Desenvolvimento de propelente e aquisição de dados em teste de queima estática de motor de foguete

O motor de foguete NAOS EVO passou com sucesso por sua primeira queima estática empregando um propelente sólido à base de sorbitol. Este teste marcou a validação inicial de uma nova formulação de propelente no âmbito do programa de propulsão Coheteros. Usamos o sistema Dewesoft SIRIUSi-XHS-8xACC para aquisição de dados de alta precisão. Os resultados confirmaram a confiabilidade do projeto do motor e destacaram áreas para aprimoramento na fabricação do grão do propelente e na estabilidade da combustão.

Los Coheteros, ou “The Rocketeers”, é uma associação estudantil ligada à ETSI, Escola Técnica Superior de Engenharia da Universidade de Sevilha, Espanha. No Coheteros, projetamos, desenvolvemos, fabricamos e lançamos protótipos experimentais de foguetes, com base em mais de dois anos de experiência no setor. Também fazemos parte do Seville Space Forum, um grupo que reúne entidades públicas, privadas e associações com o objetivo de promover o interesse pelo espaço.

A preparação e execução bem-sucedidas de um teste estático do motor do foguete NAOS EVO representam um marco importante no desenvolvimento da nossa associação. O teste contribuirá significativamente para a melhoria dos nossos sistemas de propulsão para futuros veículos lançadores de propelente sólido.

Descrevemos todo o processo realizado, incluindo os materiais e métodos utilizados na fabricação dos grãos de propelente, bem como a preparação da câmara de combustão e o sensor de pressão utilizado.

Pela primeira vez, integramos este sensor com o sistema de aquisição de dados Dewesoft SIRIUSi, um dispositivo altamente eficiente e capaz, conhecido pela sua elevada precisão na coleta de dados e pelas suas avançadas capacidades de análise. Este sistema permitirá análises mais aprofundadas dos resultados do teste, fornecendo informações valiosas para melhorias futuras.

O vídeo a seguir apresenta o teste completo de ignição estática correspondente aos resultados aqui apresentados. Ele oferece um registo visual em tempo real da ignição do motor, da fase de combustão e do desligamento, complementando os dados quantitativos com evidência observacional direta.

Materiais e métodos

Motor de foguete

A câmara de combustão, o bocal e o fechamento traseiro requerem dois O-rings cada para garantir uma vedação adequada.

Dimensões:

• Diâmetro externo da câmara: 63,5 mm

• Diâmetro da garganta do bocal: 19 mm

• Diâmetro de entrada do bocal: 47,96 mm

• Diâmetro de saída do bocal: 41,67 mm

• Comprimento da câmara: 550 mm

• Ângulo de convergência do bocal: 41°

• Ângulo divergente do bocal: 12°

Pressão e temperatura:

• Pressão nominal de operação: 6 MPa

• Pressão máxima de operação: 10 MPa

• Temperatura interna da câmara: 1625 K

Materiais:

• Bocal e fechamento: aço inoxidável A304

• Câmara de combustão: tubo comercial padrão de aço inoxidável A304

Propelente

Esta seção descreve as propriedades fundamentais do propelente sólido utilizado no projeto do motor de foguete: KN-Sorbitol (Nitrato de Potássio/Sorbitol) na proporção de 65/35 em massa (oxidante/combustível).

Selecionamos o sorbitol como componente combustível na formulação KN-Sorbitol 65/35 após cuidadosa análise e pesquisa aprofundada. Priorizamos a segurança e a facilidade de fabricação em relação a outros combustíveis à base de açúcar previamente avaliados, como sacarose e dextrose, demonstrando a experiência da nossa equipe na seleção de propelentes.

Inicialmente, avaliamos a dextrose. Embora seja mais fácil de manusear do que alguns outros açúcares, apresentou uma taxa de queima moderada que, em determinadas condições, poderia resultar em pressões elevadas na câmara. Essas pressões levantaram preocupações quanto à integridade estrutural do motor e implicaram a necessidade de um projeto mais robusto e, consequentemente, mais pesado.

