artigo técnico
Sistema de tratamento de ar para
refrigeração do veículo lançador
de satélites – vls-1
Ubiratan Aranha Morassutti
Marcelo Merzvinskas
Alessandra Mello Morassutti
Histórico
Eng. Mec. Ubiratan Aranha Morassutti – Diretor
Técnico da IndusConsult Engenharia – Ex-Prof. da
Escola de Engenharia Mackenzie – Consultor Técnico
em Instalações de Controle Ambiental
Eng. Mec. Marcelo Merzvinskas – Eng. Associado da
IndusConsult Engenharia de 1995 a 1997 – Ex-Diretor
Técnico da Norton Engenharia – Atual Eng. de
Desenvolvimento de Sistemas – EMBRAER.
Arqta. Colaboradora – Arqta. Alessandra
Mello Morassutti – Gerente de Projetos Civis da
IndusConsult Engenharia.
Contato: [email protected]
Fotos: Divulgação / Laboratório de Fotos IAE
O Programa Espacial Brasileiro foi sedimentado em
1980, com a criação da Missão Espacial Completa Brasileira
– MECB .
O Programa consiste no desenvolvimento no País dos
três segmentos imprescindíveis à inserção de um satélite
artificial em órbita terrestre, a saber: o satélite, o veículo
lançador e o campo de lançamento.
Coube ao Ministério da Aeronáutica a implantação do
Centro de Lançamento de Alcântara (CLA) e o desenvolvimento do Veículo Lançador de Satélite (VLS – 1).
O Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), do Comando
Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA), foi designado o
executante do VLS -1, em decorrência de sua experiência
no desenvolvimento de foguetes de sondagem da família
SONDA.
Em agosto de 1996, a Agência Espacial Brasileira (AEB)
estabeleceu o Programa Nacional de Atividades Espaciais
(PNAE) contendo extenso desenvolvimento, nos três segmentos espaciais.
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Fotos: Divulgação / Laboratório de Fotos IAE
Coifa ejetável, Redes Elétricas e Redes Pirotécnicas. Seu
lançamento é realizado a partir de plataforma terrestre.
Na decolagem, o comprimento do veículo é de 19 m, a
massa é de 50 toneladas e o empuxo de 1000 kN. A propulsão principal é fornecida por propulsores a propelente
sólido, em todos os estágios, com massa total de 41 toneladas de combustível.
O desempenho do VLS -1 permite a inserção de satélites, com massa de 100 a 350 Kg, em órbitas circulares de
250 a 1000 Km, em largas faixas de inclinações, desde as
equatoriais às polares.
Conceitualmente, a arquitetura do VLS – 1 é constituída de quatro estágios propulsores. O primeiro estágio
é formado por quatro propulsores iguais, operando
simultaneamente e fixados simetricamente ao segundo
estágio. Suas tubeiras são móveis para permitir o controle
de atitude do veículo. Todas as quatro tubeiras têm uma
inclinação fixa para minimizar as perturbações sobre o
veículo, resultantes de possíveis diferenças entre os quatro
propulsores, no fim de queima do primeiro estágio. O
propulsor do segundo estágio é idêntico ao do primeiro
estágio, a menos de sua tubeira móvel, adaptada ao vôo
em atmosfera rarefeita. O propulsor do terceiro estágio,
também equipado com tubeira móvel, é oriundo do
primeiro estágio do foguete SONDA IV. O propulsor S44,
do quarto estágio, tem tubeira fixa e é o responsável pelo
último incremento de velocidade, injetando o satélite em
sua órbita. A coifa ejetável tem a função principal de proteger o satélite dos efeitos do escoamento aerodinâmico,
durante a travessia da atmosfera.
Resumo
Este artigo técnico apresenta a segunda edição do projeto de sistema de tratamento de ar destinado a refrigeração de módulos específicos, dos Veículos Lançadores de
Satélites da série VLS-1.
Os projetos elaborados inicialmente em 1997 e nesta
segunda edição em 2005 representam trabalho pioneiro
no Brasil, tendo sido desenvolvidos pela equipe técnica
da IndusConsult Engenharia, atuando em conjunto com
as equipes do CTA, IAE, INPE e State Rocket Centre –
Academiciam V.P. Makeyev Design Bureau – Rússia.
Veículo lançador de satelites vls-1
O VLS-1 é um lançador de satélites convencional, sem
módulos propulsores reutilizáveis e composto pelos subsistemas: 1o Estágio, 2o Estágio, 3o Estágio, 4o Estágio,
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Conceituação técnica dos sistemas
de refrigeração
A conceituação técnica do Sistema de Refrigeração do
VLS-1, contempla a utilização de resfriamento, desumidificação e filtragem absoluta do ar, com uma vazão previamente determinada de ar externo, sem recirculação do
mesmo. Esta vazão de ar está subdividida em três vazões
insufladas individualmente, através de tubos flexíveis
provenientes de um duto principal, em cada módulo do
VLS-1, sendo, baia de equipamentos, baia de controle e
coifa ejetável do satélite.
Estes procedimentos destinam-se a promover a retirada
das cargas térmicas sensíveis do VLS-1, resultantes de dissipação interna e insolação e sobre sua filtragem de modo
a preservar a eletrônica embarcada e o satélite.
O sistema de refrigeração está dimensionado para
retirar até 1500 W/módulo com uma variação da temperatura do ar de 9oC a 25oC e umidade relativa 35% a
15% e considerando-se as condições climáticas severas de
Alcântara – MA , onde temos temperatura de bulbo seco
35ºC, umidade relativa de 85%, maresia e ventos de até 60
Km/h, que ocasionam nuvens de areia.
