Calibração de balança para testes estáticos

Olá leitores!!

A calibração da balança para os testes estáticos é muito importante para conhecimento das incertezas e ter confiança nos resultados dos motores, resultando em projetos de foguetes de maior confiança.

Foi comprado recentemente 2 balanças de cozinha da marca Western com 1 kg de fundo de escala e resolução de 20g.

Foi realizado então um procedimento de calibração em uma das balanças, chamada de B1. onde 3 diferentes massas foram combinadas para gerar forças peso e assim calibrar a balança. O procedimento foi o seguinte:

1) A massa dos 3 corpos foi obtida com uma balança de precisão com fundo de escala de 1 kg e resolução de 0,1 g.

2) Com uma máquina fotográfica da marca Sony DSC WX-40 em um tripé, foram realizados filmagens da balança sem nenhuma carga e em seguida o corpo/combinação foi colocada suavemente.

3) Utilizando-se do programa de software livre Tracker (https://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/) foi obtido a curva de deformação do prato da balança em função do tempo

4) Considerando a aceleração da gravidade como 9,81 m/s2, as forças peso dos corpos foi obtida e obteve-se a constante da mola da balança em função da força aplicada, resultando no seguinte gráfico:

Percebe-se que a constante da mola não é de todo constante.

5) Desprezando o valor da primeira constante (de menor massa) e utilizando-se um nível de confiança de 95% obteve-se que a constante da mola é: 0,587 ± 0,058 N/mm

Percebe-se, no entanto, que a incerteza percentual é de 10%, o que é um valor relativamente alto, se fosse inferior a 5% poderia ser aceitável, mas no caso é relativamente alto.

Algumas imagens das filmagens realizadas:

Testes iniciais e ótimos resultados para um motor de cartolina, Di=10mm

Utilizando-se de cartolina e cola branca para fazer um tubo de 10 mm de diâmetro interno, alguns testes foram realizados para avaliar a viabilidade deste tipo de tubo para aplicações aeroespaciais!!

Teste de resistência 01:

Neste teste utilizou-se a balança para avaliar a força do motor, no entanto houve a ejeção de gases pela tampa (provavelmente alguma falha na cola quente), as características deste motor são:

Motor com tubo de papel Cartolina de diâmetro interno de 10,0 mm.
Comprimento total: 70,0 mm
Comprimento do propelente (KNSU) 50,0 mm
Massa de propelente ejetada: ~3,9 g
Diâmetro da alma do grão : 4,5 mm
Diâmetro da garganta: 3.0 mm

Outros materiais
Tubeira: Esmectita
Tampa: Cola Quente



Teste de resistência 02:

Já prevendo uma possível ejeção de gases, neste teste não utilizou-se a balança, desta vez o tubo não resistiu e houve o vazamento de gases através deste!! As características deste motor são exatamente iguais ao teste anterior




Os testes anteriores indicam que a pressão na câmara de combustão está muito alta, algumas opções de ação: (1) ou é utilizado outro tubo, (2) ou o comprimento do grão-propelente é reduzido ou (3) o diâmetro da garganta é aumentado, optou-se pela última opção.

Apenas a garganta foi aumentada para 3,5 mm, as outras características são exatamente iguais

Teste estático, m23_05_14:



Curva de Empuxo:

Resultados:

It = 2,70 N.s
Fmed = 3,24 N
Fmax = 5.11 N
tq = 0,83 s
fm = 4,68 g/s
c = 692,47 m/s
Is = 70,61 s

CLASSIFICAÇÃO: B3-0

Considerando um coeficiente de empuxo = 0.97, é possível encontrar a análoga curva de pressão em função do tempo, possuindo as seguintes características:
Pmed = 347,03 kPa
Pmax = 684,72 kPa

Conclusões:
- Estranhamente houve uma grande abertura da pluma na altura da garganta, indicando uma possível superexpansão dos gases pela escavação do divergente.
Será tentado realizar o mesmo teste estático sem esta escavação e ver se há um ganho ou não na força de empuxo.
- Realmente este foi o melhor motor de cartolina feito até agora que funcionou perfeitamente !! (Os outros passaram por problemas de contenção dos gases da combustão)

Motor com tubeira de esmectita e tampa de durepóxi - D = 20mm

Olá a todos!

