Estudos sobre o uso de um motor scramjet como estágio atmosférico em um veículo lançador de nanossatélites
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFRN |
Texto Completo: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/47668 |
Resumo: | Esta Dissertação de Mestrado apresenta um projeto preliminar de um veículo aeroespacial, utilizando propulsão hipersônica aspirada baseada em combustão supersônica (tecnologia scramjet), para voo atmosférico a 20 km de altitude, em velocidade hipersônica, correspondente ao número de Mach 5,79. Scramjet é um motor aeronáutico sem partes móveis, onde o veículo aeroespacial integrado a tecnologia scramjet (sistema de propulsão) deverá ser acoplado ao motor foguete. O atual meio de acesso ao espaço é limitado pelo sistema de propulsão química (combustível sólido e/ou líquido) levado a bordo de foguetes. A tecnologia da combustão supersônica (scramjet) está sendo estudada como um sistema de propulsão aspirada, a ser utilizada na fase atmosférica terrestre, para acesso ao espaço. Um demonstrador foi projetado para ser acoplado ao motor foguete Sonda III, para operar como segundo estágio, iniciando a operação à 20 km de altitude. A teoria de ondas de choque oblíquas planas, a teoria de adição de calor em escoamento unidimensional (teoria de Rayleigh) e teoria de ondas de expansão (de Prandtl-Meyer) acoplada a razão de área são aplicadas no projeto das seções de compressão, de combustão e de expansão, respectivamente, do demonstrador scramjet com configuração de admissão interna. Foi considerada velocidade em regime permanente, escoamento unidimensional e ar em condições de gás caloricamente perfeito. São apresentadas as propriedades termodinâmicas (pressão, temperatura, massa específica, velocidade do som) e velocidade do escoamento (número de Mach) ao longo da linha de corrente do bordo de ataque até o bordo de fuga do demonstrador, considerando escoamento sem e com efeitos de camada limite, para as condições de sem queima de combustível (power-off) e com queima de combustível (power-on). Por fim, apresenta-se o projeto conceitual e uma breve abordagem sobre engenharia de sistemas no desenvolvimento de um veículo lançador de nanossatélites. |
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Scramjet é um motor aeronáutico sem partes móveis, onde o veículo aeroespacial integrado a tecnologia scramjet (sistema de propulsão) deverá ser acoplado ao motor foguete. O atual meio de acesso ao espaço é limitado pelo sistema de propulsão química (combustível sólido e/ou líquido) levado a bordo de foguetes. A tecnologia da combustão supersônica (scramjet) está sendo estudada como um sistema de propulsão aspirada, a ser utilizada na fase atmosférica terrestre, para acesso ao espaço. Um demonstrador foi projetado para ser acoplado ao motor foguete Sonda III, para operar como segundo estágio, iniciando a operação à 20 km de altitude. A teoria de ondas de choque oblíquas planas, a teoria de adição de calor em escoamento unidimensional (teoria de Rayleigh) e teoria de ondas de expansão (de Prandtl-Meyer) acoplada a razão de área são aplicadas no projeto das seções de compressão, de combustão e de expansão, respectivamente, do demonstrador scramjet com configuração de admissão interna. Foi considerada velocidade em regime permanente, escoamento unidimensional e ar em condições de gás caloricamente perfeito. São apresentadas as propriedades termodinâmicas (pressão, temperatura, massa específica, velocidade do som) e velocidade do escoamento (número de Mach) ao longo da linha de corrente do bordo de ataque até o bordo de fuga do demonstrador, considerando escoamento sem e com efeitos de camada limite, para as condições de sem queima de combustível (power-off) e com queima de combustível (power-on). Por fim, apresenta-se o projeto conceitual e uma breve abordagem sobre engenharia de sistemas no desenvolvimento de um veículo lançador de nanossatélites.This Master Degree thesis presents a preliminary design of an aerospace vehicle, using hypersonic airbreathing propulsion based on supersonic combustion (scramjet technology), for atmospheric flight at 20 km altitude, at hypersonic speed, corresponding to Mach number 5.79. Scramjet is an aeronautical engine without moving parts, where the aerospace vehicle integrated with scramjet technology (propulsion system) must be coupled to a rocket engine. The current means of access to space is limited by the chemical propulsion system (solid and / or liquid fuel) carried onboard rockets. The technology of supersonic combustion (scramjet) is being studied as an airbreathing propulsion system, to be used in the dense layers of the Earth's atmosphere, to access space. A demonstrator was being designed to be coupled to the Sonda III rocket engine, to operate as a second stage, starting the operation at 20 km altitude. The theory of oblique shock waves, the theory of heat addition in one-dimensional flow (Rayleigh's theory) and the theory of expansion waves (by Prandtl-Meyer) coupled to the area ratio are applied in the design of the compression sections, of combustion and expansion, respectively, of the scramjet demonstrator with internal admission configuration. Steady state, onedimensional flow and air under calorically perfect gas conditions are considered. Thermodynamic properties (pressure, temperature, density, speed of sound) and flow velocity (Mach number) is presented along the streamline from the leading edge to the trailing edge of the demonstrator, considering flow without and with boundary layer effects, for the conditions of no fuel burning (power-off) and fuel burning (power-on). Finally, the conceptual design and a brief approach to systems engineering in the development of a nanosatellite launch vehicle are presented.Universidade Federal do Rio Grande do NortePROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIALUFRNBrasilScramjetCombustão supersônicaVeículo lançadorNanossatélitesEstudos sobre o uso de um motor scramjet como estágio atmosférico em um veículo lançador de nanossatélitesStudies on the use of a scramjet engine as atmospheric stage in a nanosatellite launch vehicleinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNORIGINALEstudossobreuso_Silva_2022.pdfapplication/pdf3097737https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/47668/1/Estudossobreuso_Silva_2022.pdfe5fc6a6ee590ca6b8861969e293e0c88MD51123456789/476682022-06-14 18:44:17.217oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/47668Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/opendoar:2022-06-14T21:44:17Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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