PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO E QUALIFICAÇÃO DO SISTEMA DE PARAQUEDAS DA PLATAFORMA SARA SUBORBITAL XII INIC / VIII EPG - UNIVAP 2009

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1 PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO E QUALIFICAÇÃO DO SISTEMA DE PARAQUEDAS DA PLATAFORMA SARA SUBORBITAL XII INIC / VIII EPG - UNIVAP 2009 Denis 1 G. V; Loures 2, L. E. V; Lízia 3 O. A. D. 1 IAE - Institututo de Aeronáutica e Espaço/ASE- Divisão de Sistemas Espaciais, Praça Mar Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, CEP , São José dos Campos SP, Brasil, denisgvieira@yahoo.com.br 2 IAE - Institututo de Aeronáutica e Espaço/ASE- Divisão de Sistemas Espaciais, Praça Mar Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, CEP , São José dos Campos SP, Brasil, loures@iae.cta.br 3 UNIVAP Universidade do Vale do Paraíba Avenida Shishima Hifumi, 2911, Urbanova, São José dos Campos SP Brasil , lizia@univap.br Resumo- O presente trabalho estabelece cálculos dimensionais dos paraquedas que constituirão o Subsistema de Recuperação do SARA Suborbital. O artigo consiste simulações estáticas e dinâmicas do sistema em vôo dos paraquedas e processos de qualificação do modelo de engenharia através de ensaios e testes. Palavras-chave: Subsistema, SARA Suborbital, Ensaio, Contêiner, Paraquedas. Área do Conhecimento: Engenharia Aeronáutica e Espaço. Introdução Para a realização de experimentos científicos e tecnológicos em ambiente de microgravidade vem sendo utilizado o mais diferente meio: torres de queda livre, aeronaves em vôo parabólico, foguete de sondagem e plataformas espaciais. É de concepção do Projeto SARA estabelecer o return-on-request, sendo inovador e realista para os usuários dos experimentos científicos e tecnológicos de pequeno porte, e para os propósitos e domínio tecnológico das instituições participantes. O SARA é definido como um satélite de pequenas dimensões, operando em órbita baixa, com capacidade de transportar experimentos científicos e/ou tecnológicos de microgravidade de pequeno porte que possam elucidar fenômenos que ocorrem no ambiente espacial na ausência aparente da atração gravitacional, sendo posteriormente conduzido a Terra, recuperado com amerrissagem na água a 100 km da cidade de Parnaíba (PI) e, reutilizado. No desenvolvimento do sistema, os maiores desafios estão relacionados com: Dinâmica de reentrada na atmosfera terrestre; Especificação, desenvolvimento e projeto do sistema de proteção térmica; Modelagem da aerotermodinâmica de reentrada; Projeto do sistema de recuperação em solo. O projeto SARA Suborbital consiste da utilização do veículo VS40/V03 como meio para ensaios em vôo suborbital da Plataforma Orbital Recuperável SARA. Tem massa máxima de 305 kg e atuará em vôo simulando características similares com objetivo de validar cálculos e testar equipamentos e subsistemas. Constitue-se de carenagem externa na forma de uma coifa estendia, comportando uma estrutura interna para recebimento das redes elétricas de serviços, telecomando, de segurança, de controle, um módulo de experimentação em ambiente de microgravidade ilustrado na Figura 1 a seguir. Figura 1 - Modelo do SARA Suborbital desenvolvido no Pro-E O conjunto VS40 / SARA Suborbital deverá ser lançado a partir do Centro de Lançamento de Alcântara. Com fins de redução de apoio logístico a trajetória de lançamento prevê alta elevação e 1