Foi feito um teste de resistência de um motor com as seguintes características:

Tubo-motor:
- PVC de água fria De 20 mm
- Comprimento total: 90 mm
- Diâmetro interno 17 mm

Tubeira:
- Feita em esmectita
- Diâmetro da garganta: 3.0 mm
- Comprimento: ~20 mm
- Reforço lateral com a aplicação de cola quente para aumentar o atrito da tubeira com o tubo de PVC

Tampa:
- Feita em durepóxi
- Comprimento: ~15 mm
- Reforço lateral para evitar ejeção da tampa (pequenos furos laterais para aumentar o atrito com o tubo)

Grão-propelente:
- KNSU - tubular
- Comprimento: 50 mm
- Diâmetro da alma: 4.0 mm

Ignição:
- Estopim com uma pequena quantidade de pólvora interna.

Fixação:
- Dois tijolos laterais para fixação


Este teste de resistência foi um fracasso!

Houve a ejeção simultânea da tubeira e tampa .
Com direito a destruição parcial do tubo de PVC próximo a tubeira.

Isto provavelmente ocorreu pois a quantidade de pólvora colocada foi muito grande

Motor com durepóxi como tampa e tubeira - Diâmetro de 20 mm

Olá a todos!

Foi feito um teste de resistência de um motor um pouco maior, e possui as seguintes características:

Tubo-motor:
- PVC de água fria De 20 mm
- Comprimento total: 90 mm
- Diâmetro interno 17 mm

Tubeira:
- Feita em durepóxi
- Diâmetro da garganta (inicial): 3.0 mm
- Comprimento: ~20 mm
- Reforço lateral para evitar ejeção da tubeira

Tampa:
- Feita em durepóxi
- Comprimento: ~15 mm
- Reforço lateral para evitar ejeção da tampa

Grão-propelente:
- KNSU - tubular
- Comprimento: 50 mm
- Diâmetro da alma: 4.0 mm

Ignição:
- Estopim com pacote de pólvora interno

Fixação:
- Elástico, infelizmente o motor teve uma sobrecarga lateral e no fim da queima ele ficou de lado

O teste de resistência foi bem sucedido, mas infelizmente o diâmetro da garganta aumenta consideravelmente após o fim da queima.
Será cogitado algumas opções para diminuir este efeito, que diminui a pressão do motor, diminuindo assim seu desempenho.

Vídeo:

Testes estáticos dos motores com tubo de papel / Ignição elétrica

Olá a todos.

Ontem dia 30/04 foram testados 9 motores de papel, sendo 6 de papel kraft e 3 de cartolina.
A ignição foi feita com ignitores elétricos e pacotes de pólvora adaptados.

Para estes motores pequenos a ignição é uma parte fundamental, pois a ignição de uma pequena porção não permitirá a geração de uma pressão grande na câmara de combustão, levando a um decréscimo considerável no desempenho.

CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: ~12.5 mm
Diâmetro interno: 10 mm
Material: Tubo de papel kraft ou cartolina
Comprimento total: 55.0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~2,7 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 10.0 mm
Massa de esmectita colocada: ~1.4 g
Diâmetro da garganta: 3.0 mm

Tampa (feita em cola quente)

Todos os 9 testes estáticos foram editados em um único vídeo:




CURVAS DE EMPUXO:

m30_04_14_01

m30_04_14_02

m30_04_14_03 

m30_04_14_04 

m30_04_14_05

m30_04_14_06 

m30_04_14_07

m30_04_14_08

m30_04_14_09

OBSERVAÇÕES:

Os motores n° 03 e 06 falharam na contenção dos gases, embora o n° 03 tenha funcionado corretamente e este vazamento ocorreu apenas no fim da queima.

RESULTADOS:

CONCLUSÕES:

Claramente o desempenho (Is, c) dos motores n° 05, 06, 07 e 09 foram inferiores aos demais.
Um hipótese é que a ignição não ocorreu ao longo de todo o grão propelente.

O diâmetro interno do grão de todos os motores foi de 3.5 mm, que é apenas 0.5 mm menor que a garganta de 3.0 mm.
Isto significa que a área da porta para a garganta (parâmetro para avaliar queima erosiva, etc...) é de 1.36. Recomenda-se no mínimo 2.0, o que pode também ter dificultado a ignição completa do grão.

