Aula 5b Propelentes Profa. Jane Gregorio-Hetem & Prof. Annibal Hetem AGA0521 Manobras Orbitais

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1 Aula 5b Propelentes Profa. Jane Gregorio-Hetem & Prof. Annibal Hetem AGA0521 Manobras Orbitais 1

2 TECNOLOGIAS ATUAIS DE PROPULSÃO ESPACIAL 2

3 Propelentes usuais 3

4 Principais combustíveis (+ LOX) Combustível Ve (m/s) m ox / m comb Tc ( C) d mistura (g/cm³) B 2 H B 5 H C 2 H C 2 H CH CH 4 /H / H H 2 -Be 49/ N 2 H RP-1 (querosene)

5 Propelentes Usuais 5

6 Manipulação da Hidrazina (carregamento no satélite) 6

7 Combustível sólido Propellant Ballistite Cordite (English) ATO (German) S.D. (French) AFU (French) Composition Nitrocellulose dissolved in ether and alcohol Nitrocellulose (51.5%), Nitroglycerine (43.0%), Plasticizer (1.0%), Other (4.5%) Nitrocellulose (56.5%), Nitroglycerine (28.0%), Plasticizer (4.5%), Dinitrotoluene (11.0%) Nitrocellulose (67.7%), Diethyl Guanidine (29.3%), miscellaneous (6.0%) Nitrocellulose (66%), Nitroglycerine (25.0%), Ethyl centralite (8%), miscellaneous (1.0%) Nitrocellulose (54.5%), Nitroglycerine (23.1%), Triacetin (18.1) Ethyl centralite (0.6%), miscellaneous (3.7%) Mass density [kg/m 3 ] Flame temperature [K] Molar mass [kg/kmol]

8 Space Shuttle Solid Rocket Booster Propelente: Perclorato de amonia (oxidante 69.6%) Aluminio (combustível 16%) Óxido de ferro (catalisador 0.4%) PBAN ou HTPB (polímeros 12.04%) Epoxy (1.96%) 46 km 12.5 MN 75 s 8

9 TECNOLOGIAS EM DESENVOLVIMENTO 9

10 Um único estágio Novos materiais. Motores muito eficientes. Sem perdas durante o lançamento. 10

11 SSTO Single Stage to Orbit H 2 : principal candidato a combustível Vantagens Isp = 450 s Excelente fluido refrigerante Boa razão massa de combustível / carga útil Desvantagens Pouco denso Criogênico (armazenagem, manipulação, isolação) Alta combustibilidade Alto coeficiente de expansão Um propelente mais denso 11

12 Motor de ciclo combinado Motor de Ciclo Combinado Aplicações do motor Lançamento de estágio único Vôos hipersônicos Características do motor Ciclo-combinado Opera dentro & fora da atmosfera Opera entre 0 < M < 25 com empuxo ~ 10 6 N 12

13 Motor de ciclo combinado 13

14 NOVOS COMBUSTÍVEIS ESPACIAIS 14

15 Novos Combustíveis: Etanol C 2 H 5 OH + 3 O 2 2 CO H 2 O + calor 15

16 Novos Combustíveis: Peróxido de Hidrogênio Decomposição via catálise 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 (650 o C) Catalisadores mais comuns: Dióxido de manganês Prata Platina H 2 O 2 16

17 Novos Combustíveis: Peróxido de Hidrogênio + Etanol 17

18 Spaceship One. Ensaio com o motor híbrido do Spaceship One. Esquema do motor híbrido do Spaceship One. N 2 O 18

19 Tecnologia de propulsão espacial PROGRESSOS RECENTES 19

20 Progressos recentes Novos foquetes químicos mais baratos (leves), seguros & green Combustíveis # Criogênicos # Sólidos # HCs & álcoois Arquitetura # Two-stage-to-orbit # One-stage-to-orbit Propulsão # Combined-cycle # Criogênicos # Nozzle adaptativo Progressos recentes Estruturas # Tanque de compósito # Case de compósito # Frame de compósito 20

21 Arquitetura Lançador de múltiplos estágios com 1 % de payload & parcialmente reutilizável. Foguete parcialmente reutilizável (STS). 21

22 Propostas atuais Massa total de 550 ton (76 % mais leve!) Payload 5% Estruturas 20% TSTO da Virgin (Spaceship one). Propelente 75% SSTO da Reaction Engines (SKYLON). Lançador de estágio único totalmente reutilizável & com 5 % de payload. 22

23 Propelentes sólidos Grãos atuais Basicamente, uma mixtura de vários elementos, com emissão de HCl (tóxico). Oxidante 22% degás tóxico! 6NH4ClO 4(s) 10Al(s) 5Al2O3(g) 6HCl (g) 3N2(g) 9H2O(g) Fuel Equação redox do SRB do Shuttle. μm Pó de alumínio. Motor foguete sólido. 23

24 Novos grãos Fuel # Mix of Al & Mg # Al nanoparticles # ALICE # SN Oxidante # AN ou AND # RDX ou HMX # CL20 Binder # PoliNiMMO # PolyGLYN # GAP C3H5N3O Fórmula química do GAP n Novos grãos nm Grãos mais energéticos, densos, elásticos, baratos, de alto I sp & menos tóxicos. Nano-esferas de Al. Mistura congelada de nal & água (ALICE). 24

25 Desempenho do fuel Al + Mg. Desempenho de propelentes com HMX. 25

26 Propelentes líquidos atuais Fuel # -253 o C Oxidante # RP-1 & RP-2 # Hidrazina Propelente líquido atual # -183 o C Basicamente, querosene (RPs), criogênicos (LH2) & hidrazina (hipergólico). Manuseio de hidrazina. 2H (l) O2(l) 2H2O(g) 2 Reação de redox do LH2/LOX. calor Propulsão com criogênicos. 26

27 Novos propelentes líquidos Fuel # HCs # Álcoois # nal addition Oxidante # H 2 O 2 New liquid propellant Peróxido de hidrogênio (oxidante). Green com alto I sp & calor de reação como o LOX-LH2, porém mais baratos. Álcoois: Metanol & etanol. Hidrocarbonetos (alcanos). 27

28 Desempenho de LOX com HCs & álcoois 28

29 Estruturas: materiais atuais Dry mass metálico com 10% da massa total antes do lançamento. Cases # p/ grãos Frames # Nose # Inter-stages # Payload fitting Tanques # p/ fuel # p/ oxidante Estruturas Motor # Chamber # Nozzle # Turbopumps Estruturas do VLS do DCTA. 29

30 Novos materiais Substituição de estruturas metálicas por compósitos para reduzir o dry mass. Fusão # Alto T de fusão Usinagem # Fácil (termoplastic) Custo # Competitivo # Alto E Resistência # Baixo ρ Leves Aerospace composites # Baixo q # Baixo α Térmica 30

31 Tanque criogênico de liga vs compósito. Envelope metálico vs compósito. 31