Também consideramos a sacarose. No entanto, ela apresentou desafios significativos de processamento devido à sua tendência de caramelizar rapidamente a temperaturas relativamente baixas. Esse comportamento dificultou o controle dos processos de mistura e moldagem, além de introduzir imprevisibilidade nas suas características de combustão. Por esses motivos, a sacarose foi descartada.

Por fim, selecionamos o sorbitol como combustível preferencial devido a várias vantagens: é mais fácil de processar, pois não carameliza tão rapidamente, ao contrário da sacarose e da dextrose, permitindo um processo de aquecimento mais seguro e com maior tempo de trabalho; além disso, espera-se que proporcione uma taxa de queima mais lenta e consistente, ajudando a evitar picos excessivos de pressão na câmara de combustão e resultando em um impulso total mais elevado.

A Tabela 1 apresenta as propriedades físicas e termoquímicas da formulação KNSB-65/35. Essas informações baseiam-se em pesquisas publicadas por Richard Nakka, complementadas com dados obtidos a partir de testes experimentais realizados pela nossa equipe.

Propelente KNSB-65/35

Além dessas propriedades fundamentais, a taxa de queima do propelente é um fator crítico diretamente relacionado ao desempenho dinâmico do motor. A subseção a seguir descreve o comportamento de combustão e a metodologia utilizada para sua caracterização.

Taxa de queima e Lei de Saint Robert

A taxa de queima (r) é uma propriedade fundamental dos propelentes sólidos, que define a velocidade com que a superfície do propelente recua durante a combustão, gerando gases. Este parâmetro é diretamente proporcional à vazão mássica dos gases de combustão e, portanto, ao empuxo que o motor de foguete pode gerar.

Os engenheiros descrevem comumente a relação entre a taxa de queima e a pressão na câmara por meio da Lei de Saint Robert, também conhecida como lei de potência ou Lei de Vieille:

Onde:

• r é a taxa de queima do propelente

• P é a pressão absoluta na câmara de combustão

• a é o coeficiente de taxa de queima

n é o expoente de pressão, ou expoente de taxa de queima

Os valores de a e n são específicos de cada formulação de propelente e devem ser determinados experimentalmente. Para o propelente KN-Sorbitol 65/35, esses parâmetros não são constantes em toda a faixa de pressão de operação, mas variam conforme o regime de pressão. Essa variação ocorre devido a mudanças nos mecanismos de combustão do propelente sob diferentes condições de pressão.

A tabela abaixo resume os valores de a e n determinados experimentalmente para o propelente estudado:

Taxa de queima do propelente KN-Sorbitol 65/35 O/F

Processo de cura do grão

A fabricação do propelente KNSB-65/35 começa com a preparação do pó: pesamos nitrato de potássio (KN) e sorbitol (SB) de acordo com a proporção em massa de 65/35. O KN é finamente moído, aproximadamente 15 segundos para duas colheres de sopa. Ao mesmo tempo, o SB é utilizado na sua forma granulada original, seguindo as recomendações de Richard Nakka para melhor controle da viscosidade da mistura fundida. Ambos os componentes são misturados a seco por no mínimo 3 horas para garantir uma composição uniforme.

O processo experimental de aquecimento começa aquecendo metade da mistura seca a 125 °C. A temperatura é então aumentada para 130 °C por 3 a 4 minutos para acelerar o processo de fusão, sendo posteriormente reduzida novamente para 125 °C assim que a fusão se inicia, após aproximadamente 5 a 6 minutos. Quando a primeira metade está completamente fundida, adiciona-se o restante da mistura seca, concluindo o processo de fusão em cerca de 12 minutos.

Em comparação com o procedimento base de Nakka, 110 °C por 10 minutos, nosso processo utilizou temperaturas ligeiramente mais elevadas, entre 125 e 130 °C. No entanto, não foi observada degradação visível, como descoloração ou carbonização, o que indica um bom controle térmico durante o processo de cura.

Em conclusão, o processo de cura do grão foi bem-sucedido, resultando na fusão completa da mistura KNSB sem sinais aparentes de degradação. Embora as temperaturas de processamento tenham sido ligeiramente superiores às propostas por Nakka, não foram identificados efeitos adversos imediatos.