Talvez se o grão tivesse um diâmetro interno de 4.0 mm talvez não houvesse problemas de ignição parcial. Isto será testado em motores futuros.

Testes com o propelente KNSU recristalizado - Testes de queima MUUITO SATISFATÓRIOS

Há várias formas de preparar o propelente KNSU, a maneira que foi feita até aqui foi simples compressão do propelente no interior do motor foguete usando um martelo.

Mas há outras formas, uma bastante utilizada é o preparo à quente seco, onde o propelente é aquecido a uma temperatura próximo da caramelização do açúcar e então ele é injetado no molde que se deseja.
Esta forma não é tão segura pois as temperaturas que são atingidas estão próximas das temperaturas de fulgor do propelente!!! Um erro com a temperatura pode gerar sustos ou até no pior dos casos ser fatal para o fogueteiro amador.

Mas há uma outra forma, que foi encontrada no site do James Yawn:
http://www.jamesyawn.net/

Em seu site o autor cita uma forma de preparação do propelente utilizando-se água!!!
A água é utilizada para misturar e decompor totalmente o nitrato de potássio no açúcar.
Quando a mistura úmida é aquecida e seca, obtêm-se um propelente onde não há discussão sobre os tamanhos do grão de nitrato de potássio ou do açúcar pois o propelente está misturado na escala molecular!!

Os testes feitos HOJE dia 22/03/14 foram surpreendentes e incríveis. Ao contrário do método utilizado por James Yawn onde é utilizado uma quantia de Sorbitol, no teste feito hoje foi utilizado apenas propelente já misturado com 65% de KNO3 e 35% de Açúcar e decomposto em uma quantidade de água aquecida.
Infelizmente foi utilizado muuuuita água, a secagem total do propelente demorou mais de 1h.

Quando a mistura estava parcialmente seca, a mesma foi retirada do forno elétrico. Infelizmente ela ficou na forma de grânulos e não na forma de uma massa de pasta de amendoim como a do James Yawn, provavelmente pela falta do Sorbitol/Frutose/Etc.

Os testes a seguir mostram o comportamento da queima deste tipo de propelente, observa-se que não há praticamente nenhum resíduo na queima do propelente.

Neste primeiro vídeo a amostra tinha 25 mm e a queima se deu em cerca de 10 s, ou seja obteve-se uma taxa de queima de 2.5 mm/s, não é uma queima muito rápida, mas é muito interessante!!









CONCLUSÕES:

Este tipo de propelente é viável para motores foguete, no entanto melhores maneiras de prepará-lo são necessárias.
Em 2 dos 3 testes houve a separação da amostra em vários outros pedaços aumentando imensamente a área de queima e isto no interior de um motor foguete poderia ser suficiente para gerar uma falha catastrófica pelo aumento na pressão de estagnação.
Mais testes devem ser feitos, desta vez utilizando-se um pouco de Sorbitol como aglomerante para obter-se uma massa de verdade após a secagem do propelente!!

Motores feitos com tubos de papel (realmente funciona)

Foram feitos alguns tubos de papel com o intuito de utilizá-los para a fabricação de motores foguetes!

Foram utilizados 3 tipos de tubos de papel com 2 materiais diferentes, papel kraft e papel cartão, como mostra a figura a seguir:

Foram feitos 3 testes, um com cada tipo de tubo, utilizando a seguinte configuração em todos:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: ~19 mm
Diâmetro interno: 17 mm
Material: Tubo de papel kraft ou cartão
Comprimento total: 50,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 20,0 mm
Massa de propelente colocada: ~6,1 g
Diâmetro interno do grão : 4,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 17.0 mm
Massa de esmectita colocada: ~6.7 g
Diâmetro da garganta: 3.0 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 5 mm
Massa de durepóxi colocada: 3.6 g

Teste com o tubo de papel kraft de diâmetro externo menor:



Infelizmente neste teste houve o vazamento dos gases pelo lado do tubo, indicando espessura muito pequena da parede do tubo!!

Teste com o tubo de papel kraft de diâmetro externo maior:



Este teste funcionou perfeitamente !!!

