Análise de desempenho de tubeira plug anelar em motor-foguete a propelente sólido

Abstract

Resumo: A principal motivação deste trabalho foi a investigação dos efeitos do uso de aerospike do tipo anelar, PLUG, em minifoguetes. Tendo como finalidade verificar possíveis alterações dos parâmetros de desempenho do motor, como curva de empuxo e tempo de queima do propelente. Para atingir esse objetivo foram projetados, construídos e testados PLUGs de diferentes dimensões e razões de expansão. Juntamente com um motor convergente-divergente, testados tanto em bancada estática, usada pelo Grupo de Foguetes Carl Sagan da UFPR, quanto em voo real. O percurso metodológico do presente trabalho foi constituído em três passos. O primeiro: a revisão bibliográfica apresentando a física do escoamento compressível supersônico. O segundo passo foi a definição e confecção da geometria do PLUG a ser testado. O terceiro a realização dos testes práticos divididos em dois momentos: a) teste estático com célula de carga; b) lançamento do foguete com motor PLUG. A comparação dos resultados dos testes práticos foi realizada entre as diversas geometrias avaliadas e o motor convencional. Subsequentemente foram confrontados, entre outros dados, as médias dos Impulsos totais, tempos de queima e curvas de empuxo de cada geometria. Os resultados práticos não só demostraram pouco ou nenhum impacto relevante no uso de PLUGs, como apresentou desafios adicionais no uso desse motor em voo real. Apesar das conclusões pouco animadoras deste trabalho, o autor entende que tanto a metodologia utilizada quanto o código computacional, fruto da teoria de geometrias PLUG, possam colaborar com outros trabalhos que explorem o uso e a aplicação deste conceito construtivo. Palavras-chave: aerospike; compensador de altitude; tubeira PLUG; minifoguete sólido.

Abstract: The main motivation of this work was the investigation of the effects of the use of annular-type aerospike, PLUG, in mini rockets. In order to verify possible changes in engine performance parameters, such as thrust curve and propellant burning time. To achieve this objective, PLUGs of different dimensions and expansion ratios were designed, built and tested. Together with a convergent-divergent engine, tested both on static bench, used by the UFPR Carl Sagan Rocket Group, and in real flight. The methodological path of the present work was constituted in three steps. Firstly: the literature review presenting the physics of supersonic compressible flow. The second step was the definition and construction of the PLUG geometry to be tested. The third is the realization of practical tests divided into two moments: a) static test with load cell; b) launch of the PLUG engine rocket. The comparison of the results of the practical tests was carried out between the different evaluated geometries and the conventional convergent-divergent nozzle. Subsequently, the averages of total impulses, burning times and thrust curves of each geometry were compared, among other data. The practical results not only showed little or no relevant impact on the use of PLUGs, but presented additional challenges in the use of this engine in real flight. Despite the uninspiring conclusions of this work, the author understands that both the methodology used and the computational code, the result of the PLUG geometry theory, can collaborate with other works that explore the use and application of this constructive concept. Keywords: aerospike; altitude self-adjustment; PLUG nozzle; mini solid rockets.