Estudo da distribuição de temperatura em motores foguete a propulsão híbrida

Abstract

O presente estudo foi motivado pela necessidade de aumentar o tempo de queima do motor híbrido de teste de baixo empuxo. Este motor inicialmente tinha sido projetado para operar com um par de propulsores de alta taxa de regressão (parafina e óxido nitroso) por 12 segundos. A substituição de parafina por um grão de polietileno com a mesma geometria aumenta o tempo de operação do motor até 40-50 segundos. Para este tempo de funcionamento, é necessário a aplicação de proteção térmica na câmara de combustão deste motor. O objetivo principal do estudo foi avaliar a eficiência do isolante térmico pela determinação da distribuição de temperatura em suas superfícies nas condições dadas de operação do motor com aumento do tempo de queima. Os dados experimentais de temperatura, apresentados em um gráfico temperatura-tempo, foram utilizados para determinar os fluxos de calor na superfície interna da parede do isolante, através de um método inverso de transferência de calor com auxílio do método de elementos finitos (software comercial Ansys Workbench). Os valores do fluxo de calor foram então validados através da solução analítica de um problema de equação de calor no domínio cilíndrico. A solução foi obtida usando uma abordagem de transformação integral, onde o kernel de transformação foi baseado na solução de um problema de valor limite Sturm-Liouville associado. Em seguida, os valores validados do fluxo de calor foram utilizados para prever a temperatura na superfície externa do escudo térmico interno para que seja possível aumentar o tempo de operação do motor de teste. A metodologia dada possibilitou a avaliação das temperaturas nas superfícies externa e interna do isolante térmico cilíndrico e pode ser utilizada para realizar uma avaliação preliminar da espessura correta do isolante, evitando o superaquecimento do invólucro estrutural do motor.