Teste com o tubo de papel cartão:



Infelizmente neste teste houve vazamento de gases área da coroa da tampa, ou seja, ela não vedou suficientemente os gases!!!





Após estes testes preliminares foram feitos 10 tubos de diâmetro interno de 10 mm e 12.7 mm de diâmetro externo. Foram feitos mais 2 testes preliminares nesta configuração e com um grande diferencial!
A tampa foi feita utilizando-se COLA QUENTE, e funcionou perfeitamente!

Primeiro motor:



Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro interno: 10 mm
Material: Papel Kraft Enrolado
Comprimento total: 40,0 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 5 mm
Massa de esmectita colocada: ~0.7 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU): 20,0 mm


Segundo motor:


Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro interno: 10 mm
Material: Papel Kraft Enrolado
Comprimento total: 40,0 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 10 mm
Massa de esmectita colocada: ~1.3 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm

CONCLUSÕES:

Estes tubos de papel kraft ou cartão são totalmente viáveis e fáceis de se fazer.
Não foi mencionado o processo de fabricação destes tubos mas se resume a um papel machê: 2 partes de cola branca escolar para 1 parte de água.
Essa mistura é depositada com um pincel sobre o papel kraft e este é enrolado na matriz, no caso destes últimos motores de 10 mm de diâmetro interno foi utilizado um bastão de madeira.
E estes tubos ficam tão resistentes a ponto de serem viáveis para a fabricação de motores foguete para espaçomodelos!!!!

Algumas explosões acontecem, se preparem

Realmente algumas explosões ocorreram... utilizando o tubo de PVC de água fria de 20 mm.
Estes testes serão analisados e melhorias propostas...

Uma coisa que deve ser feita SEMPRE, é um teste de resistência... infelizmente a balança de 5 kg foi destruída neste primeiro teste por negligência de realizar o teste de resistência:



Outros testes também resultaram em explosão:

Preparações para a apresentação técnica sobre o banco estático caseiro - parte 2

Desta vez foi colocado 0.4 g de propelente a menos nos motores e refeito os 3 testes, agora sim todos os motores se encaixam na classe A !

Vamos aos testes:

M08_03_14_01:



Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 45,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 27,0 mm
Massa de propelente colocada: ~3,6 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 11.8 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 4 mm
Massa de durepóxi colocada: 1.6 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 12.3 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 8.9 g
Mp = Massa dos gases ejetados = 3.4 g

Resultados:
It = Impulso total = 1.89 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 1.57 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 3.27 N
tq = tempo de queima = 1.20 s

CLASSE = A 2

fm = Fluxo de massa médio = 2.83 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 554.77 m/s
Is = Impulso específico = 56.57 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 0.98, teremos:

Pressão média (na força média) = 361.52 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 753.09 kPa

M08_03_14_02:



Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 45,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 27,0 mm
Massa de propelente colocada: ~3,6 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 11.8 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 4 mm
Massa de durepóxi colocada: 1.6 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 12.3 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 8.9 g
Mp = Massa dos gases ejetados = 3.4 g

Resultados:
It = Impulso total = 2.17 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 1.55 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 3.07 N
tq = tempo de queima = 1.40 s

CLASSE = A 2

fm = Fluxo de massa médio = 2.43 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 638.11 m/s
Is = Impulso específico = 65.07 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 0.97, teremos:

Pressão média (na força média) = 358.53 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 711.30 kPa

M08_03_14_03:



Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 45,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 27,0 mm
Massa de propelente colocada: ~3,6 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 11.8 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 4 mm
Massa de durepóxi colocada: 1.6 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 12.6 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 9.1 g
Mp = Massa dos gases ejetados = 3.5 g

Resultados:
It = Impulso total = 2.00 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 1.57 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 5.11 N
tq = tempo de queima = 1.27 s

CLASSE = A 2

fm = Fluxo de massa médio = 2.76 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 570.57 m/s
Is = Impulso específico = 58.18 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 0.97, teremos:

Pressão média (na força média) = 362.95 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 1177.16 kPa


CONCLUSÂO:

Os três motores testados são tecnicamente viáveis para uso no festival de foguetes de Curitiba competindo pela classe A.
Em relação ao pico na força no terceiro motor, acredita-se que não é apenas a presença da pólvora que o produz (pois senão os 2 primeiros motores também o teriam). Especula-se que isto ocorre devido a perfuração parcial do propelente, deixando uma área de queima no início da garganta de mesmo diâmetro que a garganta mas o resto do grão possui o diâmetro de queima de 3.5 mm.

