Estudo de materiais para fabricação de bocais de motor de foguete a propelente híbrido

Abstract

O bocal do motor de foguete a propelente híbrido, responsável pela aceleração dos gases da combustão, está sujeito a elevadas temperaturas (cerca de 2000 °C) requisitando o emprego de materiais ou técnicas que permitam o trabalho em tais condições, sem resultar na falha do motor durante o seu funcionamento. A solução proposta neste trabalho é o emprego de ligas de CuCr na fabricação de bocais. A escolha deste material se deve ao fato do mesmo apresentar elevada condutividade térmica, resistência à corrosão e boa resistência mecânica, além de baixo custo e facilidade de fabricação de bocais comparada com tubeiras de carbono-carbono. Porém, o seu ponto de fusão, entorno de 1080°C, é inferior à temperatura dos gases quentes. Para solucionar este problema, foram estudados revestimentos cerâmicos para atuar como barreira térmica. Neste estudo bocais de CuCr foram fabricados e posteriormente revestidos com zircônia estabilizada com ítria pelo processo de pulverização térmica. Testes em bancada foram realizados nos bocais, com e sem revestimento, para avaliar o desempenho em exercício. Testes com bocais de carbono- carbono e grafite também foram realizados para comparação, uma vez que estes são o estado-da-arte na aplicação em foguetes sólidos. Os bocais de CuCr com revestimento cerâmico apresentaram desempenho satisfatório, tornando-se candidatos para futuras aplicações associado ao processo de refrigeração regenerativa com óxido nitroso. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The nozzle of the hybrid propellant rocket motor, responsible for accelerating the combustion gases is subjected to high temperatures (around 2000 ° C) requesting the use of materials and techniques to work under such conditions without resulting in failure of the motor during operation. The solution proposed in this work is the use of CuCr alloys in manufacturing nozzles. The choice of this material is related to its high thermal conductivity, good corrosion resistance and mechanical strength, low cost and easy fabrication compared to carbon-carbon nozzles. However, its melting point around 1080 °C, is lower than the hot gases temperature. For solving this problem, ceramic coatings were studied to act as a thermal barrier. In this study, CuCr nozzles were manufactured and subsequently coated with yttria stabilized zirconia by the thermal spray process. The experiments in test bench were carried out in the nozzles, with and without coating, to evaluate their performance. Tests with carbon-carbon and graphite nozzles were also carried out for comparison, since they are the state-of-art in the application in solid rockets. The CuCr nozzles with ceramic coating exhibited satisfactory performance, becoming a future candidate for applications associated with regenerative cooling process with nitrous oxide.