Sistemas de geração de gás e ignição em foguetes

Universidade Federal do ABC

Aula 9
Geradores de gás
e Ignitores
EN 3255 Propulsão Aeroespacial

EN3225 Propulsão Aeroespacial

GERADORES DE GÁS


Sistemas a gás
Os sistemas de alimentação de
combustível (turbo-bombas e
tanques) são acionados por gás
a alta pressão.
Gases comprimidos, tais como
hélio, podem ser usados para
estes fins.

.

Sistemas a gás

No entanto, a utilização de gases
de temperatura mais elevada,
gerados por dispositivos
apropriados, alcança
desempenho muito mais
elevado.


.

Temperaturas típicas
Gera-se gás com temperaturas variando entre
480 K e 800 K para pressurizar os tanques de
combustível.
Gases na faixa de 900 K a 1200 K são
usados para acionar as turbinas a gás para os
sistemas de turbo-bomba.


Exemplo: V-2


Funções do gerador de gás
1. Capacidade para produzir gases de forma segura, com as
propriedades requeridas (temperatura, pressão, não
explosivo) em uma unidade compacta, à taxa exigida.
2. Possibilidade para iniciar e parar suavemente, sem
variações bruscas de temperatura, oscilações de pressão,
ou overflow de propelentes não queimados.
3. Possibilidade de funcionar ao longo de uma vasta gama
de propelentes e taxas e razões de mistura (no caso de
bipropelentes), e responder ao sistema de controle.
4. Capacidade de manter o desligamento seguro sem
sistemas de esvaziamento e drenagem complicadas.
5. Capacidade de reiniciar (se necessário).


Classificação dos geradores de gás
(1) Sistemas de
combustível sólido

(2) Sistemas líquidos
monopropelentes
(3) Sistemas líquidos
bipropelentes
Gerador de gás do SATURN H-1 a
propelente líquido.

Geradores de gás a propelente sólido
• Não podem ser reiniciados.
• Curta duração.
• Gases a 1350 K.
Aplicação: partidas, geração de gás
auxiliar para alcançar rotação,
pressurização de tanques.


Fast Gas Generator
da Aerospace
Propulsion Products
BV

Tempo de ação: 1 s
Gás: 1600 K, 6,9 MPa


Formulário
pc 

R  k1 

 6,9 MPa 

n


wg  Ab R p

 Ab 
pc  k 2  
A 
 0

1
1 n

R : taxa de queima linear (m/s)
k1 : constante que representa a velocidade de combustão linear de um propelente, a
uma dada temperatura inicial e uma pressão de câmara de 6,9 MPa.
pc : pressão na câmara de combustão (Pa)
n : constante que ajusta a sensibilidade da taxa de queima de propelente a alterações
na pressão, a uma dada temperatura.

wg : taxa de massa gerada (N/s ou kg/s)
Ab : área queimada (m2)
A0 : área do orifício de saída (m2)
 : densidade do propelente
k2 : constante característica do propelente a uma dada temperatura

Geradores de gás a monopropelente
Monopropelentes tais como peróxido de
hidrogênio (H2O2) e hidrazina (N2H4) têm sido
utilizados como geradores de gás em muitas
aplicações.
Eles permitem que o sistema gerador seja bem
simples e não requerem ajustes devido à razão
de mistura.

Vantagens:
• Relativamente fáceis
de controlar

• Temperatura
previsíveis


Valores típicos:
H2O2 + 10% água
Espessura do leito catalítico: 5 a 8 cm


Queda de pressão
no leito catalítico

Área total do leito
catalítico

1
C1Gb,95
Pb 
 C2 t
0,9
pc

Ab 

Gb : vazão do propelente (kg/m2 s ou N/m2 s)
pc : pressão ao final do leito catalítico (Pa)
t : tempo de operação (s)
C1 e C2 : constantes dependentes do catalisador



wg
Gb

Exemplo 1
Um gerador gás monopropelente usa peróxido
de hidrogênio está ligada diretamente à flange
de entrada da turbina da bomba de
combustível.
Dados: pressão de entrada da turbina, 2,34422
MPa, a área total da entrada da turbina, a 5,00
cm2. Assuma o valor de c* com sendo 938,784
m/s para H2O2 a 90%.

Exemplo 1
As constantes do leito catalítico são:
Gb = 2757,9 Pa/s,
C1 = 7,2 x 104 e
C2 = 144,79 Pa/s.

