Investigação Experimental em Combustão Supersônica
Paulo Gilberto de Paula Toro ([email protected]), Marco Antonio Sala Minucci ([email protected]), Marco Antonio Couto do Nascimento ([email protected]), José Bezerra Pessoa
Filho ([email protected]) IAE/CTA, Alberto Monteiro dos Santos ([email protected]), Luiz Gilberto Barreta ([email protected]), Maria Esther Sbampato ([email protected]), Antonio
Osny de Toledo ([email protected]), Angelo Passaro ([email protected]), José Brosler Chanes Jr. ([email protected]), André Luiz Pereira ([email protected]), IAE/CTA, Antonio Carlos de
Oliveira ([email protected]), Israel Irone Salvador ([email protected]), INPE/Cachoeira Paulista
Resumo
O projeto de pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de um motor (veículo aeroespacial com motor integrado) utilizando tecnologia de combustão supersônica em
sistema de propulsão aspirada hipersônico. O compressor de pistão livre (Light Gas Gun) será utilizado como plataforma para observar o vôo propulsado do veículo, em
velocidade hipersônica, enquanto que os estudos da compressão e da desaceleração do ar devido a onda de choque, da injeção do combustível, da mistura e do processo
de combustão do ar atmosférico com combustível são os objetivos a serem alcançados na investigação a ser desenvolvida no túnel de vento hipersônico pulsado. Um novo
túnel de vento hipersônico pulsado será projetado e operacionalizado para realização da investigação experimental da combustão supersônica.
Introdução
Projeto de Pesquisa
Velocidade, confiabilidade e custo são os requisitos básicos para o
desenvolvimento de novas gerações de veículos de exploração espacial. Entre as
diversas tecnologias propulsivas avançadas, em estudo em diversos centros de
pesquisas, sistemas de propulsão aspirada utilizando estato-reator a combustão
supersônica (scramjets) (Figura 1) são as que apresentam maior potencial para
aplicação em veículos em regime de vôo hipersônico e, conseqüentemente, são as que
tem recebido maior atenção de pesquisa da comunidade cientifica.
Veículos lançadores de pequeno porte, utilizando tecnologia scramjet no
segundo estágio, teriam capacidade de colocar aproximadamente 1000 kg em órbita
baixa, competindo com os tradicionais veículos lançadores, utilizando motores
foguetes, que levam o combustível em seu interior.
O objetivo é o desenvolvimento de um motor (veículo aeroespacial com motor
integrado) utilizando tecnologia de combustão supersônica em sistema de propulsão
aspirada hipersônica.
O compressor de pistão livre (Light Gas Gun) será utilizado como plataforma de
lançamento com o objetivo de observar o vôo propulsado do veículo, em velocidade
hipersônica, utilizando combustão supersônica.
Os estudos da compressão e da desaceleração do ar devido a onda de choque,
da injeção do combustível, da mistura e do processo de combustão do ar atmosférico
com combustível são os objetivos a serem alcançados na investigação a ser
desenvolvida no túnel de vento hipersônico pulsado.
Plano de Trabalho
I) Projeto e operação de um novo túnel de vento hipersônico pulsado de alta entalpia
II) Investigação da combustão supersônica no atual túnel de vento hipersônico
Figura 1: Faixa de operação de motores com Propulsão Aspirada.
Basicamente, estato reator de combustão supersônica (Figura 2) é um motor
aeronáutico aspirado que não possui partes móveis e que utiliza ondas de choque,
geradas durante o vôo hipersônico, para promover a compressão e a desaceleração do
ar atmosférico em seu interior.
Ar atmosférico, não perturbado pela corrente livre, em velocidades hipersônicas
é primeiramente comprimido por uma série de ondas de choque cônicas provenientes
da parte frontal cônica. Em geral, estes choques aumentam a temperatura e a pressão
do gás para aproximadamente 1000 K e 1 atm., respectivamente. Combustível é então
injetado na corrente de ar, no inicio da câmara de combustão, em velocidade
supersônica. Na câmara de combustão, o ar e o combustível se misturam e entram em
combustão automaticamente. A alta entalpia dos produtos de combustão, junto com o
ar e combustível não queimados, são expandidos pela região posterior do veículo, com
velocidade e pressão levemente superior ao da entrada de ar.
O empuxo liquido, produzido pelo scramjet é a diferença entre o empuxo gerado
pela expansão dos gases de exaustão da parte posterior e o arrasto total do motor.
Estas forças similares em magnitude poderão produzir empuxo para o vôo do veículo
ou não dependendo do balanço destas forças no projeto do motor em questão.
III) Investigação da combustão supersônica no compressor de pistão livre
Figura 2: Desenho esquemático do funcionamento de um scramjet.
Em conseqüência da própria natureza dos estato reatores, eles são incapazes de
produzir empuxo enquanto estão parados, ou seja, o empuxo estático é nulo. Deste
modo, os veículos devem ser acelerados até uma velocidade tal que as ondas de
choque produzidas pela sua entrada de ar sejam capazes de comprimir o ar
atmosférico. Tal velocidade é designada velocidade inicial de operação e é da ordem
de quatro vezes a velocidade do som, Mach 4, considerando scramjet. Normalmente, a
propulsão convencional (sólida ou líquida) é utilizada como estágio inicial de
lançamento para que a velocidade de operação seja atingida.
A principal característica do scramjet é a de formar com o veículo que o utiliza
um sistema integrado, onde motor e veículo são indistinguíveis. Essa forte integração
é causada pelo fato de que a parte frontal do veículo contribui para a compressão do ar
atmosférico, enquanto que a sua parte traseira contribui para a geração do empuxo.
Modelo a ser ensaiado