A limitação de temperatura máxima do ar de insuflação está condicionada a instabilidade térmica da dimetil
hidrazina assimétrica, combustível líquido utilizado na
baia de controle de rolamento do veículo.
O ar insuflado é resfriado, desumidificado, filtrado através de filtros classes G3 – F3 – A3, por meio de equipamentos independentes, compostos por dois sistemas de
condicionamento individuais, denominados A e B com 100
% de redundância. Os sistemas A e B são equipados com
desumidificadores químicos, do tipo regenerativo contínuo
e fan-coils de pré e pós-resfriamento do ar e chillers.
Central de condicionamento do ar
Composta por Fan-coil de pós-resfriamento e préresfriamento, com serpentina de refrigeração, filtragem
classes G3/A3/F3. Estes equipamentos têm características
de construção à prova de explosão. As vazões e pressões
estáticas dos ventiladores são monitoradas pelo sistema
SIMVA e inversores de frequência.
O controle de refrigeração é através de válvula de três
vias, modulada por termostato proporcional e controladores de temperatura.
O desumidificador químico é do tipo Honey Comb
destinado a reduzir a umidade absoluta do ar proveniente
do pré-resfriador.
Central de refrigeração
Composta por resfriadores tipo chiller, operados individualmente, atuante e operação de emergência, com
solução de água a 25% de etileno glicol, com condensação
a ar. A solução com etileno glicol atua como retardante
de congelamento, permitindo temperaturas da mesma
em torno de 1oC mínima, nas serpentinas dos fan-coils,
proporcionando atendimento às condições exigidas pela
psicometria do processo.
Quadro de alimentação, comando local e controle atuando sobre todos equipamentos dos sistemas, equipado
com todas as proteções elétricas, diferenciadas exigidas
pela utilização específica.
Quadro de comando remoto foi instalado na casamata
de lançamento, permitindo a qualquer momento, a reversão instantânea dos sistemas A e/ou B de refrigeração do
VLS-1. Observe-se que a instantaneidade de refrigeração
obedece a um tempo mínimo requerido para que o sistema em operação, selecionado, entre em regime.
Operação dos sistemas a/b
A instalação proposta obedece ao princípio de insuflação de 100% da vazão de ar necessário a refrigeração do
VLS-1, sem recirculação.
O ar externo captado passa pelo fan-coil de préresfriamento onde se dá a máxima redução da umidade
absoluta.
Uma vez pré-condicionado, o ar passa pela célula de
desumidificação, atingindo as condições psicométricas
adequadas ao pós-resfriamento necessário, uma vez que
sua passagem pelo desumidificador acarreta elevação de
temperatura.
A passagem final do ar é através do fan-coil de pósresfriamento, onde é condicionado às condições finais do
processo de refrigeração do VLS-1.
A reativação da célula de desumidificação é obtida por
insuflação de ar externo através de banco de resistências,
efetuado por ventilador de reativação, componentes
integrantes do desumidificador e descarregando para
atmosfera.
Todo o sistema atua durante a fase de Campanha que
compreende a integração (montagem) do VLS-1, testes,
ajustes finais e lançamento.
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No momento do lançamento, os sistemas de alimentação, elétrica, ar condicionado e nitrogênio do VLS-1 em
terra, são desconectados automaticamente, 10 segundos
antes do “instante zero “.
Conclusão
O Projeto VLS-1 é o embrião do Programa Nacional de
Atividades Espaciais (PNAE), que inicia uma nova fase
com a concepção de cinco novos Veículos, que constituirão a família de Veículos Lançadores Cruzeiro do Sul,
denominados VLS Alfa, VLS Beta, VLS Gama, VLS Delta e
VLS Epsilon.
Estes veículos obedecem a uma escala crescente de
capacidade de carga útil e serão todos equipados com
propulsão híbrida por meio de combustível sólido e
líquido.
Este programa incluirá definitivamente o Brasil no seleto
clube de países detentores de tecnologia para lançamento
de satélites.
Fluxograma operacional
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Ficha técnica dos sistemas a/b
Projeto Executivo IndusConsult Engenharia
Fan-Coil de PréResfriamento
22.718 Kcal/h – Filtro G3/F3/954 m3/h
Desumidificador
Químico
954 m3/h – reativação 500 m3/h
Fan-Coil de PósResfriamento
9.773 Kcal/h – Filtro F3/A3/954 m3/h
Unidade
Resfriadora
13,7 TR efetiva/25% etileno glicol
Nota: As classes de filtros citados neste artigo estão de
acordo com a ABNT 6401 vigente na época.
Bibliografia
Rocket Propulsion Elements – An Introduction to the
Engineering of Rockets. George P. Sutton – Sixth Edition
Oliveira. Ulisses C – Análise do Comportamento
Térmico da Baia de Controle do VLS durante sua preparação na Rampa de Lançamento. – Relatório Técnico IAE
ASE-E/TE, março 1993.
Bernardes, Jose Alberto M. – Heating and Colling Test
Procedure for VLS Roll Control Bay – IAE , março 1993
Oliveira. Ulisses C – Estudo do Ambiente Térmico da
Baia de Equipamentos nas Condições de Lançamento –
Memotec 029/ASE/93, abril 1993.
State Rocket Centre – Academiciam V.P. Makeyev Design
Bureau – Rússia, Recomendações Técnicas, 2005.
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