Apresentação do PowerPoint - IEAv

Aerotermodinâmica de Veículos Espaciais em Reentrada Atmosférica
Paulo Gilberto de Paula Toro ([email protected]) , Marco Antonio Sala Minucci ([email protected]), José Brosler Chanes Jr. ([email protected]),
Angelo Passaro ([email protected]), Francisco Rocamora Junior ([email protected]), Mauricio Antoniazzi Pinheiro ([email protected]),
Heidi Korzenowski ([email protected]), Felix Sharipov ([email protected]), José Márcio Machado ([email protected])
Resumo
O projeto de pesquisa tem como objetivo aperfeiçoar e ampliar a capacitação em pesquisa, desenvolvida no projeto UNIESPACO 2000, em aerotermodinâmica de veículos
espaciais em reentrada atmosférica. Investigação experimental e simulação numérica considerando meio contínuo e ar rarefeito serão utilizados na realização deste projeto,
que deverá contribuir para a formação de um banco de dados, em aerotermodinâmica de veículos espaciais em reentrada atmosférica, através da “criação” de uma rede de
núcleos de trabalho nas áreas envolvidas. Está prevista a formação de novos núcleos no Instituto de Estudos Avançados, IEAv, e na Universidade Estadual de São Paulo
(UNESP-São José do Rio Preto) nas áreas de simulação numérica de Veículos Espaciais em atmosfera contínua.
Introdução
Tabela 1: Características aerotermodinâmicas do veículo SARA suborbital.
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
Altitude
[km]
250
[km/s]
Velocidade
8
1.6
6
1.2
0
4
0.8
2
0.4
0
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.
SubOrbital
679.52
609.60
522.06
411.86
278.28
198.61
186.87
202.91
231.78
266.06
251.70
224.82
216.65
Orbital
Número
de
Knudsen
1.42 10-9
2.55 10-9
5.22 10-9
1.36 10-8
5.64 10-8
4.20 10-7
3.52 10-6
2.60 10-5
1.52 10-4
7.11 10-4
3.72 10-3
2.39 10-2
1.10 10-1
Velocidade
1.70 102
9.82 101
4.93 101
1.96 101
4.90 100
6.91 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
Número
de Mach
Número de
Reynolds
3.76
4.11
4.60
5.36
6.78
8.39
8.92
8.73
8.32
7.87
8.09
7.81
5.10
5.11 10-2
1.03 10-1
2.39 10-1
7.46 10-1
4.27 101
4.24 102
3.92 102
2.72 103
1.40 104
5.88 104
3.27 105
2.04 106
6.46 107
m/s
2173.32
2218.48
2263.84
2309.40
2355.16
2401.12
2447.25
2493.33
2537.90
2574.84
2573.42
2347.01
1505.73
Projeto de Pesquisa
9
9
9
100
0
3.40 10-4
5.30 10-4
9.05 10-4
1.80 10-3
4.85 10-3
2.46 10-2
1.89 10-1
1.51 100
1.01 101
5.43 101
2.69 102
1.54 103
6.84 104
2.0
150
Fluxo de Calor
157.104
146.471
135.608
124.513
113.186
101.627
89.834
77.807
65.550
53.080
40.490
28.300
18.644
US Standard Atmosphere 1976
Pressão
Temperatura
Densidade
Pa
K
Kg/m3
[MW/m2]
200
50
Altitude
km
Objetivos:
Capacitação em aerotermodinâmica de veículos espaciais;
Formação de banco de dados em aerotermodinâmica de veículos espaciais;
Criação de núcleos de trabalho nas áreas experimental e numérica.
Sistemas de proteção térmica envolvem a combinação de várias metodologias
que devem ser empregadas para fornecer os dados necessários para projeto, visto
não ser possível a completa simulação em laboratório de todas as condições do vôo
de reentrada atmosférica, nem ser possível a simulação numérica através da
modelagem matemática de todos os fenômenos termo-físicos envolvidos em uma
dada condição de vôo.
Conseqüentemente, a investigação experimental e a simulação numérica,
considerando meio contínuo e ar rarefeito, deverão ser aplicadas no demonstrador
SARA em trajetória orbital e sub-orbital. Deverão ser obtidos as distribuições de
pressão e de fluxo de calor sobre a superfície externa frontal, assim como a
visualização da interação do escoamento hipersônico e veículo espacial.
A Investigação Experimental será realizada no Laboratório de Aerotermodinâmica
e Hipersônica (LAH) do IEAv/CTA, no túnel de vento hipersônico pulsado.
O túnel possui uma seção de teste cilíndrica com diâmetro de 300 mm capaz de
produzir velocidades do ar de até 5.000 m/s, com entalpias e pressões de estagnação
de até 9 MJ/kg (5.000 K de temperatura de estagnação) e 150 atm, respectivamente. A
entalpia (temperatura) e o número de Mach, na seção de teste do túnel, são obtidos
com a adequação do gás e da pressão do gás utilizado na seção de alta pressão, da
pressão do ar na seção de baixa pressão e da relação de áreas entre a garganta sônica
e a do diâmetro da saída do divergente da seção de teste. O tempo de teste útil do
túnel é da ordem de 1,5 a 0,5 milisegundo, o qual é adequado para obter as
características aerotermodinâmicas de pressão e fluxo de calor.
A Simulação Numérica em meio contínuo será realizada no Instituto de
Pesquisas & Desenvolvimento (IPD) da Universidade do Vale do Paraíba (UNIVAP).
Discretização em volumes finitos aplicada nas equações de Navier-Stokes em
duas dimensões será utilizada considerando esquema de separação de vetores de
fluxo AUSM+ de Liou.
A Simulação Numérica do ar rarefeito será realizada no Departamento de Física
da Universidade Federal do Paraná.
Acima de aproximadamente 90 km a atmosfera terrestre tem comportamento de
gás rarefeito, Nestas condições as equações da mecânica dos meios contínuos
(equações de Navier-Stokes) não são válidas, ou seja, o escoamento hipersônico
precisa ser resolvido ao nível da função de distribuição das velocidades moleculares,
utilizando a metodologia de Simulação Direta de Monte Carlo.
Equipe
Figura 2: Trajetórias de re-entrada do demonstrador SARA suborbital e orbital.
Núcleo Experimental
IEAv
Paulo Gilberto de Paula Toro
Marco Antonio Sala Minucci
José Brosler Chanes Jr.
Núcleo CFD Contínuo
UNIVAP
Heidi Korzenowski
IEAv
Angelo Passaro
Francisco D. Rocamora Jr.
Mauricio A. P. Rosa
UNESP
José Márcio Machado
UFPR
Felix Sharipov
Núcleo CFD Rarefeito