulamento no bocal, que é projetado de forma a converter essa pressão em velocidade, acelerando o escoamento do regime subsônico para supersônico.
Visto que o motor é um subsistema crítico para o sucesso da missão a ser executada, este deve ser projetado para que seja o mais confiável possível, pois uma falha mínima pode escalar para proporções catastróficas. Portanto, realizar o estudo da confiabilidade deste sistema se torna necessário. Isso pôde ser observado nas alterações de projeto que foram aplicadas no motor-foguete auxiliar de propelente sólido (SRB, sigla em inglês), após o acidente com o Ônibus Espacial Challenger da agência espacial estadunidense (NASA), em 1986, onde foi implementada uma análise de confiabilidade gerando tais alterações (JENAB; MOSLEHPOUR, 2016).
A NBR 5462 (ABNT, 1994), define confiabilidade como a capacidade de um sistema desempenhar uma determinada função, de forma adequada, durante um período, sob determinadas condições. Com o intuito de se analisar tal confiabilidade, dentre as técnicas disponíveis, optou-se por adotar a Análise de Modo e Efeito de Falha (FMEA), juntamente com análise funcional.
1.1 OBJETIVOS
O objetivo geral deste trabalho é analisar a confiabilidade do motor-foguete de propulsão sólida da equipe de competição Kosmos Foguetemodelismo por meio de análise funcional e FMEA, com a finalidade de identificar componentes críticos do motor-foguete da equipe e definir estratégias de melhoria da confiabilidade do sistema.
Para tanto, identifica-se os seguintes objetivos específicos:
▪ Descrever as funções do MFPS;
▪ Examinar os modos de falha do MFPS; ▪ Aplicar FMEA neste sistema;
▪ Identificar os componentes críticos;
2. MOTOR-FOGUETE DE PROPELENTE SÓLIDO EXPERIMENTAL
Motores-foguete de equipes de competição, também conhecidos como foguetes experimentais, possuem similaridades com motores industriais no que tange a complexidade de projeto e processos de fabricação envolvido. Entretanto uma das diferenças está no propelente. Devido à legislação, segurança operacional por parte das pessoas envolvidas e a severidade em acidentes e incidentes, certos compostos utilizados na indústria de motores-foguete possuem restrições de compra e uso.
Conhecida como candy rockets (foguetes de açúcar, tradução livre), essa categoria de motores como o da equipe Kosmos, usam compostos mais facilmente obtidos e menos perigosos. Em geral, utiliza-se nitrato de potássio e algum tipo de açúcar, como sacarose, dextrose, sorbitol, dentre outros, para compor o propelente, como explica Nakka (2018).
2.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Segundo Sutton e Biblarz (2017), sistemas de propulsão de foguetes são uma das propulsões à jato, que produz empuxo ejetando matéria (propelente) encontrado dentro do veículo, por meio da combustão química. Conforme Palmerio (2017), empuxo é a força desenvolvida pela queima do propelente nos motores do foguete.
Essa força é produzida convertendo energia química do propelente em energia cinética, aos gases gerados pela combustão, fazendo com que haja diferença de pressão entre a câmara de combustão (𝑝1) e o meio externo (𝑝3), empurrando os gases internos para a saída da tubeira,
ou seja, inicia um escoamento (𝑣1, 𝑣𝑡 e 𝑣2) pela tubeira. Essa, por sua vez, acelera o escoamento pela variação das áreas (𝐴1, 𝐴𝑡 e 𝐴2), como pode ser visto na Figura 1.
Figura 1 – Exemplo de funcionamento de motores-foguete
Os tamanhos das setas indicam a intensidade dos vetores: a pressão, nas paredes do motor, e as velocidades, na linha central. Como se pode observar, a pressão nas paredes internas da câmara de combustão é alta em relação à pressão externa, e vai diminuindo conforme se avança até a saída da tubeira, tendendo a se igualarem. Com a velocidade ocorre o inverso, esta aumenta conforme avança para a saída da tubeira.
De modo geral e simples, um MFPS é um dos tipos de motor-foguete de propelente químico e sua configuração é dada por uma câmara de combustão, chamada de envelope motor, pelo propelente em estado sólido, chamado de grão, e pela tubeira, Figura 2.
Figura 2 – Exemplo de MFPS
Fonte: Adaptado de McCormack et al. (1959, p.13, tradução nossa)
Desconsiderando alguns projetos que possuem movimentação em bocais, MFPS’s de equipes de competição, de modo geral, não possuem partes móveis, logo, todos os componentes são fixos.
2.2 MFPS DA EQUIPE KOSMOS
Com o intuito didático, na Seção 2.1 foi apresentado um conceito de MFPS idealizado e simplificado. Entretanto, devido a limitações de recursos, de materiais, de processos de fabricação e segurança operacional, os projetos de MFPS de uma equipe de competição de foguetemodelismo, são mais complexos, como mostra a Figura 3.
Figura 3 – Meia-vista do MFPS do projeto Hagemayer 8 (dimensões em milímetros)
Fonte: Adaptado de projeto do foguete Hagemayer 8, cortesia da equipe Kosmos
Como pode ser visto, este motor possui alguns elementos a mais como, proteção térmica, vedações, fixadores, e ao longo deste capítulo será abordado com mais detalhe cada elemento do MFPS da equipe Kosmos.
2.2.1. Envelope motor
Como definido por Palmerio (2017), o envelope motor se distingue pela forma cilíndrica e alongada em um foguete e desempenha alguns papéis como, câmara de combustão, reservatório do propelente, viga estrutural e possui tampas, dianteira e traseira. É um elemento que deve suportar as pressões e temperaturas elevadas da operação do motor.
No objeto de estudo, o envelope motor é constituído por dois elementos: reservatório (Figuras 4 e 5) e a tampa dianteira (Figuras 6, 7 e 8), desse modo há um acesso facilitado, tanto para inserção, quanto para remoção dos elementos internos. Os demais elementos do motor-foguete estão contidos no reservatório e a tampa traseira é um elemento único com a tubeira, que será descrito na Subseção 2.2.2.
Figura 4 – Esquemático do Reservatório
Fonte: Cortesia da equipe Kosmos do projeto do foguete Hagemayer 8
Figura 5 – Reservatório (escala em centímetros)
Fonte: Autor (2020)
Esse envelope motor é um cilindro soldado de aço AISI 1020, com 283 mm de comprimento, 40,76mm de diâmetro interno, 44,26mm de diâmetro externo e com seis furos passantes em cada extremidade.
Completando o envelope motor, tem-se a tampa dianteira (Figuras 6, 7a e 7b), que é fixada ao reservatório. Essa, obstrui uma das extremidades do reservatório, impedindo que os gases da combustão saiam na parte dianteira do motor e também, suporta a pressão de operação.
