terça-feira, 19 de setembro de 2017

Turbo-Rocket – Um Novo Tipo de Hobby?

Olá leitor!

Você lembra do Eng. Rene Nardi, aquele mesmo da empresa (hoje desativada) INOTECH - Inovação & Tecnologia? Pois então leitor, recebi ontem via e-mail uma versão reduzida de um artigo escrito pelo mesmo que pode interessar as equipes de foguetemodelismo do pais. Segundo o Eng. Nardi um paper sobre essa tecnologia foi apresentada por ele em Atlanta (EUA), em Julho 2017, durante a realização do “53rd Joint Propulsion Conference”, e trata-se de uma nova opção para construção de foguetes educacionais de alta potencia, sem os problemas do motor foguete liquido. Vale a pena conferir.

Duda Falcão

Turbo-Rocket – Um Novo Tipo de Hobby?

Por Rene Nardi,
Pooler, GA, USA, 31322

Turbo-Rocket é uma nova opção de modelismo que combina aspectos construtivos do aeromodelo a jato com as características de voo bem conhecidas dos entusiastas dos foguetes de alta potência. O Turbo-Rocket utiliza um motor turbo-jato como o principal elemento de propulsão em substituição ao complexo motor foguete bi-propelente líquido ou dos motores sólidos.

I. O Que Vem a Ser o Turbo-Rocket ?

É uma bela manhã de domingo em São José dos Campos, Brasil, onde uma pequena multidão assiste os bravos pilotos que voam seus incríveis aeromodelos a jato. Ao decidir que ja havia voado o suficiente para o dia, um dos modelistas começou a desmontar seu modelo em preparação para voltar para casa. Depois de remover a asa, ele deixou a fuselagem na bancada de trabalho por algum um tempo. Era uma estrutura delgada com aletas na cauda, muito semelhante a um foguete. A pergunta natural era: O que acontece se removermos as asas, o trem de pouso e todo o equipamento que faz uma bela aeronave e manter apenas o essencial para transformá-lo em um foguete? O resultado foi chamado TurboRocket, que é um avião a jato que se transformou em um foguete, e agora voa na vertical.

O uso de um turboreator em vez de um motor de foguete bipropentes líquido faz sentido quando consideramos que os foguetes para uso amador devem voar alto o suficiente para justificar os esforços, mas precisa ir tão alto a ponto de sair da atmosfera. Sob uma abordagem semelhante, pode-se considerar que alta velocidade é desejável, mas o foguete não precisa necessariamente ser supersônico. Outro aspecto advindo com uso do oxigênio da atmosfera é a tremenda simplificação nos procedimentos operacionais do foguete, eliminando a infraestrutura necessária para o manuseio de oxigênio líquido, associada à redução de custos possível com a remoção do sistema criogênico, incluindo os tanques pressurizados e todos os seus equipamentos auxiliares ( válvulas, tubos e conexões).

II. Configuração Preliminar

Em sua missão típica, o TurboRocket deve atingir altitude de 5 km acima do nível do mar carregando uma carga útil de 1 kg. Os estudos iniciais mostram um veículo de 2,5 m de comprimento com 10 kg de peso máximo de decolagem. A fuselagem cilíndrica de 0,15 m de diâmetro incorpora um motor turbojato de 300 N de empuxo montado na extremidade inferior, imediatamente atrás das quatro aletas. A Figura 1 mostra o Superman voando em formação com um TurboRocket para comparação de tamanho.

