Tubeira e tampa de durepoxi / Ótimos resultados

Foi utilizado durepoxi para fazer a tampa e tubeira do motor-foguete, facilitando muito o trabalho de prensagem, agora basta apenas prensar o propelente.

Foi feito 2 motores sem parte divergente para visualizar o potencial deste novo método de fabricação.

São os seguintes:

Motor MEP_20:


Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 17,0 mm.
Comprimento total: 65,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~9,1 g
Diâmetro interno do grão : 5,0 mm
Diâmetro da garganta: 2.38125 mm ou 3/32 "



Curva de Empuxo:

Lembrando que neste teste não houve nenhum divergente.

Valores da curva de empuxo obtidos com o teste, considerando o fator de conversão de gramas-força para N de (9.81 N/kgf):

It = 3.99 N.s
Fmed = 2.85 N
Fmax = 4.12 N
tq = 1.40 s
fm = 5.86 g/s
c = 486.51 m/s
Is = 49.61 s

CLASSIFICAÇÃO: B3-0

Considerando um coeficiente de empuxo = 1,08, é possível encontrar a análoga curva de pressão em função do tempo (p = F/(At*Cf), possuindo as seguintes características:

Pmed = 567.01 kPa
Pmax = 855.39 kPa

OBS:
Houve a erosão de parte da tubeira durante o funcionamento do motor, o que pode ter ocasionado uma diminuição da pressão no interior da câmara e uma menor força de empuxo.



Motor MEP_15:


Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 11,8 mm.
Comprimento total: 60,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~4,4 g
Diâmetro interno do grão : 3,0 mm
Diâmetro da garganta: 2.38125 mm ou 3/32 "


Curva de Empuxo:

Lembrando que neste teste não houve nenhum divergente.

Valores da curva de empuxo obtidos com o teste, considerando o fator de conversão de gramas-força para N de (9.81 N/kgf):

It = 2.08 N.s
Fmed = 1.23 N
Fmax = 2.26 N
tq = 1.70 s
fm = 2.24 g/s
c = 548.59 m/s
Is = 55.94 s

CLASSIFICAÇÃO: A1-0

Considerando um coeficiente de empuxo = 0,92, é possível encontrar a análoga curva de pressão em função do tempo (p = F/(At*Cf) ), possuindo as seguintes características:

Pmed = 289.65 kPa
Pmax = 550.41 kPa

CONCLUSÃO:

O método de fabricação do motor-foguete utilizando durepoxi é muito fácil, não é exatamente rápido, pois há a necessidade de esperar cerca de 2h após a fabricação da tubeira para prensar o propelente, furar o propelente, furar a garganta no durepoxi e finalmente pôr a tampa, esperando cerca de 12 h após isto para máxima resistência...
Mas este esquema de fabricação aguenta pressões muito maiores que a esmectita e geralmente mantêm a geometria, diferentemente da esmectita.
A pressurização e despressurização são rápidas, deixando o tempo total de queima muito menor.

Método novo de produzir o motor-foguete / Problemas

Para minimizar o efeito da queima erosiva, facilitar a pressurização da câmara de combustão, entre outros, é utilizado um diâmetro interno do grão propelente maior do que a garganta.
Na prática é necessário furar a garganta com uma broca menor e o propelente com uma broca maior.

No entanto isso é muito difícil de se fazer com os motores que eu estou fazendo atualmente, onde a argila e o propelente são prensados um em cima do outro.

A forma que encontrei foi utilizar dois pedaços de tubo, em um deles é feito a tubeira e furado com a broca menor, e o outro é feito a tampa e propelente, este último furado com a broca maior.

A junção é que é o problema, se for colada apenas de topo, os gases exercerão força grande demais e a junção irá abrir.
Se for utilizado um pedaço de tubo cortado e colado no interior do tubo, os gases podem escapar por esta região ...
Foram estas conclusões que eu cheguei com base nestes testes a seguir:




Neste teste infelizmente houve a ejeção SIMULTÂNEA da tampa e da tubeira, estragando a balança de 1 kg...

Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 17,0 mm.
Comprimento total: 85,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~9,1 g
Diâmetro interno do grão : 5,0 mm
Diâmetro da garganta: 2,5 mm





Este teste funcionou perfeitamente:

Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 11,8 mm.
Comprimento total: 60,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~4,4 g
Diâmetro interno do grão : 5,0 mm
Diâmetro da garganta: 3/32 " ou 2.38125 mm






Neste teste infelizmente houve a ejeção da junção entre a tampa e a tubeira, estragando a balança de 5 kg...

É interessante notar que no momento da separação a força de empuxo era superior 1 kg de força !!

Ou seja as duas balanças estragaram, mas foi possível recuperá-las depois.

Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 17,0 mm.
Comprimento total: 85,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~9,1 g
Diâmetro interno do grão : 5,0 mm
Diâmetro da garganta: 2,5 mm






Neste teste houve vazamento dos gases na região da junção, denotando a necessidade de protegê-la mais ...

Mas este motor era para ter queima tipo cigarro, onde a área de queima é constante ao longo da queima.

Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 27,8 mm.
Comprimento total: 100,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~24,4 g
Diâmetro da garganta: 2,5 mm






Da mesma forma que o teste anterior houve vazamento dos gases na região da junção, denotando a necessidade de protegê-la mais...

Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 17,0 mm.
Comprimento total: 85,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~9,1 g
Diâmetro interno do grão : 5,0 mm
Diâmetro da garganta: 2,5 mm



CONCLUSÃO
Nos novos testes deverá ser feito uma proteção especial na área da junção, com silicone ou algo do tipo, para evitar vazamento de gases ou até a separação nesta junção.

Estudo mais aprofundado do comportamento do motor com tubo extra

Foram feitos 6 testes no banco estático caseiro de 1kg, 3 sem o tubo extra e 3 com o tubo extra, os resultados são os que seguem.

Todos os motores possuem as seguintes características principais:

Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 11,8 mm.
Comprimento total: 60,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~4,4g
Diâmetro interno do grão : ~2,5 mm

No entanto os com tubo extra possuem mais 40 mm de tubo além da tubeira!


Primeiro os testes sem o tubo extra, denominados como ML1 a ML3:

ML1

Curva de empuxo:

Após o teste estático, resultados calculados:

tq = 1,90 s

mp = 4,0 g

Fmed = 1,02 N

It = 1,93 N.s

Classe : A1-0

fm = 2,11 g/s 

c = 482,1 m/s

Is = 49,16 s

ML2

Curva de empuxo:

Após o teste estático, resultados calculados:

tq = 2,10 s

mp = 3,9 g

Fmed = 0,84 N

It = 1,77 N.s

Classe : A1-0

fm = 1,86 g/s 

c = 453,0 m/s

Is = 46,19 s

ML3

Curva de empuxo:

Após o teste estático, resultados calculados:

tq = 2,20 s

mp = 3,9 g

Fmed = 0,78 N

It = 1,71 N.s

Classe : A1-0

fm = 1,77 g/s 

c = 437,3 m/s

Is = 44,59 s

Agora os motores com o tubo extra de 40 mm,  denominados como MP1 a MP3:

MP1

Curva de empuxo:

Após o teste estático, resultados calculados:

tq = 1,07 s

mp = 4,1 g

Fmed = 0,31 N

It = 0,33 N.s

Classe : 1/4A0-0

fm = 3,85 g/s 

c = 81,55 m/s

Is = 8,32 s

MP2

Curva de empuxo:

Após o teste estático, resultados calculados:

tq = 1,67 s

mp = 3,9 g

Fmed = 0,34 N

It = 0,56 N.s

Classe : 1/4A0-0

fm = 2,34 g/s 

c = 143,80 m/s

Is = 14,66 s

MP3

Neste teste infelizmente a balança travou e não foi possível obter a curva de empuxo correta, mas o vídeo segue abaixo:

CONCLUSÕES

- O tubo extra de 40 mm piora em muito o desempenho do motor, gerando um impulso total três vezes menor.

- O barulho é forte, mas não tão forte quanto o motor normal, o que denota velocidades do escoamento menores.