Figura 6 – Esquemático da tampa dianteira (dimensões em milímetros)
Figura 7 – Vista em perspectiva (7a) e vista superior (7b) da tampa dianteira (escala em centímetros)
a)
b)
Fonte: Autor (2020)
Por ser um elemento removível e para garantir a vedação da junção, utilizam-se anéis de vedação, O-rings, que serão descritos mais à frente, e são alocados nas fendas da tampa. Essa é uma peça de aço AISI 1045, com seis furos passantes com rosca.
2.2.2. Tubeira
Palmerio (2017) afirma que a tubeira é essencial para que o escoamento dos gases da combustão seja eficiente. Este elemento é responsável pela aceleração dos gases, para isso “[...]
a tubeira tem em seu interior uma região convergente, que inicia o processo de aceleração, a região divergente, na qual os gases são expandidos e a velocidade continua aumentando até o escape pela seção de saída.” (PALMERIO, 2017, p. 73).
A tubeira é constituída por três seções, a região convergente, responsável por acelerar o escoamento à velocidade sônica, a garganta, onde ocorre a onda de choque (um fenômeno que ocorre devido à compressibilidade do escoamento) e a região divergente, que acelera o escoamento, já sônico, a velocidades supersônicas. Isso, se a câmara de combustão estiver na pressão de operação. Uma exemplificação do funcionamento do conjunto câmara de combustão e tubeira pode ser vista na Figura 1.
Por suas características e pela relação com a condição do escoamento, a tubeira é um elemento complexo, podendo ter sua geometria em várias configurações. Segundo Sutton e Biblarz (2017), uma das configurações possíveis é a cônica, escolhido para este projeto. Essa configuração se dá por dois troncos de cone, concêntricos, de raios e alturas diferentes, unidos pela ponta, que forma a garganta, como mostram as Figuras 8, 9a e 9b.
Figura 8 – Esquemático da tubeira (dimensões em milímetros)
Figura 9 – Vista frontal (9a) e vista em perspectiva (9b) da tubeira (escala em centímetros) a)
b)
Fonte: Autor (2020)
Como dito anteriormente, neste projeto, esse elemento também funciona como tampa traseira, por isso é também um elemento removível. Pode-se observar a fenda para inserção dos anéis de vedação e os furos rosqueados não-passantes e assim como a tampa dianteira, este elemento também é de aço AISI 1045.
2.2.3. Grão
Lyon (1986) explica que, o grão é o corpo sólido do propelente e, uma vez iniciado, queima em todas as superfícies expostas. O propelente é uma mistura dos reagentes químicos, combustível e oxidante, em sua devida Razão O/F (proporção de quantidades de Oxidante e Combustível), cuja queima gera os gases do escoamento.
Segundo Hill e Peterson (1992), os grãos podem possuir diversas configurações geométricas como buracos, ranhuras, frestas, segmentos, perfurações, que determinam a vazão mássica e o empuxo, esse último podendo ser regressivo, neutro ou progressiva. Alguns exemplos dessas relações de grão-empuxo podem ser vistos na Figura 10.
Figura 10 – Exemplo de tipos de configuração e suas curvas de empuxo
Fonte: Hill & Peterson (1992, p. 600, tradução nossa)
Sutton e Biblarz (2017) caracterizam dois métodos para inserir um grão em um envelope motor, um com grão ligado ao envelope, em que o processo de moldagem e endurecimento ocorre dentro do envelope motor, e outro com grão independente, moldagem e endurecimento feitos fora do envelope motor.
Devido às missões de curto alcance e o alto custo envolvido no projeto, este motor foi projetado e fabricado para ser recuperado, recondicionado e reutilizado, quando possível. Portanto, o processo de fabricação dos grãos ocorre fora do envelope motor.
O tipo de grão utilizado neste projeto foi o grão conhecido como Bates. Nakka (2018) explica que, um grão Bates é diferenciado por ser segmentado (Figura 3), conter inibidores (descritos na Subseção 2.2.4) e que a queima não ocorre somente no centro, mas também nas extremidades dos grãos, Figuras 11a e 11b.
Figura 11 – Vistas superior e frontal (11a) e vista em perspectiva (11b) dos grãos (escala em centímetros)
a)
b)
Fonte: Autor (2020)
Sutton e Biblarz (2017) classificam propelentes como composite convencional e modificados, podendo ser propelentes de alta e baixa energia. Entretanto, como informado anteriormente, os candy rockets possuem composições diferentes, como Nitrato de Potássio e Dextrose (KNDX), Nitrato de Potássio e Sacarose (KNSU). Este grão é composto por Nitrato de Potássio de Sorbitol (KNSB), na razão O/F de 65/35, diâmetro externo de 35,5 mm, diâmetro
interno de 18 mm e comprimento de 55 mm. Todos os grãos já possuem inibição, que será descrita na Subseção 2.2.4.
O projeto da equipe prevê que todos os grãos serão consumidos em sua totalidade, na taxa prevista para gerar o empuxo necessário para se cumprir a missão. Portanto, não há redundâncias desses elementos. Isso se dá pelo fato de a competição pontuar pela precisão no apogeu e em um cenário de foguetes experimentais a colocação de redundâncias desse elemento pode gerar pesos, custos e riscos adicionais.
2.2.4. Proteções e vedações
Turner (2005) explica que os gases quentes da combustão, não podem estar em contato com a parede do envelope motor por um período longo, esse então, deve possuir alguma proteção térmica ou isolantes, seja por tipos de borrachas, material compósito, mantas de cerâmica, entre outras. A proteção térmica neste projeto é feita por um invólucro de compósito laminado, de matriz de fibra de vidro reforçada com resina epóxi, indicada pela seta amarela na Figura 12. Esta se localiza entre o envelope motor e os grãos.
Figura 12 – Proteção térmica no interior do envelope-motor
Fonte: Cortesia da equipe Kosmos Foguetemodelismo do projeto Hagemayer 8
Ainda sobre o método grão independente, há de se atentar que pelo grão não ser mais colado ao envelope motor, a superfície lateral do grão ficaria exposta, o que não é desejado,
visto que aumentaria a taxa de queima, podendo gerar grandes problemas. Por isso essa região deve ser protegida com inibidor de queima.
Inibidores são empregados nas superfícies do grão que não devem queimar, explica Sutton e Biblarz (2017). No projeto do MFPS da Kosmos, a inibição é feita na superfície externa do grão, com papel sulfite enrolado e uma camada de silicato de sódio na parede interna do papel. A inibição pode ser observada nas Figuras 11a e 11b, sendo a parte mais fosca que envolve externamente os grãos. Durante o processo de moldagem do grão, a inibição é colocada no molde, para então haver a derrama do propelente.
