Estudos experimentais e numéricos de polímeros ablativos para proteção interna de motores foguete de combustível híbrido

Abstract

Com o objetivo de se verificar a aplicabilidade de um motor foguete de combustível híbrido como um desacelerador propulsivo para o Satélite de Reentrada Atmosférica (SARA), foi construído um motor foguete de testes na Universidade de Brasília. Como o ambiente encontrado dentro de um foguete é bastante severo, onde as temperaturas e pressões são altíssimas, é necessário o uso de um escudo térmico para que a integridade estrutural do foguete seja mantida. Essa proteção é feita por meio de materiais poliméricos de sacrifício, que são colocados entre o propelente sólido e as paredes da estrutura. Para saber quais os melhores materiais isolantes entre os disponíveis no mercado brasileiro, um método de teste foi desenvolvido utilizando o motor de testes que foi construído. Esse método se baseia no uso de um módulo extra, onde os materiais a serem testados ficam durante a realização dos experimentos. O propelente sólido utilizado em todos os testes aqui feitos foi a parafina, enquanto o oxidante foi o óxido nitroso. Após os testes, as taxas de ablação e de perda de massa foram estimadas para cada material. Como o motor de testes foi instalado na direção horizontal, a gravidade faz com que a taxa de erosão seja maior na parte inferior das amostras do que na parte superior das mesmas. Desse modo, as partes inferiores das amostras devem ser desconsideradas para análise, pois divergem muito da média. O material que apresentou as menores taxas de decomposição foi a borracha de silicone preta, enquanto que o material mais sensível à erosão foi o poliuretano. Foi observado que as taxas de erosão para todos os materiais testados foram altas, sendo comparáveis às taxas de alguns dos combustíveis sólidos utilizados na propulsão híbrida. Consequentemente, não é recomendado o uso de polímeros puros para a proteção térmica. Foi criado então três compósitos diferentes utilizando silicone preto como matriz e fibra de vidro como reforço. Os testes experimentais com esses compósitos mostraram como a direção da fibra interfere na resistência à ablação, sendo que o compósito mais eficiente é o que possui as fibras perpendiculares ao eixo do motor. Com o objetivo de se estimar os fluxos de calor que são encontrados dentro do motor foguete de teste e determinar as propriedades térmicas do grafite aqui utilizado, foi realizado um teste de 11 segundos de duração e sem o módulo extra. Diversas simulações foram então realizadas utilizando um modelo completo do motor. Observou-se que o grafite pirolítico é o material com as propriedades mais semelhantes ao do grafite aqui utilizado. O fluxo de calor não é constante ao longo do tempo e varia com a distância axial do motor. Os valores dos fluxos de calor na região do grafite variam entre 0,035-0,4 W/mm².