Preparações para a apresentação técnica sobre o banco estático caseiro

No festival de foguetes de Curitiba que será realizado nos dias 11 a 13 de abril desse ano eu farei uma apresentação técnica sobre o banco estático com a balança caseira.

Para as preparações e exemplos que serão utilizados no dia foram feitos 3 motores clássicos da classe A. No entanto eles estavam muito no limite da classe A tanto que 2 dos 3 ultrapassaram a barreira e ficaram com impulso total de início da classe B....
Vamos aos testes:

M05_03_14_01:


Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 50,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~4,0 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 11.8 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 4 mm
Massa de durepóxi colocada: 1.6 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 13.9 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 10.1 g
Mp = Massa dos gases ejetados =3.8 g

Resultados:
It = Impulso total = 2.28 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 2.01 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 11.40 N
tq = tempo de queima = 1.13 s

CLASSE = A 2

fm = Fluxo de massa médio = 3.35 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 600.00 m/s
Is = Impulso específico = 61.18 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 1.02, teremos:

Pressão média (na força média) = 443.50 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 2516.68 kPa

M05_03_14_02:


Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 50,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~4,0 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 11.8 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 4 mm
Massa de durepóxi colocada: 1.6 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 13.5 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 09.7 g
Mp = Massa dos gases ejetados =3.8 g

Resultados:
It = Impulso total = 2.68 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 2.11 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 5.56 N
tq = tempo de queima = 1.27 s

CLASSE = B 2

fm = Fluxo de massa médio = 3.00 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 705.24 m/s
Is = Impulso específico = 71.91 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 1.04, teremos:

Pressão média (na força média) = 457.49 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 1203.80 kPa

M05_03_14_03:


Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 50,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~4,0 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 11.8 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.38 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 4 mm
Massa de durepóxi colocada: 1.6 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 13.6 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 09.8 g
Mp = Massa dos gases ejetados =3.8 g

Resultados:
It = Impulso total = 2.72 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 2.63 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 6.82 N
tq = tempo de queima = 1.03 s

CLASSE = B 3

fm = Fluxo de massa médio = 3.67 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 715.26 m/s
Is = Impulso específico = 72.94 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 1.04, teremos:

Pressão média (na força média) = 549.44 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 1427.06 kPa

CONCLUSÂO:

Em todos os motores foi colocado uma quantidade de pólvora dentro do grão propelente para uma rápida pressurização, no entanto a quantidade de pólvora colocada provou-se muito grande!
No primeiro teste, o qual possuía a maior quantidade de pólvora, podemos ver o pico na força, chegando acima de 11 N !!!
Estes testes serão refeito utilizando-se uma quantidade menor de propelente para que todos os motores se encaixem na classe A, assim será possível utilizá-los na competição desta classe no festival de foguetes de Curitiba.

Motor-foguete com tubeira e propelente compactados em uma prensa hidráulica

Neste teste estático utilizou-se uma prensa hidráulica para compactar a tubeira e o propelente, foi utilizado também uma tampa de durepóxi e um pacotinho de pólvora para pressurização inicial.

Mas o interessante mesmo é que foi utilizado um programa de análise de posição em vídeos, ele é de código livre: "Tracker, Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education".
Neste programa foi possível analisar a posição do prato da balança em função do tempo, no entanto isto não é força!
Foi escolhido um ponto no gráfico onde a agulha da balança mostrava exatamente uma determinada força, isto foi então utilizado (seguindo uma interpolação linear) para transformar todo a curva de deslocamento em uma curva de força !

Isto é possível pois: se utilizamos uma mola (e trabalhamos no regime linear dela), temos que o deslocamento é proporcional a força, sendo necessário apenas encontrar uma constante de proporcionalidade. Isto foi feito utilizando-se um ponto genérico onde o deslocamento e a força eram conhecidos, ou seja, a constante de proporcionalidade foi encontrada! Bastou então aplicar esta constante para todos os outros pontos e voilá, temos uma curva de empuxo bem mais precisa!


