Análise do fluxo na tubeira de um foguete durante o processo de ablação

Abstract

O motor de desaceleração para a plataforma orbital SARA, projetado pelo laboratório de propulsão hibrida da universidade de Brasília precisa passar por testes estáticos em bancadas de teste experimentais, a fim de verificar o seu funcionamento. Conforme os testes foram sendo realizados, foi observado que a tubeira do motor sofre desgastes, principalmente na parte da garganta, onde é mais visível esse fenômeno. Este fenômeno é conhecido como ablação e possui um efeito negativo nos motores de foguete hibrido e se torna um fator que dificulta o avanço da propulsão híbrida, pois prejudica a performance do motor. Outro fenômeno que está presente durante os testes do motor, são ondas de choque no interior da tubeira, o que também prejudica a performance como também o material da tubeira, pois a onda de choque causa estresses térmicos no ponto onde ela ocorre. Portanto este trabalho tem como objetivo estudar o fluxo no interior da tubeira, diante desses fenômenos que ocorrem durantes os testes em solo. Para isso foram realizadas simulações para se obter a descrição completa do fluxo na tubeira com ondas de choque e foi estabelecido um método capaz de prever a erosão no material da tubeira. A reação heterogênea entre o carbono sólido da superfície e as espécies oxidantes contidas no gás resultando da combustão, tais como H2O, CO2, OH, O e O2, é a principal causa da erosão. Essas reações consomem o carbono sólido o oxidando em COg. Os resultados obtidos utilizando o modelo termoquímico de erosão utilizado são comparados com os resultados experimentais, obtidos analisando as partes do motor utilizadas em testes. Foi possível observar que os resultados entre as observações experimentais e o modelo teórico são próximos com a maior taxa de erosão ocorrendo na garganta com valores próximos de 0.13mm/s. A espécie oxidante que mais influência no resultado final da erosão é o H2O, resultado que concorda com outros estudos nesta área. Além disso como previsto para esse tipo de operação, com a simulação numérica foi possível observar a presença de uma onda de choque no interior da parte divergente da tubeira. Os testes experimentais revelam que a onda de choque provoca a falha do material da tubeira, por conta das elevadas temperaturas. A mudança provocada na geometria por conta da erosão do material, provocam também mudanças no fluxo, em que após 41s de funcionamento do motor, a onda de choque na tubeira aparece próxima a garganta da tubeira e os valores de pressão e velocidade são reduzidos.