Resumo
Os propelentes sólidos compósitos desempenham uma função essencial em tecnologias como foguetes, mísseis e outros sistemas de propulsão e geração de gases, como o Base Bleed. Esses materiais operam por meio da propulsão química, envolvendo a queima controlada de um combustível (matriz polimérica ou “binder”) e um oxidante em uma câmara de combustão. No caso do Base Bleed, esse processo gera gases em altas temperaturas, capazes de preencher o vácuo formado na parte traseira do projétil, melhorando, portanto, a sua eficiência aerodinâmica, o que proporciona um maior alcance pelo objeto em questão. No caso de foguetes, os gases são expelidos por meio de uma tubeira convergente-divergente que proporciona o empuxo. Por conta dessas peculiaridades, é de suma importância a compreensão de fenômenos relacionados à queima de propelentes em diferentes regimes aerodinâmicos, sob diferentes condições operacionais e submetidos a esforços de alta intensidade, típico de situações de conflito. No caso de projéteis dotados de propelente do tipo Base Bleed, o seu alcance depende da aerodinâmica de voo dos mesmos, que, em sua maior parte, se dá na região supersônica. Os estudos sobre o assunto, conduzidos pela Marinha do Brasil através do IPqM e da EMGEPRON em parceria com o PPG-EM UERJ, em desenvolvimento no âmbito do projeto CNPq/AEB/MCTI/FNDCT de processo n°407041/2022-2 (Programa UNIESPAÇO), abordam o estudo do escoamento em torno dos projéteis e, em particular, a interação entre os escoamentos externo e do propelente Base Bleed. Atualmente, utilizam simulações numéricas com o sistema aberto OpenFOAM, que se baseiam na integração das equações de Navier-Stokes pelo Método de Volumes Finitos. O sistema OpenFOAM não se encontra validado para todas as aplicações, indicando a necessidade de simulações adicionais com softwares como o ANSYS FLUENT e outros, para a comparação entre os resultados obtidos com as diferentes plataformas.
Em continuação aos estudos já realizados, o presente projeto propõe desenvolvimentos subsequentes atrelados aos seguintes objetivos:
1. Simulação de escoamentos supersônicos simples, como o desenvolvido em difusores planos e curvos com alargamentos e reduções da área transversal, em que pode-se observar expansões e ondas de choque. Embora aplique-se a escoamentos com números de Mach supersônicos na faixa 1,1 < M < 1,4, essa primeira versão não se aplicará a escoamentos com regiões supersônicas e subsônicas, como os que ocorrem sobre perfis aerodinâmicos de asas transônicas. A priori, também não se aplica a escoamentos hipersônicos com M > 4.
2. A segunda versão do código tratará de escoamentos axissimétricos como os encontrados em mísseis e projéteis, modelados como cones acoplados a cilindros. Os resultados obtidos com essa versão do código em desenvolvimento serão comparadas com as obtidas com os softwares ANSYS FLUENT e OpenFOAM. As características do escoamento dos gases provenientes da queima do propelente serão incorporadas ao código em desenvolvimento. Essa versão terá a mesma restrição de número de Mach da anterior.
3. Na terceira versão pretendemos incluir regiões subsônicas e correções da condição de irrotacionalidade que resulta do encurvamento de ondas de choque, como ocorre no caso de escoamentos supersônicos em torno de corpos rombudos (blunt bodies).
4. Paralelamente, pretende-se desenvolver código de elementos finitos/volumes finitos, em princípio baseado no sistema aberto OpenFOAM/Julia-Gridap, para a simulação do escoamento em regiões subsônicas e transônicas.
5. Desenvolver os modelos para escoamentos reativos e turbulentos, incluindo efeitos da rotação e da balística interna. Extensão dos modelos para escoamentos não-simétricos.
6. Desenvolver testes experimentais com as bases para testes estáticos para realizar experimentos sob alta rotação, com instrumentação e sistemas de aquisição de dados e processamento de sinais.
7. Melhorar a instrumentação para monitoramento de testes de tiro e de voo, através de radares e instrumentação embarcada, em projéteis e foguetes. Empregando técnicas de Hardened Subminiature Telemetry and Sensor System (HSTSS), para o desenvolvimento de micro sensores e respectivos sistemas eletrônicos embarcados.
8. Desenvolver sistemas de telemetria para coleta de dados de sensores embarcados, em projéteis e foguetes, através de sistemas de comunicação sem fio.
9. Desenvolver programa de simulação de trajetórias com 6 graus de liberdade, para projéteis e foguetes.
10. Avaliação estrutural e de desempenho balístico de propelentes aplicados em foguetes e em sistemas de Base Bleed, submetidos a envelhecimento acelerado semelhante às condições extremas de transporte e operacional, mimetizando condições meteorológicas de regiões amazônicas.
11. Organização de eventos científicos e de capacitação.
12. Publicação de artigos em revistas de circulação internacional.