Vídeo:



Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 20 mm
Diâmetro interno: 17 mm
Material: PVC de água fria, Pressão Nominal = 750kPa
Comprimento total: 65,0 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 20 mm
Massa de esmectita colocada: ~7.9 g
Diâmetro da garganta: 2.38125 mm ou 3/32 "

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 6 mm
Massa de durepóxi colocada: ~4.3 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 28.5 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 20.9 g
Mp = Massa dos gases ejetados = 7.6 g

Resultados:

It = Impulso total = 6.50 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 4.75 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 10.86 N
tq = tempo de queima = 1.37 s

CLASSE = C 5

fm = Fluxo de massa médio = 5.56 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 855.17 m/s
Is = Impulso específico = 87.20 s

Considerando o diãmetro da garganta o diâmetro da broca (3/32") e um coeficiente de empuxo de 1.188, teremos:

Pressão média (na força média) = 898.20 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 2053.44 kPa

Conclusão:

O fato de utilizarmos a prensa hidráulica para a compactação do propelente aliado ao pacotinho de pólvora colocado antes de colar a tampa de durepóxi foram responsáveis por criar o melhor motor-foguete já testado!!
Mas não apenas isto: o comportamento da curva de empuxo foi de maneira progressiva, o que é previsto na teoria que considera uma queima de dentro para fora, isto não havia acontecido anteriormente.

Esta maneira construtiva de motores-foguete tem um potencial gigante para tornar-se prática!!!!

Preparações para o lançamento dia 23 de fevereiro

Mais informações sobre os outros espaçomodelos que serão testados no mesmo dia estão no blog do Prof. Marchi:

http://fogueteufpr.blogspot.com.br/2014/02/23-de-fevereiro-de-manha-lancamentos-em.html


Os 2 espaçomodelos feitos para o lançamento no domingo que vem, dia 23 de fevereiro já estão prontos.
A configuração destes espaçomodelos é a seguinte:

1º Espaçomodelo:

Classe do Motor: A-2
Massa total: ~28.7 g

As configurações do motor são as seguintes:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 50,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 30,0 mm
Massa de propelente embarcada (após furo): ~4,0 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: ~12 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.4 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: > 3 mm
Massa de durepóxi colocada: > 1.2 g




Posição do motor no tubo-foguete: próximo ao nariz do espaçomodelo.

Isto é possível pois será utilizado um novo sistema de equalização da pressão na saída dos gases do motor-foguete. Basicamente foram feitos 4 furos no tubo-foguete logo no fim do motor, quando começar a queima, estes furos irão servir para sugar ar atmosférico para dentro do tubo-foguete e posterior saída dos gases.
Este efeito de sugar ar atmosférico já foi visualizado em vários testes estáticos anteriores, nestes testes é possível visualizar a fumaça do estopim, por exemplo, sendo levada na direção dos gases de saída do motor-foguete.

Apogeu estimado, via RockSim: 165m (lembrando que a estimativa é, por muitas vezes, bem distante da realidade)

Foto do projeto:

Foto do foguete:

2º Foguete:

Classe do Motor: B-2
Massa total: ~38.7 g

As configurações do motor são as seguintes:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 70,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 50,0 mm
Massa de propelente embarcada (após furo): ~6,7 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: ~12 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.2 g
Diâmetro da garganta: 2.4 mm

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: > 3 mm
Massa de durepóxi colocada: > 1.2 g





Apogeu estimado, via RockSim: 310m (lembrando que a estimativa é, por muitas vezes, bem distante da realidade)

Foto do projeto:

Foto do foguete: 

Após domingo que vem, colocarei mais informações sobre o comportamento destes espaçomodelos. Até lá !

EDIT: Os lançamentos foram adiados para dia 2 de março pela manhã, se tudo der certo! Até lá

Volta as Origens - 2 - Motor com propelente de 70 mm de comprimento

Como 30 e 50 mm de propelente funcionaram perfeitamente, no teste de hoje foi feito um motor com 70 mm de propelente, o que aconteceu?????


