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O setor de Propulsão possui como principais objetivos a concepção e análise do motor do foguete e a fabricação do propelente.
O primeiro passo que é adotado para iniciar o projeto de um motor é conhecer algumas informações a fim de saber qual objetivo ele deve alcançar. Para isso definimos, juntamente ao setor de Aerodinâmica, a massa estimada do foguete, o coeficiente de arrasto, o diâmetro interno do corpo e o apogeu desejado.
Após a definição desses parâmetros, são utilizados softwares para calcular o impulso total fornecido pelo motor a partir do formato e da massa do propelente. Simultaneamente, o setor de Materiais define os materiais que serão utilizados para fabricar as peças mecânicas e moldar o combustível.
As diferentes formas do grão-propelente impactam diretamente o perfil da curva de empuxo.
Atualmente são utilizados os propelentes KNDX e KNSB para os motores de foguete de apogeu 500 e 1000 metros, respectivamente. Ambos são propelentes sólidos. O KNDX é composto por 65% de KNO3 (oxidante) e 35% de dextrose (combustível). Após pesar os componentes, misturamos e aquecemos até aproximadamente 150⁰C para que a dextrose derreta e se mescle com o nitrato. Após o cozimento, é obtida uma pasta bege que será moldada em formato tubular (primeiro gráfico da figura acima).
KNDX em processo de cozimento.
Representação da prensa e do molde para o grão propelente.
Grão propelente após ser moldado e envolvido com papel cartão para inibição/isolamento.
Para projetar as peças utilizadas no motor-foguete, o setor de Materiais e Propulsão trabalham juntos para obter a liga metálica que melhor se adequa. O atual motor de apogeu 500 metros, por exemplo, é construído em aço 1045. Já o motor de apogeu 1000 metros possui partes usinadas em aço e outras partes usinadas em alumínio. As vantagens do aço são a alta resistência mecânica e temperatura de fusão (fator importante pois a queima do propelente chega até 1600K) e uma das desvantagens é a elevada massa específica. Já o alumínio possui como vantagens a baixa densidade, resistência à corrosão, custo inferior e, como desvantagem, apresenta ponto de fusão e resistência mecânica inferiores ao aço.
Existem 3 partes principais em um motor-foguete:
1. Tubeira: possui como objetivo acelerar os gases produzidos durante a combustão até velocidades supersônicas afim de gerar uma força resultante. A tubeira que utilizamos é do tipo convergente-divergente.
2. Tampa: é empregada para não deixar que os gases escapem por uma das extremidades do tubo.
3. Tubo: é aonde a combustão ocorre. Tanto a tubeira quanto a tampa devem ser encaixadas nele.
Montagem do motor de apogeu 1000 metros no SolidWorks.
Montagem do motor de apogeu 500 metros.
Para finalizar, também pesquisamos sobre vedações, parafusos, roscas, e silicones para que a operação do motor seja mais confiável.
A fim de não ocorrer nenhum vazamento nas regiões entre as peças, são utilizadas vedações o-ring de Viton, uma vez que este material possui resistência à temperaturas elevadas. Além do o-ring, também utilizamos pasta de silicone de alta temperatura.
Além da vedação, é preciso fixar a tubeira e a tampa no tubo. Para essa finalidade, é possível projetar um motor com encaixe de parafuso (como no motor de apogeu 500 metros) ou um motor com tubeira e tampa rosqueadas diretamente no tubo (como no motor de 1000 metros).
Depois de projetado e fabricado, é necessário fazer uma série de testes estáticos com o motor. Para isso, colocamos o motor no banco estático (estrutura feita pelo setor de Aerodinâmica que contém uma célula de carga programada pelo setor de Eletrônica) e fazemos a ignição eletrônica do propelente. O motor então exerce uma força na parte inferior do banco e essa força é medida e gravada em um cartão SD.
Motor de 500 metros montado no teste estático.
Após o teste estático, obtemos a curva de empuxo em função do tempo fornecida pelo motor. Se ela for similar à curva teórica e a operação do motor ocorrer sem nenhuma anomalia, o projeto está em grande parte concluído.