Como dito na seção 2.2.1, o ajuste que existe entre as tampas e o reservatório não é ideal, e para impedir a perda de pressão por vazamentos nessas interfaces, há a necessidade de inclusão de vedações, no caso a utilização de O-rings, Figura 13. Segundo o manual da Parker (2007), O-rings, são elementos em formato toroidal, usados principalmente para vedações, prevenindo perda de fluido entre duas superfícies. Para se evitar o desgaste do O-ring durante a operação de inserção e remoção das partes móveis, Parker (2007) recomenda o uso de Parback©. Neste projeto são usados um par de O-ring e Parback© na tampa dianteira e na tubeira.
Figura 13 – Dois pares de O-rings e Parback© (escala em centímetros)
Os O-rings são inseridos nas fendas da tampa dianteira e da tubeira, com o auxílio de uma ferramenta. A ordem de colocação segue a orientação de dentro para fora do envelope-motor, sendo primeiramente o O-ring e depois o seu Parback©.
2.2.5. Fixadores
Os fixadores são os elementos responsáveis por manter toda a estrutura do motor concisa e estática. Em um MFPS fixam a tampa dianteira e a tubeira ao reservatório, e o envelope motor à estrutura externa do foguete e por isso, também cumpre o papel de transferir o empuxo produzido pelo motor para o restante do foguete.
Existem várias configurações para a fixação desses elementos: flanges, roscas, travas. Neste projeto, foram adotados parafusos como elemento fixador. O parafuso escolhido foi DIN EN ISO 7380-1 (M6 de cabeça abaulada), Figura 14. Um fator importante de projeto adotado pela equipe é o coeficiente de segurança dos parafusos da tubeira ser menor do que os da tampa dianteira. Isso se deve à adoção do princípio de falha programada. Em caso de aumento de pressão interna que se torne potencialmente perigoso para a missão, os parafusos da tubeira são rompidos, fazendo com que a tubeira seja ejetada, minimizando os danos aos demais subsistemas do foguete e do próprio motor.
Figura 14 – Doze parafusos DIN ISO 7380-1
Fonte: Autor (2020)
Pode-se notar uma diferença entre os parafusos superiores e inferiores, essa diferenciação existe para que na hora da montagem, o responsável na operação, tenha um auxílio visual de quais parafusos são para a tubeira (cabeça prateada) e os que são para a tampa dianteira (cabeça escura). A ocorrência de parafusos mais curtos para a tampa dianteira não afeta a segurança da operação, pois estes preenchem todo o furo.
3. ANÁLISE DE MODO DE FALHA E EFEITO
A NBR 5462 (ABNT, 1994), define confiabilidade como a capacidade de um sistema desempenhar uma determinada função, de forma adequada, durante um período, sob determinadas condições. Ao longo da história foram criadas diversas técnicas e métodos, sejam qualitativos ou quantitativos, para se mensurar essa capacidade, assim como para propor ações de melhorias a essa capacidade.
Com o objetivo de analisar a capacidade do MFPS da equipe Kosmos de desempenhar sua função, o presente trabalho se propõe a identificar componentes críticos deste sistema e propor melhorias. Em um extenso levantamento feito sobre técnicas de confiabilidade, Everdij e Blom (2016) mostram que dentre estas, FMEA é usada para identificação de itens críticos e aplicada nos setores aeronáuticos, espacial, de defesa, manufatura, entre outros. Por essas características, adotou-se a FMEA para a análise de confiabilidade.
SAE J1739 (2002) descreve FMEA como um processo sistemático de reconhecer e analisar potenciais falhas de um determinado sistema e seus efeitos, identificar ações mitigatórias dessas potenciais falhas e documentar o processo. Carlson (2012), informa que, esse processo deve ser feito por um time multidisciplinar de especialistas, que irão analisar o sistema por completo.
Dias et al. (2011) salienta que muitos autores apresentam formas diferentes de se aplicar FMEA, entretanto, de modo geral, recomenda-se a seguinte estratégia:
▪ Definição do sistema a ser analisado; ▪ Definição da equipe;
▪ Análise funcional e identificação das funções do sistema; ▪ Identificação dos modos de falha e respectivos efeitos; ▪ Identificação das causas e controles atuais;
▪ Avaliação da criticidade1;
▪ Levantamento das ações mitigatórias;
Por se tratar de uma implementação de uma metodologia complexa, multidisciplinar, que necessita de muitas informações, o processo traz suas dificuldades. Falta de dados, falta de tempo de lidar com o inesperado e repetição de velhas informações são algumas dificuldades 1 A aplicação de fatores de criticidade em FMEA é também conhecida como FMECA, e tratada de forma distinta por alguns autores. Neste trabalho, entretanto, não haverá tal distinção.
do processo, como aponta Antonietti (2002). Portanto, cada etapa dessa análise deve ser feita com clareza.
3.1 DEFINIÇÃO DA EQUIPE
Tendo em vista que o sistema a ser analisado já foi definido, pode-se prosseguir e iniciar a definição da equipe de especialistas. McDermott, Mikulak e Beauregard (2009), explicam que o propósito de um time é trazer diferentes perspectivas e experiências ao projeto e que, de preferência, tenham diferentes graus de familiaridade com o assunto, podendo trazer diferentes ideias para o processo de FMEA.
O tamanho de um time pode variar de acordo com o sistema em análise. Alguns autores informam quantidades diferentes, todavia, de modo geral, observa-se a quantidade não menor que quatro e não maior que nove, tendo alguns uma participação mais pontual e outros, mais frequente. Para este trabalho, optou-se por seis membros: um especialista em motores-foguete industriais, engenheiro aeroespacial pela UFSC, mestre em tecnologias e ciências espaciais pelo Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA), que no período deste trabalho atuava em uma empresa de propulsores de satélite em Portugal; um especialista em motores-foguete experimentais, engenheiro mecânico pela Universidade Estadual do Rio de Janeiro (UERJ), mestrando em engenharia de tecnologias espaciais na área de combustão e propulsão pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), que obteve premiação em competições de foguetes experimentais à nível nacional e internacional; o projetista do motor, graduando em engenharia aeroespacial pela UFSC, responsável pelo setor de propulsão da equipe no período do projeto Hagemayer 8 da Kosmos; um especialista em manufatura, engenheiro de produção pela Universidade Estadual de Santa Catarina (UDESC), mestrando em engenharia e ciências de materiais pela UFSC e técnico do laboratório de usinagem do CTJ; uma especialista em materiais, professora da UFSC, graduada em física pela UFSC, mestra em engenharia de materiais pela UFSC, doutora em física dos plasmas pelo ITA, com pós-doutorado em engenharia aeroespacial pela Universidade de Taubaté (UNITAU); um membro de uma outra equipe de competição, parceira à equipe Kosmos, do setor de propulsão, graduando em engenharia mecânica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).