Moldagem e solidificação do grão

Um dos principais desafios encontrados durante o processo de produção foi a desmoldagem do propelente solidificado. Esta etapa consiste em remover o núcleo do grão sem deformá-lo ou danificá-lo, mantendo sua integridade estrutural, especialmente evitando fissuras que possam comprometer o desempenho da combustão.

Diversos testes foram realizados durante o desenvolvimento para otimizar esse processo. As estratégias iniciais incluíram o uso de agentes desmoldantes, como graxas, aplicados ao núcleo para facilitar a extração após a solidificação. Embora esse método tenha reduzido o atrito até certo ponto, apresentou desvantagens significativas, como resíduos na superfície do grão, falta de uniformidade e possível interferência na ignição ou combustão.

Paralelamente, avaliamos diferentes materiais para os núcleos, a fim de analisar seu desempenho na desmoldagem. Testamos núcleos de alumínio, aço inoxidável e Teflon (PTFE).

Entre esses, o Teflon apresentou os melhores resultados em termos de desmoldagem limpa e sem aderência. Atribuímos esse desempenho ao seu baixo coeficiente de atrito e à baixa energia superficial, que reduzem a adesão entre o propelente e o molde. Em contraste, tanto o alumínio quanto o aço inoxidável apresentaram maior aderência e exigiram maior força de extração, aumentando o risco de fratura do grão.

Além da escolha do material, investigamos o efeito da introdução de uma leve conicidade no núcleo. A lógica dessa modificação geométrica é reduzir as forças de atrito tangenciais geradas entre o grão e as paredes do núcleo durante a extração. Teoricamente, a introdução de um ângulo de saída converte parte da força axial de extração em um componente radial, facilitando o deslizamento.

Otimizamos esse ângulo com base em critérios geométricos e tribológicos. A literatura sugere que ângulos entre 1° e 3° são eficazes para moldes cilíndricos de precisão. Após várias iterações, determinamos experimentalmente que um ângulo de aproximadamente 2° oferece o melhor equilíbrio entre facilidade de extração e estabilidade dimensional do grão, mantendo uma geometria adequada para configurações de combustão interna.

Como resultado dessa pesquisa, o procedimento final adotado pela nossa equipe consiste em:

• Utilizar núcleos de Teflon usinados com uma conicidade interna de 2° em relação ao eixo longitudinal.

• Aplicar pressão axial uniforme e suave durante a desmoldagem, sem o uso de lubrificantes ou agentes químicos, evitando assim a contaminação da superfície do grão.

• Permitir um resfriamento controlado do propelente antes da desmoldagem para prevenir tensões internas ou fissuras causadas por contração.

Este procedimento otimizado não apenas melhorou a eficiência da desmoldagem, mas também reduziu significativamente a taxa de falhas por fratura do grão, aumentando sua durabilidade e a repetibilidade do processo de fabricação.

Sistema de medição de pressão

Para caracterizar o desempenho do motor de foguete durante o teste estático, implementamos um sistema robusto para medir a pressão no interior da câmara de combustão. Este sistema combinou instrumentação analógica e digital para garantir aquisição de dados precisa e confiável.

A medição principal de pressão foi realizada com um manômetro analógico conectado diretamente à câmara de combustão do motor. Este instrumento forneceu leituras visuais em tempo real da pressão durante o teste, permitindo uma avaliação imediata do comportamento do motor.

Paralelamente, integramos um sensor de pressão TE Connectivity M320D ao sistema para aquisição digital de dados. Este transdutor de pressão está conectado a um circuito de condicionamento de sinal, projetado para adaptar a saída do sensor aos requisitos de entrada do sistema de aquisição de dados. O sinal condicionado foi então encaminhado para a unidade central de aquisição, permitindo monitoramento em tempo real e registro contínuo da pressão na câmara ao longo do teste.

Dispositivo Dewesoft SIRIUSi

Quanto ao sistema de aquisição de dados, utilizamos um SIRIUSi-XHS-8xACC, empregando um dos seus seis canais disponíveis para conectar o sensor de pressão e registrar as medições correspondentes. Este sistema inclui o software DewesoftX para aquisição e processamento de sinais.