2 baixo azimute, com separação do SARA Suborbital. O resgate será feito com a utilização de dois helicópteros, sendo um destinado ao resgate e o outro a observação, apresentado na Figura 2. Figura 2 - Trajetória do SARA Suborbital. A Plataforma SARA Suborbital é subdividida em quatro subsistemas o Subsistema Estrutural, o Subsistema de Redes Elétricas, o Subsistema de Recuperação e o Subsistema do Módulo de Experimentação (MEXP). Os estudos levaram a uma configuração que considera o Subsistema de Recuperação (SR) formado por um paraquedas de arrasto denominado Blade Ribbon, muito utilizados em paraquedas de arrastos pelos USA, tem as funções de desacelerar a alta velocidade de reentrada estimada de 161,34 m/s da cápsula para 60 m/s, momento de extração dos dois paraquedas principais responsáveis por garantir diminuição da velocidade de impacto com a água à 10m/s. O subsistema também possui um Bloco de Separação, parte mecânica constituída de dois atuadores responsáveis pela abertura dos dois eventos e Contêiner com Tampa, ambos revestidos internamente por cortiça tem a função de proteger termicamente os componentes internos do subsistema no momento de reentrada da cápsula. O desenvolvimento do Subsistema de Recuperação é um processo complexo de caráter multidisciplinar em que várias áreas da engenharia, estão envolvidas. Dentre as áreas principais para o desenvolvimento, duas são o foco desta proposta: a área de Projeto e a área de Análise e Qualificação. Metodologia Estudos de trajetória foram elaborados para cálculos posteriores do dimensionamento dos paraquedas, cargas e análises estruturais dos componentes e chegou-se a ao seguintes perfil de missão: Figura 3 Perfil de missão da abertura dos paraquedas O Dimensionamento dos paraquedas para resistir as cargas atuantes no subsistema, foi realizado segundo os valores e parâmetros da tabela 1 a seguir nas condições do início da abertura dos paraquedas. Tabela 1 Valores e Parâmetros Parâmetros Valor Unid. Massa da cápsula (M c) 305 kg Altitude Inicial (H 0) 6100 m Velocidade Inicial dos pqds Princ. (V m) 60 m/s Coeficiente de Arrasto da Cápsula (C c) 0,25 - Altitude Inicial abertura pqds Principais (H P) 3600 m Pressão Dinâmica Inicial (q d) Pa Área Total dos pqds Principais (Sp 2) 80 m 2 Área do pqd Principal (Sp 1) 40 m 2 Coef. de Arrasto dos pqds Principais (C Dp) 0,65 - Coef. de arrasto do pqd Arrasto (C Dd) 0,46 - Densidade do ar à 6100 m (ρ d) 0,66 kg/m 3 Denisidade do ar à 4500 m (ρ p) 0,77 kg/m 3 Fator de Carga (G) 12 - Gravidade (g) 9,81 m/s 2 Com os dados acima levantados calculou-se o dimensionamento e as cargas máximas dos paraquedas de arrasto e principais de acordo com as seguintes equações: Velocidade da cápsula sem atuação do paraqueda de arrasto: A desaceleração máxima da cápsula com o paraquedas de arrasto acionado será: O cálculo da carga máxima de abertura do paraquedas de arrasto será: Área máxima do paraquedas de arrasto: 2

3 Área de arrasto necessária dos paraquedas principais O cálculo da área dos dois paraquedas principais tem a seguinte equação: O modelo gerado no Pro-E, obedeceu todas as dimensões proposta em engenharia de projeto. Os desenhos do SR foram criados separadamente em partes, e posteriormente essas peças foram integradas em um conjunto formando apenas um dos cilindros, e finalizando com a integração dos 3 cilindros mais o prato básico. O Subsistema de Recuperação divide-se em Contêiner, Tampa com Aba Piloto e Copo com molas, Bloco de Separação, Destorcedor, ilustrado em vista explodida na figura 6. Para o cálculo da velocidade de do momento da abertura dos paraqueds principais seguiu-se a seguinte equação: Pqds Principais Haste Central Destorcedor Mola Honeycomb Container O cálculo da força máxim de abertura para 2 (dois) paraquedas principais acionados será: Bloco de Separação Facesheet Com os resultados das cargas atuantes, elaborou-se um estudo de mercado para possíveis atuadores elétricos com qualificação espacial, responsáveis pela liberação dos dois eventos existentes. O modelo do motor elétrico do atuador que atende as exigências do projeto é o SNR 9700 NUT ilustrado na figura 4 a seguir: Figura 4 - Atuador De acordo com cálculos preliminares de resistência dos materiais, foi elaborado com auxílio do Pro/Engineer, ferramenta