Daydem Press (2003), McDermott et al. (2009), Carlson (2012) ressaltam que o responsável pelo processo deve preparar as reuniões, garantir que o time possua os recursos disponíveis, garantir que o time esteja progredindo para conclusão da FMEA, não deve dominar
o grupo e normalmente não possui a última palavra. O responsável está mais como um facilitador do que como um tomador de decisão.
Devido à pandemia do coronavírus SARS-COV-2 (COVID-19) acarretada durante o período da produção desse trabalho, todas as reuniões foram feitas de forma não-presencial em videoconferência. O processo se iniciou com a confirmação de todos os especialistas via e-mail, então foi produzido um vídeo de sensibilização, explicando o processo da análise de FMEA e aspectos gerais do motor-foguete da equipe Kosmos, que foi enviado a todos os especialistas via e-mail.
Foi criada também, uma pasta virtual compartilhada com os membros do time, com todas as informações necessárias sobre a FMEA em desenvolvimento, nomenclaturas importantes, a análise funcional previamente produzida e informações sobre o projeto do MFPS juntamente com alguns desenhos técnicos.
As reuniões foram feitas individualmente com cada especialista, sendo essas gravadas e disponibilizadas apenas para o membro. Para a finalização foi feita uma reunião, com a participação da maior quantidade possível de especialistas, para uma reavaliação e checagem dos itens da FMEA.
3.2 ANÁLISE FUNCIONAL
Em um processo de FMEA, as funções são normalmente estabelecidas em termos de “Faça ‘isso’ (operação), ‘naquilo’(item), com ‘isto’ (ferramenta)”, incluindo informações sobre performance e requisitos, informa Carlson (2012). Quanto mais precisa for a descrição da função, mais fácil será de identificar os modos de falha e as ações mitigatórias.
A norma SAE JA1011 (SAE, 1999), traz uma definição onde a função será descrita de acordo com o contexto operacional, com sua identificação (primária, secundária etc.) e conterá um verbo, um objeto e um padrão de desempenho. Essa definição será utilizada com o intuito de detalhar a função. Um exemplo dessa análise pode ser visto no Quadro 1.
Quadro 1 – Exemplo de análise funcional Componente Função Critérios de
desempenho Condições de uso Eixo Transmitir torque Transmitir 200 N de torque a 100 rpm
Exposto à atmosfera, com variação de temperatura e umidade
Quanto mais precisa for a descrição da função, melhor será a compreensão do sistema e mais fácil será a identificação dos modos de falha, tal qual seus efeitos, causas e controles. Carlson (2012) orienta que se deve atentar ao processo de listagem das funções e evitar listar funções com pequenas diferenças, pois isso traz complexidade sem adicionar conteúdo à análise.
Para auxiliar esse processo, Dias et al. (2011) sugere abordar a sistemática de estrutura de funções. Essa possibilita observar a relação existente entre as funções, componentes, subsistemas e ambiente. Uma das maneiras para se obter esta estrutura é utilizando a técnica de desdobramento da função global, ou desdobramento funcional, Figura 15.
Figura 15 – Exemplo de desdobramento funcional com funções
Fonte: Dias et al. (2011, p. 110)
O desdobramento funcional é uma decomposição, a partir do sistema principal, em subsistemas e/ou componentes elementares. Para tal, faz-se uma descrição geral do sistema, onde se verifica o escopo de análise, o ambiente as interações com outros subsistemas e então a identificação e descrição desses subsistemas, componentes e as respectivas funções.
3.3 IDENTIFICAÇÃO DOS MODOS DE FALHA E RESPECTIVOS EFEITOS
SAE J1739 (SAE, 2002) define que modo de falha é a maneira na qual um item falha em atender ou entregar a função pretendida e seus requisitos. É importante destacar que uma falha de um sistema de nível inferior, pode ser um modo de falha de um sistema de nível superior e que podem existir mais de um modo de falha para cada função.
A identificação dos modos de falha, também estão relacionados com a abordagem de FMEA adotado. Dias et al. (2011) informam que existem duas abordagens em FMEA: a funcional e a estrutural. A abordagem funcional está focada nas funções do sistema, portanto, os modos de falha podem ser simplesmente a não função do componente. Por outro lado, a abordagem estrutural está associada a aspectos específicos do componente, como resistência mecânica, dureza, entre outros. A Figura 16, mostra um exemplo de cada uma das abordagens e a correlação entre elas.
Figura 16 – Diferenças entre abordagens de FMEA
Dias et al. (2011) informam que, a abordagem funcional é geralmente usada nas fases iniciais de projeto e para análises sistêmicas, já a abordagem estrutural é mais indicada para análises mais “profundas” de um sistema. Pode-se observar na Figura 16, que a causa da abordagem funcional é o modo de falha da abordagem estrutural, para o mesmo item e mesma função e independentemente da abordagem, os efeitos permanecem os mesmos.
Este trabalho foi realizado segundo a abordagem estrutural do conjunto motor-foguete, pois apesar de apresentar menor detalhamento cada item do sistema, pode-se observar as funções do conjunto com detalhes e, pode ser aplicada para demais projetos similares da equipe Kosmos Foguetemodelismo.
Stamatis (2003) define efeito como o resultado da falha no sistema. Esse resultado da falha pode ser tanto para o usuário final quanto para o sistema, propriamente dito. Alguns autores também destacam que os efeitos podem ser divididos em três tipos: efeito fim, efeito local e efeito em nível superior. Estes se referem a resultados no sistema final e/ou no usuário, nos itens adjacentes e nos sistemas subsequentes, respectivamente.
3.4 IDENTIFICAÇÃO DAS CAUSAS E CONTROLES ATUAIS
Carlson (2012) define causa como sendo a razão específica para que a falha ocorresse. Para FMEA’s de projeto, essa causa está em alguma deficiência no projeto. É importante destacar que um modo de falha pode ter mais de uma causa e devido a isso, Dias et al. (2011) orienta que a análise das causas deve ser limitada a causas de maior relevância.
Stamatis (2003) destaca que a análise de causas é uma das mais importantes da FMEA, pois ela aponta em direção às ações preventivas ou corretivas a serem implementadas. Dependendo da fase em que o projeto se encontra, algumas dessas ações podem já fazer parte do processo, estas são chamadas de controles atuais que se referem à cada causa do modo de falha e são listadas durante o processo de FMEA (CARLSON, 2012).