Reduzimos a taxa de aquisição de dados de 20.000 Hz para 1.000 Hz, o que diminuiu significativamente o volume de dados exportados e facilitou o pós-processamento e a análise.

Configuramos múltiplas visualizações de saída, incluindo dois registradores com as seguintes definições:

• O primeiro registrador exibia o sinal medido bruto, com eixo y em escala automática mostrando a pressão em bar.

• O segundo exibia um sinal suavizado e médio, proporcionando uma representação mais precisa ao reduzir o ruído na visualização.

Além disso, adicionamos um mostrador analógico do tipo manômetro, simulando o instrumento físico utilizado no local do teste e conectado ao mesmo sensor de pressão. Essa adição mostrou-se particularmente útil nas gravações em vídeo, pois evidenciava claramente a pressão atingida em tempo real. Em contraste, o sensor digital possuía um limite de medição de 50 bar, o que restringia a representação da evolução da pressão acima desse valor.

Descrição e funcionamento do ignitor

O ignitor utilizado consiste em um fio resistivo revestido com uma pequena quantidade de pólvora negra e isolado com papel protetor. Conectamos este elemento resistivo por meio de dois cabos longos a uma bateria externa, que cumpre uma dupla função. Ao pressionar o botão vermelho, alimenta o fio resistivo no momento desejado de ignição. Além disso, fornece energia contínua ao sensor de pressão.

Quando a bateria portátil é ativada e o botão vermelho é pressionado, ocorre um curto-circuito no fio resistivo, gerando uma pequena faísca. Essa faísca inflama o revestimento de pólvora negra, produzindo uma pequena explosão que inicia a combustão dos grãos de propelente.

O ignitor é posicionado na extremidade traseira da câmara de combustão, inserido através do bocal, o único ponto acessível. Ele é colocado o mais próximo possível do fechamento da câmara, de modo que o grão mais distante do bocal seja o primeiro a inflamar.

Essa configuração faz com que os gases de combustão percorram a câmara em vez de saírem diretamente pelo bocal, promovendo a ignição progressiva dos demais grãos, em vez de uma ignição simultânea, que seria ideal, mas não é possível com a configuração atual.

Por razões de segurança, o botão de ignição é operado manualmente por uma pessoa posicionada a uma distância segura da área de teste.

Procedimento de calibração do sensor

Antes da ignição, realizamos um procedimento de calibração do sensor de pressão para verificar se o sistema estava recebendo e registrando corretamente os dados de pressão. A configuração de calibração envolveu alimentar o sensor com uma fonte de energia externa, seguindo o esquema de ligação apresentado no diagrama do sistema. Simultaneamente, conectamos o cabo de sinal à unidade de aquisição Dewesoft SIRIUSi.

As figuras a seguir ilustram a configuração implementada para este teste no ambiente do software Dewesoft.

Configuramos dois canais matemáticos, cada um representado por um mostrador digital, para exibir o valor máximo de pressão e o tempo correspondente em que ele ocorre desde o início da gravação dos dados. A Figura 9 mostra a configuração aplicada.

A entrada de pressão do sensor, inserida através do fechamento da câmara de combustão, foi conectada a um dispositivo manual de calibração de pressão, que permitia a aplicação de pressão controlada em incrementos de bar.

O objetivo principal da calibração foi confirmar que os dados registrados eram consistentes e coerentes com a pressão real aplicada, conforme indicado pelo dispositivo de referência. Utilizamos vários níveis de pressão controlada para testar o sistema:

Para cada nível de pressão, registramos tanto o valor do sinal bruto quanto o valor médio suavizado correspondente. Essa abordagem de medição dupla permitiu a detecção imediata de possíveis anomalias ou instabilidades no sinal. Em todos os casos, verificamos que as leituras eram altamente consistentes com a pressão aplicada, e os valores médios corresponderam de perto aos valores reais de entrada, confirmando o correto funcionamento do sensor e a integridade do sistema.

