Estudo experimental de motor foguete híbrido com queima plana e escoamento em swirl

Abstract

Motores de foguetes híbridos combinam elementos dos motores sólidos e líquidos. A configuração mais comum é a de um combustível sólido e um oxidante líquido ou gasoso. Este sistema propulsivo, quando comparado a motores bipropelente líquido, é vantajoso dada a simplicidade de projeto, maior segurança e menor custo de desenvolvimento e fabricação. Contudo, motores híbridos tradicionais de geometria circular apresentam desafios que a comunidade tecnocientífica busca resolver: a variação na razão 𝑂/𝐹 ao longo da queima transiente do combustível e as baixas taxas de regressão da matriz sólida. O uso de parafina sólida, com elevadas taxas de regressão, parece ter solucionado o segundo desafio. Já o primeiro, pode ser resolvido empregando-se uma superfície plana de queima. Tal tecnologia foi comprovada em motores de pequeno porte, até 50 N. Este trabalho apresenta uma série de experimentos conduzidos para avaliar a mudança de escala, no desempenho de um motor-foguete a propelentes híbridos, 100-500 N, com queima plana e escoamento em swirl. Foram testados dois tipos de sistema de injeção de oxigênio gasoso: placa de polietileno com furos e placa metálica com canais retangulares. Ambas configurações foram capazes de sustentar o motor operando de forma estável com pressão da ordem de 5 bar e vazão de oxigênio de 28 g/s ao queimar parafina e polietileno de alta densidade (PEAD). Também foram testadas matrizes sólidas de acrílico (PMMA) e borracha sintética (PB). A taxa de regressão da parafina variou de 0,17 a 0,25 mm/s e de 0,24 a 0,33 mm/s, quando a injeção de oxigênio gasoso foi realizada pelas placas de polietileno e metálica, respectivamente. O motor híbrido testado, com diâmetro interno de 130 mm é, segundo revisão da literatura mundial, o maior já operado de forma estável na configuração proposta. Por fim, foi estimado um empuxo teórico de 376 N no teste final ao aumentar a pressão na câmara para 7 bar, o que resultou em uma taxa de regressão da parafina de 0,78 mm/s.