Programa de Pós-graduação em Engenharia Aeroespacial
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Navegando Programa de Pós-graduação em Engenharia Aeroespacial por Autor "Costa Júnior, João Carlos Arantes"
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Dissertação Análise aero-estrutural de um demonstrador da combustão supersônica(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-12-14) Oliveira Júnior, Paulo César de; Costa Júnior, João Carlos Arantes; Toro, Paulo Gilberto de Paula; https://orcid.org/0000-0002-3280-4244; http://lattes.cnpq.br/8765591637274439; https://orcid.org/0000-0001-8498-4075; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; https://orcid.org/0000-0003-1971-8410; http://lattes.cnpq.br/2368579966963896; Marinho, George Santos; Korzenowski, HeidiNo atual cenário do setor aeroespacial existe uma grande limitação relacionada à carga útil que se consegue lançar em órbita ou além. Os motores-foguete, tecnologia propulsiva em operação, possuem baixo impulso específico em comparação aos sistemas com propulsão aspirada (em geral, inclusive a tecnologia scramjet) que utilizam o ar atmosférico como oxidante. Durante o voo hipersônico, os veículos aeroespaciais com propulsão hipersônica aspirada estão sujeitos à elevados carregamentos aerodinâmicos e térmicos. Nesse contexto, no presente trabalho o objetivo principal é realizar análise aero-estrutural de um demonstrador da combustão supersônica genérico, nas condições de voo à altitude de 23 km e velocidade de 1723 m/s, correspondente a número de Mach 5,8. Na análise estrutural foram considerados casos com diferentes espessuras de chapa (6 mm, 4 mm, 3 mm e 2,5 mm) e os elementos que compõe o scramjet são de aço inox 304 (longarinas e nervuras), alumínio 7075 (rampas e painel lateral), inconel 718 ou tungstênio (bordos de ataque e entrada da câmara de combustão). Para execução da análise estrutural foi realizado projeto aerodinâmico e dimensional de um scramjet genérico, idealizado para acoplamento aos motores-foguete brasileiros S30 e S31. Foram aplicados critérios de otimização à seção de compressão, objetivando atingir as condições de temperatura e número de Mach requeridas na entrada da câmara de combustão para queimar hidrogênio espontaneamente. Na seção de expansão, o critério de otimização é baseado na verificação do ponto em que a condição de pressão é equivalente a do escoamento livre, definindo a região onde deverá ser realizado o acoplamento ao veículo acelerador. A carga aerodinâmica foi definida a partir de análise analítica e numérica, considerando o ar como gás caloricamente perfeito e desprezando os efeitos viscosos. No projeto e análise aerodinâmica avaliaram-se os casos sem injeção de combustível, portanto sem queima de combustível (power-off) e com injeção e queima de combustível (power-on), mas na análise estrutural apenas power-on foi considerado. A análise numérica do escoamento e a análise estrutural numérica foram respectivamente realizadas nos módulos Fluent e Static Structural do software Ansys. Na análise aerodinâmica evidenciou-se que, voando a uma altitude de 23 km com velocidade de 1723 m/s, o scramjet com três rampas de compressão, com ângulos de deflexão de 7,48°, 8,93° e 10,77° foi capaz de gerar, na entrada da câmara de combustão, velocidade correspondente a número de Mach 1,71 e temperatura estática de 1071,25 K, superior a 845,15 K, demonstrando a possibilidade de queimar hidrogênio. No bordo de fuga a velocidade do escoamento foi de 1688,96 m/s sem injeção e sem queima de combustível e 1806,98 m/s com injeção e queima de combustível, superior a 1723 m/s, demonstrando que o scramjet só é capaz de gerar empuxo com ignição do combustível. Para a análise numérica do escoamento, a malha não estruturada com elementos triangulares se mostrou mais adequada para capturar as condições do escoamento após as ondas de choque oblíquas estabelecidas na seção de compressão do scramjet, considerando o ar atmosférico como gás caloricamente perfeito e sem efeitos viscosos. Na análise aerodinâmica os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os resultados analíticos. Na análise estrutural verificou-se que o valor máximo de tensão equivalente de von Mises é inferior a tensão de escoamento dos materiais utilizados para casos com chapas de espessura de 3 mm ou superior. Nessas condições a estrutura trabalha em regime elástico, de modo que as deformações são recuperáveis caso os carregamentos sejam removidos. Apenas com chapas de 2,5 mm verificou-se escoamento das longarinas da estrutura interna em contato com as superfícies do combustor, região em que a estrutura é mais solicitada pelos carregamentos de pressão estática devido a adição de calor, a qual simula a queima de combustível. Além disso, o inconel 718 se mostra mais adequado que o tungstênio para aplicação nos bordos de ataque do demonstrador, fornecendo melhor capacidade mecânica e menor peso, e por este motivo sendo mais vantajoso para o projeto aero-estrutural do scramjet.Dissertação Estudo conceitual de um demonstrador scramjet de admissão interna com três rampas(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-07-15) Araújo, Tiago Aleixo de; Toro, Paulo Gilberto de Paula; Souza, Sandi Itamar Schafer de; https://orcid.org/0000-0002-3280-4244; http://lattes.cnpq.br/8765591637274439; http://lattes.cnpq.br/6153034683400041; Costa Júnior, João Carlos Arantes; Korzenowski, HeidiNeste trabalho foi desenvolvido um estudo conceitual de um sistema de propuls„o aspirada baseada em combust„o supersÙnica (tecnologia scramjet) acoplado aos motores foguetes S30 e S31 para voar em velocidade hipersÙnica, de 2050 m/s ‡ altitude de 30 km. O objetivo foi estudar uma configuraÁ„o de admiss„o interna simÈtrica com trÍs rampas na seÁ„o de compress„o e comparar com a configuraÁ„o mista externa e interna de trÍs rampas e mesmos ‚ngulos. Foi aplicada uma metodologia teÛrico-analÌtica (abordagem de engenharia) utilizando a teoria de onda de choque oblÌqua na seÁ„o de compress„o, a teoria de Rayleigh da adiÁ„o de calor em escoamento unidimensional, com ·rea transversal constante, e sem considerar a adiÁ„o de massa do combustÌvel na c‚mara de combust„o, e a teoria de raz„o de ·rea acoplada ‡ teoria de expans„o de Prandtl-Meyer na seÁ„o de expans„o. Foram analisadas as variaÁıes das propriedades do escoamento sem injeÁ„o de combustÌvel na c‚mara de combust„o (power-off) e com injeÁ„o e queima de combustÌvel hidrogÍnio, no escoamento em velocidade supersÙnica (power-on). O ar atmosfÈrico capturado pela seÁ„o de compress„o do demonstrador scramjet È comprimido e desacelerado para uma condiÁ„o de velocidade supersÙnica e temperatura superior a temperatura de igniÁ„o espont‚nea do combustÌvel na c‚mara de combust„o. Considerando power-off, o ar expandido na seÁ„o de expans„o obteve uma velocidade inferior ‡ velocidade de voo, devido ao aumento da entropia. Entretanto, no caso de power-on, os produtos da combust„o da mistura ar atmosfÈrico-combustÌvel hidrogÍnio proporcionam um aumento na velocidade de voo do scramjet, produzindo empuxo n„o instalado de 402,64N e impulso especÌfico de 4164,02s. Por fim foi realizada uma an·lise de desempenho do scramjet desenvolvido considerando par‚metros como eficiÍncia propulsiva, eficiÍncia tÈrmica e eficiÍncia global.