Avaliação experimental da queima de parafina e óxido nitroso em motores híbridos

Abstract

Este trabalho descreve um estudo experimental do desempenho de motores de foguetes híbridos usando o par propelente parafina - óxido nitroso (N2O). O objetivo principal é propor uma lei de regressão para este par de propelentes, determinando-se as suas constantes de regressão. A motivação para o estudo reside no crescente interesse pela tecnologia híbrida em função da sua segurança, simplicidade, desempenho, baixo custo e baixa emissão de poluentes, principalmente em comparação com a tecnologia dos foguetes a propelentes sólidos. No entanto, a baixa taxa de regressão do combustível sempre foi um fator de limitação para os foguetes híbridos, mas recentemente foi identificada uma classe de parafina que apresenta taxa de queima três a quatro vezes superiores as taxas dos combustíveis híbridos tradicionais, tais como o HTPB (polibutadieno hidroxilado). Nesse contexto foi desenvolvida uma série de testes experimentais e propostas leis de regressão para o par propelente parafina – N2O em dois casos específicos. Foi analisado o desempenho de um motor híbrido de 250 N considerando dois sistemas de injeção de oxidante: um sistema de injeção direta através da utilização de um injetor de furos passantes e um sistema de injeção pressure-swirl (vortical pressurizado). Uma précâmara de mistura foi utilizada para analisar as oscilações de pressão na câmara de combustão do motor e foram discutidas as condições que levam à redução, ou à omissão em alguns casos, do uso de uma pré-câmara. Ao final foi desenvolvida uma placa injetora composta de nove injetores swirl-atomizado que possibilitou promover a ignição e manter a queima estável para altos fluxos de massa (em torno de 150g/cm2s), acima do valor tradicional aceito como limite superior para o HTPB ( ≅ 56g cm2s). Com essa configuração de injeção de oxidante foi possível observar taxas de regressão com valores acima de 9mm/s. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work describes an experimental study of paraffin-based hybrid rockets. The main objective was to determine the regression rate of paraffin burning with nitrous oxide (N2O). Hybrid rockets have attracted renewed attention because of their distinct advantages such as simplicity, safety, good performance, comparatively cleaner environmental characteristics, and lower cost, particularly compared to solid propellant rockets. However, conventional hybrid propellants present one very significant shortcoming, low regression rate. Recently it was identified a class of solid paraffin that burn three or four times faster than the traditional hybrid fuels, such as HTPB. Therefore a series of experiments was made to determinate a regression rate law for paraffin and nitrous oxide. It was proposed a regression rate law. Several experiments were performed with a large range of combustion ports and grain length. Using more than one injection systems it was possible study the influence of injection and pressure oscillations in the combustion chamber. It was develop a injection plate composed by nine swirl-atomizer injectors that showed a significant increase of the regression rate and the possibility of ignition with a high mass flux – around 150g cm2s, biggest the conventional value used as upper limit, ≅ 56, 25g cm2s. With this configuration it was possible to obtain regression rates values up to 9mm/s.