3.5 AVALIAÇÃO DA CRITICIDADE
É normal que, ao se olhar para os efeitos dos modos de falha de um sistema qualquer, se imagine uma escala de severidade, ou seja, quais são mais ou menos críticos entre si. A MIL-STD-1629 (1998) aborda esse processo como avaliação de criticidade. Este é um procedimento em que os modos de falha são listados pelas influências combinadas de severidade (S),
representando o quão grave é o modo de falha, e probabilidade de ocorrência (O), representando o quão frequente este ocorre.
A norma SAE J1739 (2002) adota mais um elemento para a avaliação de criticidade, a dificuldade de detecção (D), que informa o quão difícil é a observação da falha. Além disso ela sugere a aplicação de uma escala de 1 a 10 para os três elementos de avaliação, sendo 1 para pouco impacto e 10 para muito impacto. Esses valores então, são combinados efetuando-se o produto desses, resultando no Número de Prioridade de Risco (NPR, ou RPN em inglês), entendendo-se que, quanto maior for o NPR, mais crítico é o modo de falha.
Este método possui alguns problemas, pois modos de falha com fatores bem distintos podem possuir o mesmo valor de NPR e a possibilidade de existir um NPR baixo, com severidade alta, exemplo S=10, O=2 e D=1, possui o NPR=20. Esses problemas podem gerar ambiguidades de prioridade e possibilidade de se ignorar um item crítico, o que prejudica a aplicação de ações mitigatórias.
A norma MIL-STD-882E (2012) apresenta um método para resolver esses problemas, a matriz de avaliação de risco, definindo a severidade em quatro categorias, de 1 a 4 e a probabilidade de ocorrência em seis categorias, de A a F. É feita então uma matriz, categorizando os modos de falha em cinco níveis de eliminado a alto, Figura 17.
Figura 17 – Matriz de Avaliação de Risco
Versões desse método são largamente utilizados no setor aeroespacial, sendo implementado no Manual de Gestão de Segurança da Organização Internacional da Aviação Civil (ICAO, em inglês) e no Capítulo 44 da Administração Federal de Aviação estadunidense (FAA, em inglês). Este método, entretanto, não contempla o elemento de dificuldade de detecção.
Dias et al. (2011) traz outra solução, combinando o espectro maior de cenários da SAE J1739 (2002) com a Matriz de Avaliação de Risco da MIL-STD-882E (2012). Os autores definem quatro matrizes, compostas pelos, agora, indicadores de avaliação de risco: severidade (S), ocorrência (O) e dificuldade de detecção (D). Sendo cada matriz baseado na dificuldade de detecção, de fácil (D=1) a muito difícil (D=4), com a severidade versus a ocorrência, como mostra a Figura 18.
Figura 18 – Matrizes de Avaliação de Risco
Fonte: Dias et al. (2011, p. 268)
Pode-se observar nas matrizes que, conforme a dificuldade de detecção aumenta, maior é a quantidade de condições inaceitáveis para os modos de falha e, as condições aceitáveis
vão diminuindo conforme a detecção se torna mais difícil. Dias et al. (2011), também recomendam as escalas para os índices de severidade, ocorrência e dificuldade de detecção, Figura 19.
Figura 19 – Escalas dos índices de S, O e D
Fonte: Dias et al. (2011, p. 269)
Pela ausência de dados suficientes para embasar de forma estatística os índices, optou-se pela utilização dessa escala mais subjetiva. A escala de aceitação de risco, I - Aceitável a IV - Inaceitável, Figura 18, servirá de base para orientar quais ações mitigatórias serão priorizadas na execução. Esses índices serão avaliados para cada cadeia causal.
Como apresentado anteriormente, cada modo de falha pode ter mais de uma causa e os controles atuais são relacionados a cada causa, têm-se então uma estrutura, relacionando cada causa com seus respectivos efeitos e os controles, em cada modo de falha. Dias et al. (2011) define essa relação como cadeia causal.
3.6 LEVANTAMENTO DAS AÇÕES MITIGATÓRIAS
Segundo Carlson (2012) as ações mitigatórias têm como o objetivo reduzir ou eliminar riscos associados aos modos de falha atuando nas causas e que, idealmente, todos os modos de falha com efeitos de alto risco podem ser eliminados. Entretanto isso nem sempre é uma realidade.
McDermott et al. (2009) sugere uma abordagem para diminuir a avaliação de risco, tomando ações que diminuam o índice de dificuldade de detecção do modo de falha e consequentemente uma avaliação de risco menor pois, como visto anteriormente, a aceitação do risco diminui conforme a dificuldade de detecção também diminui. Entretanto os autores informam que essa estratégia não impacta na qualidade do produto. Os autores também destacam que, as ações mitigatórias devem focar na redução do índice de severidade.
3.7 RESULTADO DA FMEA
Depois de todos esses aspectos analisados, vários autores informam que a formalização do processo de FMEA se dá através da construção da folha de FMEA. Não existe um padrão de configuração desta folha, entretanto, vários autores orientam para uma construção de um quadro, onde serão colocados os resultados das discussões mostradas no início da Seção 3.1 como mostra o Quadro 2.
Quadro 2 – Exemplo de folha de FMEA Item Função Modo de
falha Efeitos Causas
Controles atuais Avaliação de criticidade Recomendações Item1 Item2 Fonte: Autor (2020)
Com a folha de FMEA feita, foram reorganizados os itens, listando-os de acordo com o grau de aceitação ao risco: mais acima, aqueles que receberam mais avaliações inaceitáveis (IV), até mais abaixo, os que mais receberam avaliações aceitáveis (I). Desse modo, pode-se identificar mais facilmente os itens críticos assim como as ações a serem tomadas para mitigação do risco.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Dadas as definições sobre motores-foguete de propelente sólido experimentais, mostradas no Capítulo 2 e a técnica de análise de confiabilidade estabelecido no Capítulo 3, foram então implementadas as etapas descritas da FMEA: a análise funcional com desdobramento da função global do MFPS da Kosmos, as reuniões com os especialistas para a discussão e definição dos itens da FMEA, a aceitação ao risco e a construção da folha de FMEA.
4.1 ANÁLISE FUNCIONAL
A partir de uma análise do projeto do MFPS da equipe Kosmos Foguetemodelismo, dos documentos fornecidos pela mesma (Anexo I) e em reunião com o projetista do motor, foi feita a análise funcional, Quadro 3.