Observamos pequenas quedas de pressão em cada etapa devido a perdas internas no sistema de calibração. Tanto o manômetro analógico integrado ao sensor de pressão quanto o sistema de aquisição de dados refletiram essas quedas simultaneamente.

A seguir, uma imagem que mostra a configuração completa de calibração, com todos os componentes devidamente conectados e o sistema pronto para teste:

Objetivo do teste

O objetivo principal deste teste foi iniciar o estudo de um novo propelente sólido à base de sorbitol destinado ao uso no foguete NAOS EVO, um futuro veículo lançador desenvolvido pela associação Coheteros. Paralelamente, o teste também teve como objetivo colocar em operação e validar o sistema de aquisição de dados Dewesoft SIRIUSi recentemente adquirido. Esta tarefa representou um desafio significativo, já que a equipe não possuía experiência prévia na operação desse tipo de equipamento.

Devido à novidade do propelente à base de sorbitol, o teste envolveu considerável complexidade em todas as etapas do processo, desde a formulação e fabricação cuidadosa dos grãos de propelente até a fase de ignição, na qual avaliamos a eficácia da preparação.

Antes da ignição estática, realizamos uma série de simulações utilizando o HERMES, o simulador de desempenho de motores desenvolvido internamente pela associação. Essas simulações foram fundamentais para garantir a segurança e a viabilidade do teste. Elas permitiram controlar parâmetros-chave, como a pressão esperada na câmara e os níveis de empuxo, além de auxiliar na definição da configuração ideal dos grãos para um desempenho estável e previsível.

As simulações previram os seguintes principais parâmetros de desempenho:

• Duração da combustão e perfil temporal do empuxo

• Pressão máxima na câmara

• Impulso total

Pressão simulada na câmara (Gráfico 2A)

A simulação prevê uma pressão máxima na câmara de aproximadamente 7 MPa, mantida por cerca de 0,6 segundos antes de diminuir gradualmente. A pressão cai significativamente após 1 segundo e retorna aos níveis atmosféricos por volta de 1,5 segundos. Essa curva de pressão indica uma fase de combustão estável seguida por um decaimento controlado, o que está de acordo com o esperado para essa formulação de propelente.

Perfil de empuxo simulado

A simulação de empuxo mostra um empuxo máximo de aproximadamente 125 kg, atingido pouco após a ignição e mantido por cerca de 0,5 segundos. Em seguida, o empuxo começa a diminuir de forma suave e contínua, aproximando-se de zero por volta de 1,5 segundos. A simulação inclui uma comparação com uma curva de referência, Richard Nakka, mostrando boa concordância em termos de empuxo máximo e duração da combustão. Essa concordância indica que a configuração dos grãos e o comportamento do propelente correspondem bem a referências consolidadas de desempenho.

Essas simulações forneceram informações essenciais para definir limites operacionais seguros e estabelecer expectativas, contribuindo significativamente para uma campanha de testes controlada e bem-sucedida.

Resultados e discussão

Pressão na câmara, real vs. simulada

O gráfico apresentado na Figura 16 mostra os dados de pressão na câmara em tempo real, capturados pelo sensor durante o teste de ignição estática do motor NAOS EVO.

Comparado ao perfil de pressão simulado, que previa um pico de aproximadamente 7 MPa mantido por 0,6 segundos, os dados reais apresentam as seguintes características principais:

• A pressurização inicial começa cerca de 0,45 segundos após a ignição, com um aumento acentuado e contínuo da pressão.

• Observa-se um primeiro platô em torno de 6,1 MPa entre 0,9 s e 1,1 s, seguido por um segundo aumento de pressão, atingindo aproximadamente 7,2 MPa por volta de 1,35 s, ligeiramente acima do valor previsto.

• Após o pico, a pressão diminui rapidamente, com uma queda acentuada até cerca de 1,7 segundos, seguida por uma redução mais gradual até condições próximas ao ambiente.

• Algumas irregularidades e oscilações são visíveis na região do pico, possivelmente devido a instabilidades na combustão ou efeitos transitórios durante a regressão do grão e o escoamento no bocal.

