Um motor de foguete híbrido utiliza componentes sólidos e líquidos para gerar calor em uma câmara de combustão. À medida que o calor e a pressão aumentam na câmara de combustão, o escapamento subsequente é expelido pela parte traseira do veículo, gerando empuxo. Os motores tradicionais são classificados em motores líquidos (usam componentes líquidos apenas), ou sólidos, quando usam uma massa sólida que inclui combustível e oxidante.
O conceito geral para o desempenho do motor de foguete é um hidrocarboneto, que produz qualquer valor de entalpia maior que zero, aumentará sua produção de energia com a introdução de um oxidante. Um exemplo familiar é quando alguém faz uma fogueira e depois abana o fogo para introduzir oxigênio na combustão, aumentando assim a intensidade do fogo. Para foguetes híbridos, um componente do par de combustão é líquido e o outro componente é sólido. Um motor híbrido tradicional utiliza um hidrocarboneto sólido e um oxidante líquido.
As vantagens dos foguetes híbridos são maior segurança, menor custo e procedimentos de abastecimento simplificados. O processo de combustão em um motor híbrido à medida que o oxigênio líquido (LOX) viaja pelo sistema e reage com, por exemplo, uma resina de polibutadieno terminada em hidroxila (HTPB) dentro da câmara de combustão.
A teoria geral de desempenho de foguetes
Fundamental para o desempenho dos motores de foguete é a pressão, mais especificamente a relação entre as pressões e o calor no cálculo do desempenho teórico de um foguete. O princípio geral por trás do movimento de um foguete é que ele pode se deslocar verticalmente para longe do solo ejetando massa e energia na direção oposta da trajetória. Ao projetar um motor de foguete, o gás criado dentro da câmara de combustão buscará um estado de equilíbrio, mesmo os pequenos modelos de motores seguem esse princípio. À medida que a diferença entre os gases aumenta entre a câmara de combustão e a atmosfera externa, o gás de alta pressão dentro da câmara de combustão irá acelerar e fluir para a baixa pressão da atmosfera.
O desejo de um gás de buscar o equilíbrio é definido através da Equação de Estado:
P*V = R*T
Nesta equação, P é a pressão, R é a constante do gás, V é o volume e T é a temperatura.
Agora pode-se considerar as forças que permitem o empuxo em um foguete. As equações gerais de empuxo são derivadas da segunda lei de Newton. Para fins de compreensão da força que atua sobre um veículo, os projetistas de motores podem utilizar a seguinte equação de empuxo:
F = (Ṁ * Ve)-(Ṁ*Vt)+∆P*Ae
Aqui, F é a força em Newtons, P é a pressão em bar na garganta do bocal, Ṁ (M ponto) é a taxa de fluxo de massa em gramas por segundo, Pe é a pressão em bar na parte traseira da câmara de combustão, V é a velocidade em metros por segundo e Ae é a área em cm na saída do bocal. Através da equação geral do empuxo é possível calcular como controlar a pressão dentro da câmara de combustão pelo aumento da temperatura . Quanto mais rápido o gás se move, mais força pode-se levantar da Terra. Então, entra em questão como um foguete pode aumentar a velocidade do escapamento. A reorganização da equação de estado anterior permite que se entenda como o aumento das temperaturas dentro da câmara de combustão pode aumentar a velocidade geral de sua criação.
T = P*V / R
Quando a equação de estado resolve a temperatura, fica claro que, para aumentar a velocidade do escapamento, os projetistas precisam aumentar a temperatura geral dentro da câmara de combustão.
Oxidante: Implementação de Oxidantes Comerciais
Considere-se o oxigenio líquido LOX como o oxidante primário para simplificar. O LOX é um oxidante barato, mas exige que os operadores de lançamento entendam o manuseio seguro desse material criogênico. Pode-se obter LOX de um varejista ou comprando um condensador de O2 industrial. O contêiner de LOX geralmente é feito de aço inoxidável ou fibra de carbono composta. A fibra de carbono está facilmente disponível e há uma curva de aprendizado muito pequena para trabalhar com o material, o que o torna ideal para amadores, por exemplo. Não importa qual material seja escolhido, ele deve fornecer a robustez necessária para conter o LOX nas pressões operacionais enquanto reduz o peso total do veículo.