Banco estático caseiro (5kg) - Tubo extra na saída dos gases

Neste teste foi utilizado uma balança de 5 kg de peso máximo para descobrir a força do motor-foguete em cada instante de tempo, marcando o tempo pela própria câmera fotográfica. Ou seja, utilizou-se um banco estático caseiro

Diferentemente dos outros testes, neste foi utilizado um pedaço de tubo a mais na saída dos gases!! Simplesmente para fazer um foguete onde o peso (motor em si) estivesse muito próximo do nariz do foguete. Aumentando a margem estática e permitindo o uso de empenas menores que geram menor arrasto.

Dados gerais do Motor:
Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 11,8 mm.
Comprimento total: ~100,0 mm, sendo 60 mm de motor e 40 mm extras
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~4,4g
Diâmetro interno do grão : ~2,5 mm

Nota-se muitas coisas interessantes neste vídeo !!!
- a força é muito pequena comparando aos motores normais (sem os 40 mm de tubo extra), é no máximo 120 g comparado a 320 g dos motores normais
- o tempo de queima é mais rápido que os motores normais desta classe, mesmo assim a força não é maior, pelo contrário é muito menor...
- o comportamento deste motor se assemelha muito ao testado na UFPR, utilizando-se divergente tipo sino !!
- a expansão dos gases é muito grande, nota-se que a pluma sai por toda a extensão do diâmetro interno do tubo !!

É interessante tentar entender mais sobre este fenômeno...

Banco estático caseiro - Coerência nos resultados

Foi utilizado uma balança de 1 kg de força máxima com divisão de escala de 20 em 20 g para descobrir a força do motor em cada instante de tempo, ou seja, foi feito um banco estático caseiro!!

Para testar o banco estático, foi realizado 3 testes com um motor que foi testado exaustivamente no banco estático da UFPR que utiliza uma célula de carga para obter os dados da força em relação ao tempo. Os dados encontrados com o banco estático caseiro e o banco estático da UFPR são muito coerentes e próximos, indicando pouco erro ao utilizar este sistema!!

Motor M01

CURVA DE EMPUXO:

Dados gerais do Motor:
Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 11,8 mm.
Comprimento total: 70,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 40,0 mm
Massa de propelente colocada: ~5,9g
Diâmetro interno do grão : ~2,5 mm



Após o teste estático, dados calculados:
tq = 2,36 s
mp = 5,5 g

Fmed = 1,39 N
It = 3,26 N.s
Classe : B1-0

fm = 2,34 g/s
c = 592,1 m/s
Is = 60,38 s

Motor M02

CURVA DE EMPUXO:

Dados gerais do Motor:
Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 11,8 mm.
Comprimento total: 70,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 40,0 mm
Massa de propelente colocada: ~5,9g
Diâmetro interno do grão : ~2,5 mm



Após o teste estático, dados calculados:
tq = 2,53 s
mp = 5,0 g

Fmed = 0,98 N
It = 2,45 N.s
Classe : A1-0

fm = 2,00 g/s
c = 490,3 m/s
Is = 50,00 s


Motor M03

CURVA DE EMPUXO:

Dados gerais do Motor:
Motor teste com tubo de PVC de diâmetro interno de 11,8 mm.
Comprimento total: 70,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU): 40,0 mm
Massa de propelente colocada: ~5,9g
Diâmetro interno do grão : ~2,5 mm



Após o teste estático, dados calculados:
tq = 2,23 s
mp = 5,4 g

Fmed = 1,24 N
It = 2,74 N.s
Classe : B1-0

fm = 2,45 g/s
c = 507,0 m/s
Is = 51,70 s

CONCLUSÃO:

Os resultados utilizando o banco estático 'balança' geram resultados coerentes com o banco estático utilizando célula de carga, embora a precisão seja prejudicada pela oscilação da agulha da balança.
O fluxo de massa não é contabilizado no cálculo, no entanto, a força máxima gerada por este motor é até 20 vezes maior do que o peso do próprio motor, ou seja, o erro é pequeno.

Mas infelizmente os resultados não foram próximos, no entanto os 3 motores foram feitos com a mesma quantidade de propelente e garganta, provavelmente a perfuração gera a imprecisão no resultado, ou a balança pode ter deslocado um pouco para fora no instante do teste.

É viável utilizar este tipo de banco estático, mas a coleta de dados do vídeo é onerosa e a imprecisão deve ser melhor investigada .