Figura 1 – Turbo-Rocket

A Figura 2 fornece informações adicionais sobre a configuração do TurboRocket. Foram definidos quatro componentes principais: a ogiva, a fuselagem, as aletas e a carenagem do motor. O cone de nariz elíptico com características de arrasto adequadas às velocidades subsónicas contém o lastro utilizado para a calibração do centro de gravidade e atua como um compartimento para armazenar parcialmente o paraquedas de dois estágios. A estrutura da fuselagem consiste em um cilindro de fibra de carbono de baixo peso, com a carga útil e o compartimento do computador de controle de voo na extremidade superior. Muito espaço está disponível na parte central da fuselagem para instalação de algum equipamento extra para futuras versões. Estrategicamente posicionado perto do CG do foguete está o tanque de combustível. Localizados logo abaixo do tanque de combustível estão a unidade eletrônica de controle do motor, a bomba de combustível e as baterias. O turbo-foguete tem quatro aletas de fibra de carbono usadas para a estabilização durante a ascensão vertical na atmosfera. Na parte inferior do veículo está a carenagem do motor, que serve de berço para o motor e incorpora as entradas de ar. No caso de troca do motor atual para outro modelo, a carenagem do motor pode ser substituída sem necessidade de introduzir grandes modificações na fuselagem cilíndrica.

Figure 2 – Vista explodida do TurboRocket

III. O Motor Turbojeto

Existem vários motores turboreatores comercialmente disponíveis, mas apenas alguns com o impulso exigido. Portanto, para a fase de projeto inicial, a seleção foi para o modelo JetCat 300, mostrado na Fig. 3.

Figure 3 – O motor turbojeto

Com um peso total de 2,6 kg, o motor JetCat pode fornecer um impulso máximo de 300 N, resultando em uma interessante relação impulso/peso de 11: 1. No entanto isto pode não ser muito se comparado a um motor de foguete líquido de mesmo impulso que pode atingir facilmente valores acima de 30: 1. O motor queima querosene misturado com 5% de óleo de turbina sintética a uma razão de 13 g/seg, oferecendo um consumo específico de combustível de 45 g/kN.s (1,6 lb/lbf.s), o que pode não ser uma máquina maravilha quanto à eficiência no consumo de combustível, mas, é muito melhor do que um motor de foguete líquido que consome algo como 300 g/kN.s (10 lb/lbf.s).

Ao contrário de um motor de foguete regular, que oferece um impulso constante em uma ampla gama de altitude, o motor a jato apresenta uma redução notável no empuxo em função da altitude. Por exemplo, no momento em que o veículo atinge 4.000 m, o empuxo do motor seria aproximadamente metade do valor do nível do mar.

IV. Algumas particularidades do TurboRocket

O uso de turboreator para impulsionar o foguete traz consigo algumas particularidades técnicas interessantes, colocando esta classe de máquina voadora para entre aviões a jato e foguetes líquidos. O TurboRocket não se comporta como um avião a jato, que voa principalmente na posição horizontal, na mesma altitude, a uma velocidade constante com a potência do motor ajustada para cruzeiro. O turbo-foguete dispara da plataforma de lançamento em uma posição quase vertical e continua voando na vertical, mudando constantemente de altitude e velocidade, com a manete ajustada para potencia máxima ao longo da trajetória do voo motorizado. O turbo-foguete também não é um foguete puro, porque um foguete deve transportar seu fluido de trabalho sob a forma de combustível e oxidante, sua velocidade é independente da velocidade do voo e, o mais importante, é capaz de operar dentro ou fora da atmosfera. O TurboRocket carrega seu combustível, mas depende do ar circundante como fonte de oxigênio, o que limita seu funcionamento dentro dos limites da atmosfera inferior.

Um software de simulação de desempenho foi desenvolvido especificamente para capturar as características únicas do voo do turbo-foguete, incluindo a variação significativa no empuxo do turbojato com altitude, bem como as variações no arrasto do veículo resultante das variações de densidade. Uma perspectiva gráfica é mostrada na Fig. 4. Após um voo de 28 segundos a uma altitude de 4 km, o motor é desligado. O voo balístico sem propulsão complementa os 1.000 m restantes necessários para atingir a altitude máxima de 5 km. Ao contrário dos foguetes sólidos, o turbo-foguete gasta 80% da trajetória do voo na fase de propulsão.