Os tanques de oxidante devem começar a abastecer assim que o foguete for colocado na plataforma de lançamento e orientado na direção do vôo. Um dos benefícios do LOX é que ele ferve a uma temperatura amena de 90,19 K (-147,4 °C) a 101,325 kPa (nível do mar). À medida que o LOX evapora e a pressurização desejada é alcançada, o núcleo de combustível sólido é inflamado. Nesta fase, a temperatura do núcleo de combustível é de aproximadamente 600 graus Celsius.
Outros gases inertes, como o hélio, podem ajudar a pressurizar o tanque de LOX. O recipiente do oxidante também deve ter uma válvula de ventilação para evitar o excesso de pressurização.
Uma vez que o oxidante é abastecido no foguete, uma válvula se abre para que o oxidante flua para a linha de alimentação do Oxidante.
Conjunto do Injetor do Oxidante: Bomba / Injeção do Oxidante Redemoinho
A Linha de Alimentação Axial consiste em uma tubulação, uma turbobomba e um bico injetor.
À medida que a válvula do recipiente de LOX é aberta, este flui em direção à turbobomba que o pressuriza antes da injeção. Dependendo dos requisitos de desempenho desejado, uma bomba turbo pode não ser necessária se o recipiente do oxidante puder manter a pressão necessária para injetar o oxidante na câmara de combustão.
Em seguida, o LOX passará pelo bico de injeção. O bico injetor deve ser projetado para atender as relações combustivel/oxidante corretas para as fontes de combustão escolhidas. A pesquisa atual indica que os injetores de tipos de fluxo de oxidação em redemoinho (SOFT) podem aumentar o desempenho da combustão normalizando as taxas de combustivel/oxidante e fornecendo taxas de regressão consistentes do núcleo de combustível sólido.
Núcleo de Combustível Sólido: Tipo de Combustível
À medida que o LOX entra na câmara, ele interage com a combustão na superfície do núcleo do combustível. A geometria do núcleo desse combustível é importante, consistindo em uma haste de hidrocarboneto com o mesmo diâmetro do veículo e um orifício em todo o comprimento. Uma forma cilíndrica é vital porque evita que a força axial atue sobre o gás. O centro oco do núcleo cria a câmara de combustão.
Ao escolher um núcleo de combustível, qualquer material que queime pode ser usado. Alguns materiais de núcleo populares incluem cera de parafina, hexamina e HTPB devido à sua alta densidade de energia e baixo peso. O HTPB oferece uma vantagem adicional de fabricação. Como a resina HTPB cura como um sólido, os fabricantes de foguetes podem despejar a resina em um molde de qualquer geometria especificada para melhorar o desempenho dos motores. A taxa na qual o combustível desaparece devido à combustão é conhecida como taxa de regressão. À medida que a regressão continua e a câmara de combustão cresce, a pressão dentro do foguete diminui. Mas essa queda de desempenho pode ser mitigada aumentando a taxa de fluxo do oxidante.
Os fatores de segurança na propulsão de foguete híbrido incluem:
Falhas no vaso de pressão – A falha no isolamento da câmara pode permitir gases de combustão quentes próximos às paredes da câmara, levando a uma “queima” na qual o vaso se rompe.
Retorno – Para oxidantes que se decompõem exotermicamente, como óxido nitroso ou peróxido de hidrogênio, chamas ou gases quentes da câmara de combustão podem se propagar de volta pelo injetor, acendendo o oxidante e levando à explosão do tanque. O ‘blow-back’ requer que os gases fluam de volta através do injetor devido à queda de pressão insuficiente que pode ocorrer durante períodos de combustão instável. O retorno é inerente a oxidantes específicos e não é possível com oxidantes como oxigênio líquido ou tetróxido de nitrogênio, a menos que haja combustível no tanque de oxidante.
Ignições difíceis – Um excesso de oxidante na câmara de combustão antes da ignição, particularmente para monopropelentes como o óxido nitroso, pode resultar em uma sobrepressão temporária ou “pico” na ignição.
CONTRIBUA ATRAVÉS DO PIX DO HOMEM DO ESPAÇO: homemdoespacobr@gmail.com
Conheça mais sobre exploração espacial no Curso Introdutório de História e Fundamentos da Astronáutica
Curso de Introdução à Astronáutica
Compre os e-books da Biblioteca Espacial Brasileira:
BIBLIOTECA ESPACIAL
E-book Estações Espaciais Volume I
E-book Estações Espaciais Volume II
E-book Naves Espaciais Tripuladas
E-book Compêndio da missão EMM-1 dos Emirados a Marte
E-book Compêndio Satélites Militares
HOMEM DO ESPAÇO 