EFEITO DA ADIÇÃO DE ALUMÍNIO NO DESEMPENHO TEÓRICO DE PROPELENTES PARA FOGUETES A BASE DE NITRATO DE POTÁSSIO E AÇÚCAR

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Química Tecnológica

Autores

Baldissera, R. (UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL) ; de Oliveira, M. (UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL) ; Poletto, M. (UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL) ; Severo, T.C. (UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL)

Resumo

Propelentes sólidos para o uso de foguetes amadores deve considerar, além de elevados impulsos específicos, os fatores de segurança, já que os compostos utilizados são explosivos. A utilização de softwares de simulações, constitui um passo importante para a compreensão de certas variáveis envolvidas, tais como impulso específico, velocidade de exaustão e temperatura de combustão. O objetivo deste trabalho é prever o desempenho teórico de propelentes a base de nitrato de potássio e açúcar com adição de diferentes teores de alumínio utilizando o software ProPEP 3. Os resultados das simulações demonstraram que a adição de alumínio ocasiona aumento do impulso específico e da velocidade de exaustão dos gases ocasionando melhor desempenho dos propelentes.

Palavras chaves

Propelente Sólido; Foguetes; Alumínio

Introdução

Um propelente muito utilizado em foguetes amadores é conhecido como KNSu e é produzido pela combinação de uma mistura de 65% em massa de nitrato de potássio e 35% em massa de sacarose (BALDISSERA et al, 2016). Os componentes para produção do combustível são de fácil obtenção e este propelente produz um impulso específico relativamente elevado (KUMAR et al., 2015; FOLTRAN et al., 2015). Em resumo, a sacarose (açúcar) atua como combustível, enquanto que o nitrato de potássio age como oxidante (KUMAR et al., 2015). A melhora no desempenho do propelente convencional a base de KNSu pode ser obtida através da inserção de aditivos como é o caso de micro e nanopartículas de alumínio (KUMAR et al., 2015). O pó de alumínio é um aditivo usado em propelentes de foguetes sólidos, pois geralmente ocasiona o aumento do impulso resultante sobre o motor do foguete (POURPOINT et al., 2012). O objetivo deste trabalho é prever o desempenho de um motor de foguete que utiliza como propelente sólido uma mistura de KNSu e alumínio.

Material e métodos

A massa de propelente utilizada em cada simulação foi de 100g. As formulações foram desenvolvidas utilizando 2,5%, 5%, 7,5% e 10% em massa de alumínio, mantendo a proporção de 65% em massa de nitrato de potássio e 35% em massa de açúcar, que constitui a base do KNSu. Os parâmetros teóricos obtidos para a queima do propelente foram encontrados utilizando o software ProPEP 3 (Propellant Performance Evaluation Program) versão 1.0.3. Adotou-se como parâmetro teórico uma pressão na câmera do motor igual a 1000 psi. Além disso, considerou-se que os produtos gerados com a combustão do propelente são homogêneos, os gases provenientes da combustão obedecem à lei dos gases ideias, a razão do calor específico (Cp/Cv) dos gases é constante em todo o motor, nenhum calor é trocado através da parede do motor e o fluxo de calor é adiabático, o impulso produzido é constante ao longo da combustão e a variação da temperatura e da pressão é somente axial, portanto o fluxo no bocal de saída do foguete ocorre em apenas uma dimensão (KUMAR et al., 2015).

Resultado e discussão

A Tabela 1 apresenta os parâmetros teóricos obtidos através da simulação do propelente constituído pelo KNSu, juntamente com as porcentagens em massa de 2,5%, 5%, 7,5% e 10% de alumínio em pó. De acordo com a literatura, a temperatura de combustão para o KNSu é de 1720K, enquanto que o impulso específico é de 130s e a velocidade de exaustão dos gases chega a 950m/s (NAKKA, 1999). Os valores obtidos com a simulação para o KNSu são semelhantes aos encontrados na literatura (NAKKA, 1999; OLAOYE et al., 2014). Os resultados demonstraram que a inserção de alumínio acarreta no aumento de todas as propriedades avaliadas. A temperatura de combustão na câmara do motor para a amostra com a inserção de 10% em massa de alumínio apresentou um aumento de, aproximadamente, 20% quando comparado ao KNSu. Este resultado indica que a queima do alumínio aumenta a liberação de calor o que ressalta a necessidade de avaliar melhor a espessura da câmara do motor para que esta possa suportar a queima do propelente com alumínio. A velocidade de exaustão característica e o impulso específico são dois parâmetros utilizadas para comparar a performance de diferentes sistemas de propulsão para foguetes (NAKKA, 1999). O impulso específico aumenta gradualmente com a adição de alumínio, como pode ser observado na Figura 1, demonstrando que inserção do metal acarretará em maior alcance do foguete. A formulação com 10% em massa de alumínio apresentou um impulso específico 14% superior ao KNSu,tradicionalmente utilizado. A velocidade de exaustão pode ser relacionada com a eficiência da combustão na câmara do motor. Com a adição gradual de alumínio a velocidade de exaustão do propelente com 10% em massa de alumínio, aproximadamente, 15% superior ao KNSu, corroborando os resultados do impulso específico.

Impulso específico das formulações avaliadas.


Parâmetros de desempenho teórico dos propelentes avaliados

Conclusões

Os resultados das simulações demonstraram que a adição de alumínio acarreta no aumento de, aproximadamente, 15% tanto do impulso específico, quanto da velocidade de exaustão dos gases para a formulação com 10% em massa de alumínio quando comparado ao KNSu sem a adição de alumínio, que é utilizado em foguetes amadores. Contudo, a temperatura de combustão na câmara do motor aumentou em torno de 20% o que indica que a queima dos propelentes com adição de alumínio libera maior quantidade de energia que o KNSu.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Universidade de Caxias do Sul (UCS) por apoiar esse projeto de pesquisa.

Referências

BALDISSERA, R.; SOARES, D. M.; GEDOZ, T. B. ; MORELATTO, T.; POLLETO, M.; SEVERO, T. C. Evaluation of rocket propulsion performance using potassium nitrate/sucrose and aluminum/ice as propellants. Journal of Basic and Applied Research International, v. 19, p. 152-156, 2016.

FOLTRAN, A.C.; MORO, D.F.; da SILVA N.D.P.; FERREIRA, A.E.G.; ARAKI, L.K.; MARCHI, C.H. Burning rate measurement of KNSu propellant obtained by mechanical press. Journal of Aerospace Technology and Management. 2015, v. 7, n. 2, p. 193-199.

KUMAR, M.P; PALEKAR, S.G. Design and performance analysis of aluminized sugar aided rocket propulsion using MATLAB. International Journal of Science and Research. 2015, v. 4, n. 10, p. 624-627.

NAKKA, R. KN-Sucrose propellant chemistry and performance characteristics. Richard Nakka's Experimental Rocketry Web Site. 1999.
OLAOYE, O.S.; ABUDULHAFEEZ, O.A. Design and performance characteristics of a rocket using potassium nitrate and sucrose as propellants. International Journal of Science and Research. 2014, v. 3, n.8, p. 1892- 1897.

POURPOINT, T. L. ; WOOD, T. D. ; PFEIL, M. A. ; TSOHAS, J; SON, S. F. Feasibility study and demonstration of an aluminium and ice solid propellant. International Journal of Aerospace Engineering. 2012.