Figure 4 – Altitude and Speed Simulations

Até que o vetoramento se torne disponível, o controle do turbo-foguete durante o voo seria exercido pela reação aerodinâmica contra as quatro aletas. As simulações iniciais mostram que para atingir a velocidade de controle mínima de 100 km/h no final de uma plataforma de lançamento de 6 m de comprimento exigiria a ajuda de um par de propulsores de propulsão sólida com 180 N de empuxo cada.

V. Técnicas de construção

Os aero modelos de controle remoto com turbina a gás fazem parte de uma forma emocionante de hobby que exige construtores qualificados para dominar os complexos sistemas necessários ao voo. O TurboRocket depende fortemente das técnicas de construção do modelo de jato mas leva o projeto e a tecnologia um passo adiante, visando altitude e velocidade de voo de foguetes de alta potência. A Figura 5 mostra que algumas soluções típicas do ambiente aeromodelista foram preservadas na construção do turbo-foguete. A taxa de fluxo de massa de combustível e os níveis de pressão de entrada do combustível exigidos pelo motor a jato justificam o uso de uma bomba de combustível acionada por motor elétrico, bem como o tanque de combustível linhas de combustível de plástico. A fibra de carbono, com sua inigualável relação resistência/peso, é a opção favorita na indústria automotiva, naval e aeroespacial. Não é de admirar que seja também a melhor opção para a grande maioria das peças estruturais da estrutura do TurboRocket.

Sempre que as peças metálicas são necessárias, o alumínio padrão aeronáutico é a opção mais adequada. A disponibilidade de computadores de baixo custo, relativamente poderosos e dispositivos de comunicação de alta velocidade condensados em pacotes de baixo volume contribuem para colocar os computadores de controle de voo e a unidade eletrônica de controle do motor dentro do peso alvo.

Figure 5 – Detalhes construtivos do TurboRocket

VI. Conclusão

Substituir motores de foguete sólido ou líquidos por turboreatores pode ser uma opção atraente para um novo tipo de hobby que combina habilidades de modeladores de jatos e entusiastas de foguetes de alta potência. Até agora, o turbo-foguete está no estágio conceitual e precisa de modelistas que busquem novos desafios tecnológicos ao construir o primeiro TurboRocket e empresários que sejam ousados o suficiente para mover o conceito para a arena comercial.

Além do conceito inicial ainda existem desafios tecnológicos com o TurboRocket. O primeiro na lista de desejos é o empuxo vetorado, um item quase obrigatório para decolagem realista, e quem sabe, pouso vertical. Como a taxa de compressão do turboreator permite o uso de bocal supersônico, a próxima tentativa natural de melhoria reside na introdução da configuração aerospike que pode resultar em um empuxo maior e um arrasto de base reduzido em altitudes. O projeto de entrada de ar também será uma parte importante deste processo de melhoria, com um esforço para reduzir o arrasto e, ao mesmo tempo, garantir que todo o fluxo de massa de ar necessário para manter o turbojato em operação esteja disponível em todo o envelope do voo do veículo. Em seguida, a lista de melhorias é a introdução de pós-combustão, como uma forma de empurrar o veículo para uma velocidade mais alta, talvez voltando supersônico.

Comentário: Nos parece muito interessante esta proposta do Eng. Nardi, e ele finaliza o e-mail fazendo a seguinte pergunta: “Quem vai construir o primeiro turbo-rocket no Brasil????”, e espera que os foguetemodelistas brasileiros possam responder a esta pergunta. Os comentários estão abertos. 

Um comentário:

  1. Esta ideia é interessante muito explorada no passado em aeronaves VTOL, principalmente pelos franceses, o SNECMA Coleoptere é um excelente exemplo, vejam o link
    http://www.fiddlersgreen.net/models/aircraft/SNECMA-Coleoptere.html

    No Brasil infelizmente o custo é muito alto se comparado aos foguetes convencionais, foguetes híbridos os eu desenvolvia a 20 anos atrás, utilizando óxido nitroso e um polímero como combustível é uma solução ainda superior.
    Abraços
    Eng. Miraglia

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