Melhorando o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando um novo grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada

Uma técnica para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido é urgentemente necessária. Até o momento, as aplicações práticas de motores híbridos de foguetes ainda são muito inferiores às dos motores de foguetes sólidos e líquidos^1,2. A baixa taxa de regressão dos combustíveis tradicionais limita a melhoria do desempenho do impulso para o motor de foguete híbrido^3,4. Além disso, sua eficiência de combustão é ligeiramente menor do que a de outros foguetes de energia química devido à combustão de difusão interna^5,como mostrado na Figura 1. Embora várias técnicas tenham sido estudadas e desenvolvidas, como o uso de multi-portas⁶, aditivos de aprimoramento^7,8,9, liquefazer combustível^10,11,12, injeção de redemoinho¹³, saliências¹⁴, e corpo blefe¹⁵, essas abordagens estão associadas a problemas na utilização do volume, eficiência de combustão, desempenho mecânico e qualidade de redundância. Até agora, a melhoria estrutural do grão combustível, que não apresenta essas deficiências, tem atraído mais atenção como meio efetivo de melhorar o desempenho da combustão^16,17. O advento da impressão tridimensional (3D) trouxe uma maneira eficaz de aumentar o desempenho dos motores de foguetes híbridos através da capacidade de produzir de forma rápida e barata tanto projetos de grãos convencionais complexos quanto grãos de combustível não convencionais^{18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30}. No entanto, durante o processo de combustão, essas melhorias no desempenho da combustão diminuem com a queima da estrutura característica, resultando em uma diminuição no desempenho de combustão²³. Demonstramos que um novo design é útil para melhorar o desempenho dos motores híbridos de foguetes³¹. O detalhe para esta técnica e os resultados representativos são apresentados neste artigo.

O grão de combustível consiste em um substrato helicoidal feito por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) e um combustível aninhado à base de parafina. Com base na impressão centrífuga e 3D, foram combinadas as vantagens dos dois combustíveis com diferentes taxas de regressão. A estrutura helicoidal especial do grão de combustível após a combustão é mostrada na Figura 2. Quando o gás passa pelo grão de combustível, inúmeras zonas de recirculação são criadas simultaneamente em ranhuras entre as lâminas, o que é mostrado na Figura 3. Essa estrutura característica na superfície interna aumenta a turbulência da energia cinética e do número de redemoinhos na câmara de combustão, que aumentam as trocas de matéria e energia na câmara de combustão. Em última análise, a taxa de regressão do novo grão de combustível é efetivamente melhorada. O efeito da melhoria da taxa de regressão tem sido bem comprovado: em particular, a taxa de regressão do novo grão combustível foi demonstrada como 20% maior do que a do combustível à base de parafina no fluxo de massa de 4 g/s·cm^2,32.

Uma vantagem do grão de combustível com uma estrutura helicoidal aninhada é que é simples de fabricar. O processo de moldagem requer principalmente uma batedeira de derretimento, uma centrífuga e uma impressora 3D. O substrato ABS formado pela impressão 3D reduz consideravelmente o custo de fabricação. Outra vantagem significativa e única é que o efeito de aprimoramento não desaparece durante o processo de combustão.

Este artigo apresenta o sistema experimental e o procedimento para melhorar o desempenho de combustão de um motor de foguete híbrido usando a nova estrutura de grãos de combustível. Além disso, este artigo apresenta três comparações representativas dos parâmetros de desempenho de combustão para comprovar a viabilidade da técnica, incluindo a frequência de oscilação da pressão da câmara de combustão, taxa de regressão e eficiência de combustão caracterizada pela velocidade característica.