de CAD utilizada para desenvolver desenhos em 3D, tornando possível importar os modelos criados para outros softwares para análise estrutural a seguinte concepção do Contêiner com Tampa e Bloco de Separação: Figura 5 - Vista Isométrica do modelo conceitual Atuadores Pqd Arrasto Prato Copo Figura 6 - Vista Explodida do modelo conceitual O processo de qualificação do modelo de engenharia do subsistema será através dos seguintes ensaios determinados: Análise Estática do Modelo de Engenharia: as condições no modelo matemático de elementos finitos; Análise Dinâmica do Modelo de Engenharia: as condições no modelo matemático de elementos finitos; Ensaio Estrutural do Modelo de Engenharia: Tem como objetivo o teste de vibração do conjunto, garantindo o funcionamento de abertura após Ensaios de Carregamento Estático das Amostras dos Materiais: Tem como objetivo medir a força máxima de tração nos tecidos destinados a fabricação dos paraquedas; Ensaio do Desdobramento Estático, de Empacotamento e Verificação de Massa: Tem como objetivo medir a massa dos componentes do subsistema em laboratório, verificar procedimento de empacotamento em laboratório e determinar as cargas estáticas do desdobramento do subsistema em ângulos (α) de 90º, 60º e 45º utilizando dispositivo de fixação do contêiner em laboratório aplicando a carga deverá ser aplicada na horizontal de acordo com a figura 7. 3

4 Carga Figura 7 Dispositivo para Ensaio Desdobramento Estático e carregamento aplicado no modelo (Ilustração em corte) Ensaio Funcional do Bloco de Controle: Tem como objetivo verificar o funcionamento do bloco de controle do subsistema de recuperação. O bloco de controle será testado para ser utilizado, posteriormente, nos Ensaios funcionais do mecanismo de abertura, desdobramento dinâmico e nos ensaios em vôo do subsistema de recuperação. Ensaio Funcional do Mecanismo de Abertura e Carregamento Dinâmico dos Cabos: Tem como objetivo verificar o funcionamento do bloco de separação e do contêiner do subsistema de recuperação em condições de carregamento dinâmico em ângulos (α) de 90º, 60º e 45º de acordo com a figura 8. α Ensaio em Voo do Modelo de Desenvolvimento: O modelo deverá ser suspenso por helicóptero até a altitude de 625 m ± 25 m, em relação ao solo, e solto num determinado instante inicial (t = 0). Neste instante, o conector de disparo do bloco de controle deverá ativar o temporizador, que após 5,3 segundos deverá acionar o do bloco de Separação para liberar a Tampa com Mola, esta mola deverá empurrar a tampa para o ar corrente para extração da a aba piloto com o paraquedas de arrasto. Após aproximadamente 11 segundos, o bloco de separação desconecta o destorcedor do corpo de prova extraindo os paraquedas principais. Todas as partes e componentes do subsistema de recuperação não serão liberadas do corpo de prova, sendo aterrissadas em conjunto, conforme ilustrado na figura 10. Carga α Figura 8 - Dispositivo para Ensaio do Mecanismo de Abertura e carregamento aplicado no modelo (Ilustração em corte) Ensaio Funcional do Desdobramento Dinâmico: O objetivo destes ensaios é verificar o Desdobramento Dinâmico do Subsistema de Recuperação em condições dinâmicas e em ângulos (α) de 90º, 60º e 45º, figura 9. Figura 10 Sequência de Eventos do Ensaio em Voo Resultados Os resultados do dimensionamento e das cargas dos paraqueda de arrasto pode ser observado a seguir: Carga Figura 9 - Dispositivo para Ensaio Desdobramento Dinâmico e carregamento aplicado no modelo (Ilustração em corte) α 4