Quadro 3 – Análise de funcional
Subsistema Funções Critérios de desempenho Condições de uso Motor-foguete de propelente sólido - Gerar uma curva de empuxo projetada; - Transferir a força de empuxo para a fuselagem do foguete
- Classe I, com 380 N de empuxo médio, a uma pressão interna de 6,45 MPa, com os gases da combustão sendo gerados à uma taxa de queima de projeto, à uma temperatura de chama de 1600 K e acelerados por um bocal
eficiente por cerca de 1,2
segundos de operação, garantindo a integridade dos demais
subsistemas do foguete; - Transferir a força de empuxo para a fuselagem do foguete por 6 parafusos M6 fixados em cada extremidade do motor - Exposto à atmosfera, com variação de temperatura e umidade Fonte: Autor (2020)
Pode-se notar uma grande quantidade de critérios de desempenho para o item. Isso se deve ao fato de que um motor-foguete é um sistema de projeto complexo, com grande interação entre os elementos internos, na qual a falha de um pode gerar falha de vários outros elementos, não somente do próprio motor, mas também de outros sistemas do foguete.
Também foi feito o desdobramento funcional do MFPS em componentes, conforme definido na Seção 3.2, como mostra o Quadro 4.
Quadro 4 – Desdobramento funcional do MFPS em componentes
MFPS
Funções:
Prover empuxo ao foguete, por uma curva de empuxo projetada; Possuir elementos que permitam o recondicionamento e reutilização;
Transferir a força de empuxo ao foguete.
Envelope-motor
Funções:
Conter a combustão com a própria estrutura, para gerar o escoamento na tubeira;
Garantir rigidez estrutural ao motor;
Encaixar-se à tampa dianteira e à tubeira por acoplamento; Proteger com a própria estrutura as partes internas, de interferências do ambiente externo.
Tampa dianteira
Funções:
Tampar com a própria estrutura a parte dianteira do motor, acoplando-se ao envelope-motor; Conter a combustão para gerar o escoamento na tubeira;
Servir de assento para o O-ring.
Tubeira
Funções:
Acelerar os gases da combustão por meio do bocal convergente-divergente;
Servir de assento para o O-ring;
Encaixar-se ao envelope-motor por acoplamento;
Produzir um escoamento quase 1-D.
Parafusos da Tampa dianteira
Funções:
Fixar a tampa dianteira ao envelope-motor e à fuselagem do foguete;
Impedir o deslocamento longitudinal da tampa dianteira em relação ao envelope-motor, suportando as tensões de cisalhamento devido à operação;
Transmitir a força de empuxo à fuselagem do foguete.
Parafusos da Tubeira
Funções:
Fixar a tubeira ao envelope-motor e à fuselagem do foguete;
Impedir o deslocamento longitudinal da tubeira em relação ao envelope-motor, suportando as tensões de cisalhamento devido à operação;
Romper-se à tensão de cisalhamento de projeto;
Transmitir a força de empuxo à fuselagem do foguete.
O-ring
Funções:
Vedar as interfaces da tampa dianteira e da tubeira com o envelope-motor, à pressão de operação e temperatura de chama.
Proteção térmica
Funções:
Possuir uma condutividade térmica baixa, impedindo que o envelope-motor atinja temperaturas críticas.
Inibidor de queima
Funções:
Envolver externamente o grão, impedindo que a queima ocorra nessa região;
Gerar espaçamento entre grãos.
Grão propelente
Funções:
Gerar os gases da combustão à uma taxa de queima projetada. Fonte: Autor (2020)
Tais funções auxiliaram no exame dos modos de falha do motor-foguete e a construir as relações destes, com cada um dos componentes.
De modo similar às funções do MFPS mostradas no Quadro 3, foram também feitas as análises funcionais de cada um dos componentes do motor-foguete. Um exemplo dessa análise pode ser visto no Quadro 5.
Quadro 5 – Exemplo de análise funcional de componente Componente Funções Critérios de
desempenho
Condições de uso Tubeira - Acelerar os gases da
combustão por meio do bocal convergente-divergente; - Servir de assento para o O-ring.; - Encaixar-se ao envelope-motor por acoplamento; - Produzir um escoamento quase 1-D. - Escoamento subsônico na seção convergente; - Mach=1 na garganta; - Escoamento supersônico no divergente; - Circunferências do convergente, garganta e divergente concêntricos; - Acoplamento justo por pressão ao envelope-motor; - Fenda de O-ring com as dimensões de projeto. - Exposto à atmosfera, com variação de temperatura e umidade; - Pressão de operação de 6,45 MPa; - Temperatura de chama da combustão de 1600 K. Fonte: Autor (2020) 4.2 FOLHA DE FMEA
Como descrito na Seção 3.1, as reuniões foram todas de forma virtual, nas quais cada especialista analisava cada modo de falha, efeitos e causas, trazendo diversas informações e seus pontos de vista sobre o projeto. Também avaliava os indicadores de avaliação de risco e sugeria alterações para a diminuição da avaliação de risco.
Após a realização de todas as reuniões, foi feita uma última reunião com o maior número possível de especialistas em que foram discutidos e revisados cada modo de falha e seus respectivos efeitos, causas, indicadores de avaliação de risco e recomendações. Todo esse conteúdo então foi compilado e estruturado na folha de FMEA, que pode ser vista no Apêndice-A. Ao todo foram identificados treze modos de falha, listados no Quadro 6.
Quadro 6 – Lista dos modos de falha Vazamento de gases da combustão no corpo do envelope-motor
Vazamento de gases da combustão no acoplamento da tubeira com o envelope-motor
Vazamento de gases da combustão no acoplamento da tampa dianteira com o envelope-motor Vazamento de gases da combustão no corpo da tampa dianteira
Taxa de queima dos grãos superior à projetada Taxa de queima dos grãos inferior à projetada Taxa de queima dos grãos nula
Aceleração dos gases inferior à de projeto Excentricidade no empuxo
Ausência de um ou mais parafusos na tampa dianteira Ausência de um ou mais parafusos na tubeira
Ruptura de um ou mais parafusos da tubeira
Ruptura de um ou mais parafusos da tampa dianteira Fonte: Autor (2020)
Um ponto importante a se destacar é que a avaliação de risco – conforme explicada na Seção 3.5 e de acordo com a Figura 18 – compreende aspectos de severidade dos efeitos, ocorrência das causas e ações tomadas pela equipe para prevenir e detectar os modos de falha. Esta é usada como uma ferramenta para evidenciar itens que necessitam retrabalho. Isso implica que não necessariamente um item relacionado à uma cadeia causal que tenha uma avaliação de risco aceitável, deixe de ser um item crítico, pois a severidade de seus efeitos pode continuar sendo elevada. Entretanto os controles atuais da equipe são suficientes.