M30_01_14:



Curva de Empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 15 mm
Diâmetro interno: 11.8 mm
Material: CPVC de água quente
Comprimento total: 95,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 70,0 mm
Massa de propelente embarcada (após furo): ~9,797 g
Diâmetro interno do grão : 2,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: ~12 mm
Massa de esmectita colocada: ~2.5 g
Diâmetro da garganta: 2.5 mm

Tampa (feita em esmectita):
Comprimento da tampa: >12 mm
Massa de esmectita colocada: > 3.0 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 25.0 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 15.2 g
Mp = Massa dos gases ejetados = 9.8 g

Resultados:

It = Impulso total = 6.55 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 2.03 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 3.58 N
tq = tempo de queima = 3.23 s

CLASSE = C 2

fm = Fluxo de massa médio = 3.03 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 668.83 m/s
Is = Impulso específico = 68.20 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 1.01, teremos:

Pressão média (na força média) = 437.25 kPa

Pressão máxima (na força máxima) = 723.92 kPa


Observações:

O grão propelente era tubular, no entanto a queima se deu de forma praticamente constante !!!!!
Hipótese: A queima não se deu ao longo de todo o grão, apenas uma parte queimou e logo após isto a outra parte queimou.

O estranho foi que uma quantidade mínima de pólvora foi colocada! E mesmo assim a queima parece que se deu por partes.

Volta as Origens - Esmectita como tubeira e como tampa

Anotando alguns testes adversos feitos hoje:

Hoje foi testado um procedimento para preparar o propelente nitrato de potássio e açúcar a quente em um banho maria, no entanto a temperatura alcançada não foi suficiente pelo seguinte motivo:
- utilizou-se água no banho maria, a água em Curitiba ferve a uma temperatura menor que 100 ºC o que seria seguro para a preparação do propelente, a temperatura do líquido não aumentaria a partir deste valor. Mas o que aconteceu foi que o propelente foi simplesmente aquecido, não caramelizando nem nada.
Um teste posterior de queima denotou que o propelente manteve as suas características ( o propelente não capturou muita umidade, e mesmo se houvesse capturado, a temperatura maior faria com que ele se torne mais seco).



Mas vamos aos testes, foram 2 motores testados, lembrando que a tampa e a tubeira são de esmectita:

M29_01_14:




Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:

Diâmetro externo: 15 mm

Diâmetro interno: 11.8 mm

Material: CPVC de água quente

Comprimento total: 60,0 mm

Propelente:

Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 30,0 mm

Massa de propelente colocada: ~4,4 g

Diâmetro interno do grão : 2,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):

Comprimento da tubeira: 11.8 mm

Massa de esmectita colocada: ~2.2 g

Diâmetro da garganta: 2.5 mm

Tampa (feita em esmectita):

Comprimento da tampa: >11.8 mm

Massa de esmectita colocada: > 2.2 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 14.9 g

Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 10.8 g

Mp = Massa dos gases ejetados = 4.1 g

Resultados:

It = Impulso total = 1.79 N.s

Fmed = Força de empuxo média = 0.84 N

Fmax = Força de empuxo máxima = 1.82 N

tq = tempo de queima = 2.13 s

CLASSE = A 1

fm = Fluxo de massa médio = 1.92 g/s

c = Velocidade de ejeção efetiva média = 436.04 m/s

Is = Impulso específico = 44.46 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 0.82, teremos:

Pressão média (na força média) = 206.04 kPa

Pressão máxima (na força máxima) = 452.54 kPa

M29_01_14_2:




Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:

Diâmetro externo: 15 mm

Diâmetro interno: 11.8 mm

Material: CPVC de água quente

Comprimento total: 80,0 mm

Propelente:

Comprimento do propelente (KNSU, 65% KNO3, 35% C12H22O11): 50,0 mm

Massa de propelente colocada: ~7,3 g

Diâmetro interno do grão : 2,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):

Comprimento da tubeira: 11.8 mm

Massa de esmectita colocada: ~2.2 g

Diâmetro da garganta: 2.5 mm

Tampa (feita em esmectita):

Comprimento da tampa: >11.8 mm

Massa de esmectita colocada: > 2.2 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 20.5 g

Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 13.7 g

Mp = Massa dos gases ejetados = 6.8 g

Resultados:

It = Impulso total = 4.50 N.s

Fmed = Força de empuxo média = 2.11 N

Fmax = Força de empuxo máxima = 5.25 N

tq = tempo de queima = 2.13 s

CLASSE = B 2

fm = Fluxo de massa médio = 3.19 g/s

c = Velocidade de ejeção efetiva média = 661.45 m/s

Is = Impulso específico = 67.45 s

Considerando um coeficiente de empuxo de 1.01, teremos:

Pressão média (na força média) = 417.42 kPa

Pressão máxima (na força máxima) = 1054.55 kPa

OBSERVAÇÕES:

A ignição no primeiro motor testado não havia pólvora alguma, apenas o estopim. Observou-se um impulso específico muito baixo.

A ignição do segundo motor havia uma quantidade mínima de pólvora para observar o efeito, realmente o impulso específico aumentou consideravelmente, ficando muito próximo do record dos motores feitos por mim até aqui!!

Motor com tampa e tubeira de materiais diferentes

Foi feito um motor-foguete utilizando tubeira de esmectita e tampa de durepóxi.
Isto facilita a fabricação dos motores pois há a necessidade de aguardar apenas a secagem/cura da tampa, a tubeira e o propelente são simplesmente prensados e perfurados com diâmetros diferentes.
Neste teste estático foi utilizado a balança e 1kg de força máxima para uma melhor resolução da força.

Para facilitar a pressurização, antes de fechar o motor-foguete com a tampa de durepóxi, foi deixado um pacotinho de filme de PVC com uma quantidade pequena de pólvora negra no fundo do grão tubular, esta técnica melhora a pressurização e provavelmente por causa disto foi obtido um Impulso Específico maior do que qualquer outro teste anterior, 68.51 s! Chegando próximo ao impulso específico dos motores comerciais de papelão da empresa brasileira de motores-foguete, a Bandeirante, no caso deles o propelente utilizado é a pólvora negra.

Vídeo:




Curva de empuxo:

Características do motor-foguete:

Tubo do Motor:
Diâmetro externo: 20 mm
Diâmetro interno: 17 mm
Material: PVC de água fria, Pressão Nominal = 750kPa
Comprimento total: 65,0 mm

Propelente:
Comprimento do propelente (KNSU): 30,0 mm
Massa de propelente colocada: ~9,1 g
Diâmetro interno do grão : 3,5 mm

Tubeira (feita em esmectita):
Comprimento da tubeira: 20 mm
Massa de esmectita colocada: ~7.9 g
Diâmetro da garganta: 2.38125 mm ou 3/32 "

Tampa (feita em durepóxi):
Comprimento da tampa: 10 mm
Massa de durepóxi colocada: ~7.1 g

Mt = Massa do motor-foguete antes do teste estático = 30.7 g
Mf = Massa do motor-foguete após o teste estático = 23.2 g
Mp = Massa dos gases ejetados = 7.5 g

Resultados:

It = Impulso total = 5.04 N.s
Fmed = Força de empuxo média = 2.61 N
Fmax = Força de empuxo máxima = 5.49 N
tq = tempo de queima = 1.93 s

CLASSE = C 3
(Bem no início da classe C, pois ela se inicia com 5 N.s)

fm = Fluxo de massa médio = 3.88 g/s
c = Velocidade de ejeção efetiva média = 671.85 m/s
Is = Impulso específico = 68.51 s

Utilizando o mesmo esquema anterior, a curva de empuxo é análoga a curva de pressão admitindo o diâmetro da garganta constante e o coeficiente de empuxo constante, podemos encontrar a pressão pela fórmula: p=F/(A*Cf).
Considerando o diãmetro da garganta o diâmetro da broca (3/32") e um coeficiente de empuxo de 1.064, teremos:

Pressão média (na força média) = 550.26 kPa
Pressão máxima (na força máxima) = 1159.64 kPa

Conclusão:

Este esquema de fabricação permite grande agilidade na manufatura dos motores-foguete, permite também a utilização de diâmetros diferentes para a garganta e para o grão tubular.
O pacotinho com pólvora negra deixado no interior do motor-foguete foi responsável por melhorar muito o impulso específico e ainda o impulso total! Pois a mesma configuração foi utilizada em testes anteriores resultado em motor de classe B3.