5 Tabela 2 - Resultado do ensaio de tração da amostra do tecido do pqd de arrato Os resultados do dimensionamento e das cargas dos paraquedas principais pode ser observado a seguir: Nº Corpo de Prova Força Máxima (N) , , , , ,78 Média 1528,68 Desvio Padrão 79,26 48,47 Figura 11 - Corpos de provas do tecido do pqd de arrasto ensaiados Os resultados dos quatro corpos de provas do paraqueda de arrasto testado são observados na tabela 3 a seguir: De acordo com os resultados dos cálculos das cargas dos paraquedas e dos estudos pré estabelecidos dos tempos de abertura dos paraquedas, gerou-se o seguinte gráfico: Tabela 3 - Resultado do ensaio de tração da amostra do tecido do pqds principais Nº Corpo de Prova Força Máxima (N) 1 270, , , ,02 Média 286,76 Desvio Padrão 11,35 Figura 12 - Corpos de provas do tecido do pqd principais ensaiados Gráfico 1 - Cargas de abertura x tempo A qualificação dos tecidos e cordões utilizados na fabricação dos paraquedas foi obtida através dos resultados do ensaio do carregamento estático das amostras. Os resultados dos cinco corpos de provas do paraqueda de arrasto testado é observado na tabela 2 a seguir: O processo de qualificação do Subsistema, iniciou-se com os resultados das massas, tabela 4, o empacotamento dos componentes do SR e a realização do ensaio do desdobramento estático dos paraquedas, ilustrado nas figura 13 e 14. Tabela 4 - Massa dos componentes Componente Massa (kg) Contêiner 7,425 Paraquedas Principal 1 pqd 3,350 Paraquedas de Arrasto 7,800 Tampa 0,449 5

6 Figura 13 - Empacotamento do SR Figura 14 - Realização do Ensaio do Desdobramento Estático A aquisição de dados gerou os gráficos carga aplicada pela distância para os principais eventos de abertura e com ângulo de ataque de 60º, considerada a posição crítica para abertura dos dois paraquedas aqui discutidos. Gráfico 2 - Carga x distância do pqd arrasto à 60º Os resultados do ensaio de tração dos tecidos utilizados na fabricação dos paraquedas, garantem a resistência da dinâmica de abertura. Os resultados da estração e desdobramento do paraquedas de arrasto no gráfico 2, observa-se que o primeiro ponto foi o esforço na abertura da tampa do contêiner, em seguida percebe-se um aumento na força de abertura pelo fato de pontos feitos com linha de nylon com resistência de 20 kgf. Esses pontos tem a principal função de diminuir a velocidade de abertura dos paraquedas e consequentemente diminui a carga final de abertura. É notório os 4 primeiros metros o sistema de abertura sofrer esforço mínimo, motivo pelo qual se formará uma esteira aerodinâmica atrás da cápsula, local onde está situado o subsistema de recuperação, o qual deverá, através do disparo da tampa em função da força da mola, ultrapassar essa área turbulenta. Os valores dinâmicos de abertura serão levantados nos ensaios previstos para outubro de acordo com o cronograma de ensaios proposto pelo projeto. Conclusão Os resultados preliminares aqui descritos garantem a integridade do subsistema de recuperação, suportando assim os níveis de aceleração impostas pelo ciclo de vida do SARA Suborbital. O SR inclui os seguintes componentes: Dois paraquedas Principais tipo circular com área de 40m 2 ; Paraquedas de arrasto tipo Blade Ribbon com área de arrasto 2,75 m 2 ; O valor máximo de desaceleração da cápsula no instante da abertura dos paraquedas é 15,93 g; A resistência mecânica dos principais elementos do subsistema de recuperação é suficiente para garantir a recuperação da cápsula com o fator de segurança 1,5. Referências - KNACKE T. W. Parachute Recovery Systems Design Maual 1 st ed. Para Publishing, Santa Barbara, California, Gráfico 3 - Carga aplicada x distância do pqds principais à 60º Discussão Os dados gerados no presente trabalho, demonstram que os componentes do SR atendem ao carregamento imposto pelos cálculos realizados. - KOLDAEV, V., GUIMARÃES DA SILVA, M., MORAES, P. JR. Simulation of Parachute Dynamics, XV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, COBEM 99, Águas de Lindóia SP, Nov KOLDAEV, V., MORAES, P. JR. Parachute Recovery Sistems: Design and Testing. An Introductory Course. Apostila do curso no CTA- INPE, CTA/IAE, São José dos Campos SP,