Isso pode ser visto no modo de falha de aumento da taxa de queima, na cadeia causal da queima em região inibida, que recebeu uma avaliação de risco “Aceitável com revisão – II”, como mostra a Figura 20.
Figura 20 – Trecho retirado da folha de FMEA da cadeia causal da queima em região inibida
Fonte: Autor (2020, p. 54)
A inibição correta do grão não deixa de ser um componente importante a ser avaliado mas sim, dado o projeto do MFPS, existem outros componentes que necessitam de uma ação mitigatória prioritária.
Dentre os modos de falha aquele que recebeu mais avaliações de risco elevadas, é o modo de falha relacionado à taxa de queima maior que a projetada. Por outro lado, os que receberam as menores avaliações de risco são a taxa de queima menor que a projetada e a taxa de queima nula. Estes cenários, de resultados distintos, são relativos ao mesmo elemento, o grão.
Do ponto de vista de projeto de MFPS, é esperado que essa variação de níveis de risco ocorra, pois está associado ao componente que é o grande responsável pela produção de empuxo, que possui um processo de fabricação detalhista e sua composição é sensível ao ambiente. Isso mostra a importância e o impacto deste, não só para o funcionamento do motor-foguete, mas também, para seu bom desempenho.
Um modo de falha aparentemente contraditório, é a da ruptura dos parafusos da tubeira. Este modo de falha em específico não é projetado para não ocorrer, mas sim, para ocorrer, porém, dentro das condições previstas para a falha. Durante a operação do motor, se a pressão interna aumentar além de níveis aceitáveis, para que não haja uma falha catastrófica e danifique vários elementos e sistemas do foguete, um elemento é projetado para falhar garantindo a integridade da maior quantidade de sistemas possível.
Neste caso, os elementos de falha programada, são os parafusos da tubeira. Pois ao se romperem, a pressão interna fará com que a tubeira seja ejetada, aliviando a pressão e não gerando impactos à fuselagem, ou a outro sistema do foguete. E por ser um modo de falha intencional que ainda deve atender aos parâmetros de projeto, este possui avaliações de risco elevadas.
Pode-se observar que, algumas das recomendações se repetem, mesmo relacionadas à componentes diferentes, por exemplo: A recomendação de uso de raio-x se aplica tanto para o grão, quanto para os parafusos, o envelope-motor e a tampa dianteira. Algo similar ocorre para a recomendação da aquisição de padrão de comparação de rugosidade de superfície e rugosímetros, que se aplicam para a tubeira, o envelope motor e a tampa dianteira.
4.3 LEVANTAMENTO DOS COMPONENTES CRÍTICOS E RECOMENDAÇÕES
A partir dos dados compilados na folha de FMEA e das descrições da Seção 2.2 sobre cada componente interno, foi possível correlacionar cada cadeia causal com cada componente e realizar o levantamento dos componentes críticos do MFPS da equipe Kosmos, assim como as recomendações relacionadas à cada um deles, Quadro 7. Ordenado por quantidade de avaliações de inaceitáveis (IV) a aceitáveis (I).
Quadro 7 – Lista de componentes por criticidade e suas recomendações Item Quantidade de avaliações Recomendações Inaceitável - IV Indesejável - III Aceitável com revisão - II Aceitável - I Grão 4 2 3 4
Uso de ignitores de queima pouco agressiva
Remoção do mandril com prensa
Raio-x dos grãos
Compressão e cura à vácuo do grão
Adoção de peneira para granulometria projetada
Parafusos da tampa dianteira
4 2 1 0
Determinação da vida útil do material
Exame da estrutura por raio-X na aquisição da peça Aquisição de torquímetro Substituição dos parafusos a cada uso
Ensaio mecânico dos parafusos
Parafusos
da tubeira 3 3 2 0
Determinação da vida útil do material
Exame da estrutura por raio-X na aquisição da peça Aquisição de torquímetro Substituição dos parafusos a cada uso
Ensaio mecânico dos parafusos O-ring da tampa dianteira 0 5 0 0 Adoção de redundância de O-ring Execução de testes hidrostático Aquisição de padrão de comparação de rugosidade de superfície Rugosímetro
O-ring da tubeira 0 4 1 0 Adoção de redundância de O-ring Execução de testes hidrostático Aquisição de padrão de comparação de rugosidade de superfície Rugosímetro Tubeira 0 2 2 1 Gabarito passa-não-passa Adoção de garganta abaulada Aquisição de padrão de comparação de rugosidade de superfície Rugosímetro Adoção de métodos montagem cônica Envelope-motor 2 1 0
Determinação da vida útil do material
Exame da estrutura por raio-X na aquisição da peça Exame de ultrassom após cada uso Rugosímetro Aquisição de padrão de comparação de rugosidade de superfície Tampa dianteira 0 1 0 0 Aquisição de padrão de comparação de rugosidade de superfície Rugosímetro
Determinação da vida útil do material
Exame de ultrassom após cada uso
Exame da estrutura por raio-X na aquisição da peça Proteção
térmica 0 1 0 0
Inibição 0 0 1 0
Foram identificadas doze cadeias causais com avaliação inaceitável, sendo elas, cinco relacionadas ao grão, quatro aos parafusos da tampa dianteira e três aos parafusos da tubeira. Dezoito com avaliação indesejável, em que somente a inibição não recebeu essa avaliação. Quatorze com avaliação aceitável com revisão, destacando o grão, a tubeira e o O-ring da tubeira. E, por fim, cinco com avaliação aceitável, sendo quatro delas relacionadas ao grão e uma à tubeira.
Pode-se observar que o componente do sistema que necessita de ações mitigatórias imediatas é o grão. Um resultado esperado, devido às características discutidas na Seção 4.2. Em seguida, tem-se os parafusos da tampa dianteira, isso ocorre por conta da proximidade desses parafusos com outros sistemas do foguete, a fuselagem e o sistema de recuperação.
Nota-se também que todas as avaliações de risco “Inaceitável”, estão compreendidas em três componentes do motor, grão, parafusos da tampa dianteira e tubeira, o que sugere que a confiabilidade do motor-foguete aumentará consideravelmente com a adoção das medidas mitigatórias apenas desses três componentes.
As recomendações de adoção de raio-x e uso de ultrassom, servem para identificação de trincas internas na estrutura dos componentes, entretanto são aplicados em momentos diferentes, para componentes diferentes. O raio-x do grão é feito após a cura deste, utilizado para identificação de trincas e bolhas internas. Já para os elementos metálicos (envelope-motor, tubeira, parafusos e tampa dianteira) o raio-x é usado na aquisição desses componentes, para identificação de trincas internas e o ultrassom é usado para identificação de trincas após cada uso do componente, sendo uma inspeção mais rápida.
