Apresentação do PowerPoint - IEAv
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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
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