Determine a vazão gerador de gás, wc , a área
do leito catalítico, e a queda de pressão após
480 segundos de tempo de execução.

Resolução
• A pressão do gerador de gás deve ser igual à pressão de entrada
da turbina: 2,34422 MPa.
• A área da garganta do gerador de gás deve ser igual à área total
da entrada da turbina: 5,00 cm2.
Usando a expressão da velocidade característica (aula 4, slide 42):

pc At g
c* 

wc


wc 

2,34422 10 5 10 9,8

6


wc

pc At g
c*

4

938,784



wc  12,2771 N/s

Resolução
Área do leito catalítico:

Ab 


wg

12,2771
Ab 
2757,9

Gb

Ab  44,516 cm 2

Queda de pressão no leito catalítico após 480 s:
1
C1Gb,95
Pb 
 C2 t
0,9
pc

7,2 10  2757,9
P 
2,34422 10 
4

b

1, 95

6 0,9

 144,79  480
Pb  506,7 kPa


Geradores de gás a bipropelente
Este sistema de
geração de gás é
usado mais
amplamente em
sistemas de motores
foguetes de
combustível líquido
que qualquer outro,
uma vez que faz uso
dos propelentes
primários.
Saída do gerador de gás do motor F-1.

Geradores de gás a bipropelente
Geradores de gás bipropelentes funcionam da
mesma maneira que a câmara combustão
principal.
A única exceção é a proporção oxidantecombustível, que é ajustada para produzir
diferentes temperaturas e pressões.


Efeitos da mistura
• Misturas ricas em oxidante tendem a acelerar
a erosão dos elementos estruturais.
• Misturas ricas em combustíveis tendem a
continuar a queimar no ar ambiente,
requerendo medidas especiais para evitar
danos.


Caso de estudo

Gerador de gás
do SATURN H-1


“Desvio de gás”
Tapoff system
• Uma parte dos gases
gerados na câmara de
combustão principal é
desviada para alimentar a
turbina.
• Funciona bem com LO2/LH2.

• Ainda exige um sistema para
dar a partida.


IGNITORES


“dar a partida”
O início da queima no motor
pode ser realizada através de
vários métodos:
• Velas
• Hipergólica
• Catalizadores


Tempo mínimo de ignição
Se os propelentes que entram na câmara de
combustão não são prontamente
inflamados, pode-se formar misturas
explosivas e causar explosões prejudiciais.
A garantia de perfeita ignição é dependente de
1. escolha do método de ignição
2. qualidade do projeto
3. liberação de calor adequada.


Ignitores pirotécnicos
Tempo de combustão de poucos
segundos.
Na câmara de combustão, pode
ser montado junto dos
injetores ou inserido
externamente, através do
bocal.
Para uma melhor distribuição
de calor, pode-se usar várias
unidades em distribuição
radial.

Ignitores pirotécnicos
Uso em foguetismo amador.


Ignitores hipergólicos
Um “par hipergólico” designa
dois líquidos que entram
em combustão instatânea
quando são misturados.
Esse par, em geral é
constituído por um
combustível e um oxidante.
Exemplos:
• Tetróxido de nitrogênio +
Hidrazina
• Metil-hidrazina + Dimetilhidrazina assimétrica

Tanques de combustíveis hipergólicos
do controle de atitude do ônibus
espacial.


Ignitores hipergólicos
O desenvolvimento de
motores de foguetes usando
pares hipergólicos remonta
a 1931, quando Valentin
Glushko fez algumas
experiências, e a 1935,
quando O. Lutz, cientista
alemão, efetuou
experiências com mais de
1000 compostos químicos,
com essa finalidade.
Esquema de um ignitor hipergólico.


Ignitores elétricos
• Uma vela de ignição é um
dispositivo elétrico inflama a
mistura de propelentes por meio
de uma faísca elétrica.
• A vela recebe a voltagem de 20 ou
30 mil Volts da bobina e, devido à
propriedade de continuidade de
circulação da corrente nos circuitos
indutivos, faz saltar uma centelha
em sua ponta.

• Como a ponta da vela está no
interior da câmara de
combustão, tal centelha
provoca a explosão da mistura.
• Especialmente útil no caso de
motores de devem ser ligados e
desligados.


• Circuito básico


Na próxima aula...
• Sistemas de pressurização


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