5. CONCLUSÕES
Este trabalho analisou a aplicação da técnica FMEA para a análise da confiabilidade do MFPS da equipe de competição Kosmos Foguetemodelismo. Os resultados mostram que para o motor-foguete cumprir suas funções de gerar e transferir o empuxo ao foguete, de forma adequada, conforme os critérios de desempenho, durante o período de operação, sob as condições de exposição a atmosfera com variação de temperatura de umidade, é necessária a adoção das recomendações, priorizando os componentes que receberam avaliação de risco elevadas.
Para tal análise foram descritas as funções do motor-foguete por método de análise funcional e desdobramento funcional em componentes. Essa análise foi importante para se poder correlacionar os modos de falha do MFPS com seus componentes. Foram examinados os modos de falha e por meio da avaliação de criticidade foram identificados os componentes críticos e, por fim foram levantadas recomendações de mitigação dos modos de falha.
É importante destacar que, as recomendações sugeridas pelo time, teriam como objetivo reduzir todas as avaliações de risco para níveis aceitáveis. Todavia, se isso fosse viável, não existiriam acidentes com motores-foguete, pois se uma equipe de competição universitária – com um motor experimental, com conhecimento, disponibilidade de ensaios e testes e orçamento menores do que uma agência espacial, ou uma empresa privada do setor – conseguir reduzir todos os níveis de avaliação de risco para mínimos, estas outras organizações também seriam capazes.
A fonte da impossibilidade da redução de risco muitas vezes está atrelada a características dos modos de falha que simplesmente não podem ser alterados, ou são inviáveis economicamente, como por exemplo os efeitos catastróficos, que são frutos do modo com que motores-foguete operam (valores extremos de temperatura e pressão), cujas recomendações podem inviabilizar a operação. Para isso, Smith (2017) apresenta um princípio para aceitação de risco “tão baixo quanto razoavelmente possível” (ALARP, em inglês). Esse princípio tem como base caracterizar os riscos como toleráveis enquanto os custos de redução do risco forem desproporcionais ao benefício.
Isso não significa que as análises de confiabilidade de motores-foguete não tenham impacto, apesar de não atingirem os níveis esperados de risco, ainda são ferramentas de grande importância no setor aeroespacial, atuando na qualidade de toda cadeia produtiva.
O presente trabalho buscou analisar a confiabilidade pela FMEA estrutural do conjunto motor-foguete de propelente sólido da equipe Kosmos. Deste modo, recomenda-se uma análise
de confiabilidade de cada um dos componentes do motor-foguete, aprofundando-se nos modos de falha individuais. Tal medida seria relevante para identificar detalhes dos parâmetros de projeto, como pressão de acoplamento, tensão de ruptura dos parafusos, taxa de queima dos grãos, desgaste dos elementos estruturais.
Este trabalho não contempla o processo completo da FMEA, que envolveria, além do que foi desenvolvido, a aplicação das recomendações e a reavaliação dos índices de severidade e risco, por isso, recomenda-se a continuação e encerramento do processo da FMEA do motor-foguete de propelente sólido da equipe Kosmos.
Recomenda-se também, a aplicação de métodos de confiabilidade para o processo de fabricação do grão, por se compreender que a qualidade deste está fortemente atrelada à fabricação e para o processo de montagem do motor-foguete, por terem sido identificadas causas relacionadas à montagem.
Durante o trabalho houve grande dificuldade de compreensão dos modos de falha, devido à interação elevada dos componentes, portanto sugere-se um aprofundamento da análise, levando em consideração essa característica do motor-foguete. Tal medida seria relevante para a melhor compreensão dos modos de falha e suas causas, podendo gerar mais recomendações de mitigação e detecção.
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TURNER, M. J. L. Rocket and spacecraft propulsion: Principles, Practice and new developments. 2. ed. Chichester: Praxis Publishing Ltd: Springer, 2005.
APÊDICE A – FOLHA DE FMEA
Universidade Federal de Santa Catarina Campus: CTJ FMEA: MOTOR-FOGUETE DE PROPELENTE SÓLIDO
EXPERIMENTAL DA EQUIPE DE COMPETIÇÃO KOSMOS FOGUETEMODELISMO
Responsável: Martin Schultz
Supervisor: Prof. Dr. Eng. Luís Fernando Peres Calil
Subsistema: Motor-foguete de
propelente sólido Funções:
- Gerar uma curva de empuxo projetada, de classe I, com 380 N de empuxo médio, a uma pressão interna de 6,45 MPa, com os gases da combustão sendo gerados à uma taxa de queima de projeto, a uma temperatura de chama de 1600 K e acelerados por um bocal eficiente por cerca de 1,2 segundos de operação, garantindo a integridade dos demais subsistemas do foguete
- Transferir a força de empuxo para a fuselagem do foguete por 6 parafusos M6 fixados em cada extremidade do motor
Modo de Falha Efeitos potenciais S Causas O Controles Atuais D Avaliação de Risco Recomendações No componente Em outros elementos No conjunto "foguete" Vazamento de gases da combustão no corpo do envelope-motor - Vazamento de gases da combustão no corpo do envelope-motor - Superaqueciment o do envelope-motor na região do vazamento - Superaquecime nto da fuselagem na região do vazamento - Ruptura da fuselagem - Explosão - Não cumprimento da missão 10 - Furo ou rasgo na proteção térmica 3 - Inspeção da superfície da proteção térmica após a fabricação após cada operação 1 III - Indesejável - Não-cisalhamento dos parafusos da tubeira 1 - Compra de parafusos certificados 1 II - Aceitável com revisão
- Ruptura do envelope-motor - Trinca no envelope-motor 1 - Inspeção visual de trincas do envelope-motor por tinta reveladora 3 III - Indesejável - Determinação da vida útil do material - Exame da estrutura por raio-X na aquisição da peça - Exame de ultrassom após cada uso Vazamento de gases da combustão no acoplamento da tubeira com o envelope-motor - Superaqueciment o na região do vazamento - Perda de pressão interna - Baixo empuxo - Alteração no formato da curva de empuxo - Alteração da trajetória - Não cumprimento da missão 7 - Deslocamento do O-ring para fora da fenda 3 - Inspeção visual do O-ring na montagem - Lubrificação da região 1 III - Indesejável - O-ring danificado 5 - Inspeção visual do O-ring, antes da inserção na fenda - Substituição de O-rings danificados 1 III - Indesejável - Rugosidade alta da fenda do O-ring 3 - Inspeção visual da rugosidade da fenda - Uso de O-2 III - Indesejável - Aquisição de padrão de comparação de rugosidade de superfície
