Aerotermodinâmica de Veículos Espaciais em - IEAv

Aerotermodinâmica de Veículos Espaciais em Reentrada Atmosférica
Instituto de Estudos Avançados
Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica
Paulo Gilberto de Paula Toro ([email protected]) (12-3947-5412), Marco Antonio Sala Minucci ([email protected])
José Brosler Chanes Jr. ([email protected]), Antonio Carlos de Oliveira ([email protected]), Artur da Cunha Menezes Filho ([email protected])
Resumo
O projeto de pesquisa tem como objetivo aperfeiçoar e ampliar a capacitação em pesquisa, desenvolvida no projeto UNIESPACO 2000, em aerotermodinâmica
experimental de veículos espaciais em reentrada atmosférica. “Aerotermodinâmica de Veículos Espaciais em Reentrada Atmosférica” está qualificada como tecnologia
prioritária e estratégica para o Brasil, como demonstra o manifesto dos Ministérios da Defesa e da Ciência e Tecnologia, o qual envolve diretamente duas áreas de
pesquisa: Hipervelocidade e Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD).
Tabela 1: Características aerotermodinâmicas do veículo SARA sub-orbital.
Introdução
Veículos espaciais que entram na atmosfera terrestre na direção do solo, em
velocidades hipersônicas, encontram resistência ao deslocamento do veículo
desacelerando-o com a conversão de energia cinética em energia térmica. A energia
térmica gerada da ordem de MW/m2 provoca um aumento da temperatura da atmosfera
que circunda a superfície externa do veículo. Conseqüentemente, provoca um aumento
da temperatura da parede do veículo espacial, evidenciando a necessidade de se
projetar um sistema de proteção térmica que mantenha as temperaturas da parede e
do ambiente interno do veículo espacial em níveis aceitáveis.
O veículo, demonstrador da tecnologia de veículo de re-entrada atmosférica,
SARA (SAtélite Recuperável Atmosférico) tem como objetivo o desenvolvimento de
um satélite, de dimensões reduzidas, recuperável em solo e reutilizável. Este veículo
deverá ser utilizado em experimentos de micro-gravidade (10-5 g), em órbitas
equatoriais baixas (300 km), de curta permanência (10 a 15 dias). Os estudos de
viabilidade e a concepção do SARA (Figura 1) estão sendo realizados em conjunto pelo
Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE/CTA) e pelo Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais (INPE). O veículo demonstrador SARA é um projeto de desenvolvimento
tecnológico do programa espacial brasileiro, financiado pela Agência Espacial
Brasileira (AEB).
300
10
[km]
Altitude
250
[km/s]
Velocidade
2.0
[MW/m2]
8
1.6
6
1.2
4
0.8
2
0.4
0
0.0
Altitude
km
US Standard Atmosphere 1976
Pressão
Temperatura
Densidade
Pa
Kg/m 3
K
Número
de
Knudsen
Velocidade
Número
de Mach
Número de
Reynolds
m/s
157.104
146.471
3.40 10-4
5.30 10-4
679.52
609.60
1.42 10-9
2.55 10-9
1.70 102
9.82 101
2173.32
2218.48
3.76
4.11
5.11 10-2
1.03 10-1
135.608
124.513
113.186
101.627
9.05 10-4
1.80 10-3
4.85 10-3
2.46 10-2
522.06
411.86
278.28
198.61
5.22 10-9
1.36 10-8
5.64 10-8
4.20 10-7
4.93 101
1.96 101
4.90 100
6.91 10-1
2263.84
2309.40
2355.16
2401.12
4.60
5.36
6.78
8.39
2.39 10-1
7.46 10-1
4.27 101
4.24 102
89.834
77.807
65.550
53.080
40.490
28.300
18.644
1.89 10-1
1.51 100
1.01 101
5.43 101
2.69 102
1.54 103
6.84 104
186.87
202.91
231.78
266.06
251.7
224.82
216.65
3.52 10-6
2.60 10-5
1.52 10-4
7.11 10-04
3.72 10-3
2.39 10-2
1.10 10-1
8.44 10-2
1.15 10-2
1.96 10-3
4.18 10-4
8.00 10-5
1.24 10-5
2.71 10-6
2447.25
2493.33
2537.90
2574.84
2573.42
2347.01
1505.73
8.92
8.73
8.32
7.87
8.09
7.81
5.10
3.92 102
2.72 103
1.40 104
5.88 104
3.27 105
2.04 106
6.46 107
Projeto de Pesquisa
Formação de recursos humanos e capacitação em aerotermodinâmica de veículos
espaciais.
200
150
100
Fluxo de Calor
50
0
0
500 1000 1500 2000 2500
Tempo [segundo]
Figura 1: Trajetória de reentrada preliminar e fluxo de calor no ponto de estagnação.
O principal desafio tecnológico de projeto de sistemas de proteção térmica de
veículos espaciais é a caracterização da complexidade dos vários regimes de vôo, nas
várias camadas da atmosfera terrestre e dos fenômenos termo-físicos inerentes a este
agressivo ambiente aerotermodinâmico (Figura 2), tais como: escoamento contínuo X
escoamento não contínuo (escoamento molecular livre e escoamento de transição),
equilíbrio químico X não equilíbrio químico, gás ideal (propriedades termo-físicas
constantes, ou função somente da temperatura) X gás real (propriedades termo-físicas
função da temperatura, da pressão e da composição química, resultando na
dissociação e ionização). Adicionalmente, deve-se levar em consideração os efeitos
catalíticos e ablativos dos materiais da parede de veículos espaciais.
Túnel de Vento Hipersônico Pulsado
Desenvolvimento e Calibração de Sensores de Fluxo de Calor _ Tubo de Choque
Sinal dos sensores de Fluxo de Calor
Figura 2: Trajetórias de re-entrada do demonstrador SARA suborbital e orbital.
Fotografia Schlieren do Escoamento Hipersônico
Projeto Financiado pela Agência Espacial Brasileira – Projeto UNIESPAÇO 2004