Essas diferenças em relação ao perfil simulado, especialmente o duplo pico de pressão, podem ser atribuídas a:

• Pequenas variações na geometria do grão ou na evolução da superfície de combustão.

• Diferenças locais na taxa de queima devido à distribuição não uniforme do sorbitol ou à presença de vazios.

• Ruído de medição ou reflexões de sinal, embora o processo de calibração tenha confirmado previamente a precisão do sensor.

Apesar dessas variações, a forma geral e a duração da fase de combustão correspondem de perto à simulação, confirmando a validade do modelo utilizado no HERMES. Os resultados também indicam uma ignição bem-sucedida e operação estável do motor, atingindo com segurança a pressão de projeto.

Empuxo, real vs. simulado

Os dados de empuxo foram obtidos utilizando uma célula de carga conectada a um sistema de aquisição de dados independente, separado do Dewesoft SIRIUSi. Embora útil para uma estimativa geral do desempenho do motor, esse sistema possui menor precisão e resolução em comparação com o sistema principal de aquisição de pressão, sendo considerado de importância secundária neste estudo.

Inspeção pós-teste

Realizamos uma inspeção detalhada após o teste para avaliar o estado do conjunto da câmara de combustão, incluindo o sistema de fechamento e o bocal. As imagens a seguir documentam a condição dos componentes após a ignição.

Os resultados mostram que tanto a câmara quanto seus componentes estruturais permanecem em excelente estado e são totalmente reutilizáveis para futuras campanhas de teste. Não foram observados danos significativos nem deformações.

A única alteração perceptível ocorreu na garganta do bocal. Nessa região, detectamos uma leve redução de diâmetro, da ordem de milímetros. Atribuímos essa erosão à ablação do material causada pela exposição a temperaturas extremamente elevadas, estimadas em aproximadamente 1600 K durante o pico da combustão.

Além disso, os anéis de vedação de borracha, as bandas pretas, permaneceram intactos e sem danos, mantendo sua elasticidade e função de vedação. Ao mesmo tempo, o espaçador interno de madeira, utilizado para reduzir o volume da câmara, manteve suas dimensões originais e não apresentou sinais de deformação ou carbonização.

De forma geral, a câmara demonstrou elevada integridade estrutural e resistência térmica, e espera-se que suporte múltiplos ensaios futuros sem necessidade de recondicionamento significativo.

Conclusões e trabalhos futuros

Em resumo, o teste foi um sucesso completo, não apenas por ter alcançado a maior pressão de câmara já registrada na história dos Coheteros, mas também pela aquisição de dados sem falhas proporcionada pelo equipamento Dewesoft. O software demonstrou ser fácil de usar e ofereceu uma ampla gama de visualizações personalizáveis, o que melhorou significativamente nossa capacidade de análise dos dados coletados.

Alguns problemas foram identificados durante a fabricação dos grãos de propelente, principalmente a presença de pequenas fissuras formadas durante a etapa de desmoldagem. Essas fissuras, responsáveis por aproximadamente 99% da sobrepressão observada na câmara de combustão, aumentaram a área de queima e causaram uma combustão descontrolada, desviando os resultados das simulações ideais.

Por isso, implementaremos melhorias no processo de fabricação dos grãos, com foco no desenvolvimento de novas técnicas de desmoldagem. Entre as soluções propostas está o uso de fita não aderente no pistão para facilitar a extração, especialmente em grãos cilíndricos. Além disso, já iniciamos um plano de pesquisa dedicado à melhoria do processo de fabricação.

Este teste de ignição foi o primeiro de muitos planejados. O plano de testes para o propelente à base de sorbitol continuará em paralelo com as melhorias de fabricação, com o objetivo de alcançar melhorias contínuas de desempenho e máxima eficiência ao longo do tempo.

Além disso, para aproveitar plenamente as capacidades do sistema de aquisição de dados, a maior parte do departamento de propulsão focará na realização de simulações offline. Isso permitirá análises mais detalhadas e capacidades avançadas de pós-processamento, indo além do que foi possível alcançar nos testes iniciais.