VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTO SUPERSÔNICO EXPANDIDO NO DIVERGENTE EM TUBEIRA DE FOGUETES UTILIZANDO O MÉTODO ÓPTICO DE SCHLIEREN

Em um motor foguete, o escoamento de gases através da tubeira deLaval, atinge a velocidade sônica na garganta, através da redução de área no convergente e velocidade supersônica no divergente, onde acontece a expansão supersônica. Quando o motor está funcionando a pleno, observa-se a velocidade supersônica no divergente, quando isso ocorre, tem-se a chamada expansão completa, onde os gases expandidos ocupam toda a geometria do divergente e a pressão cai em direção à pressão atmosférica, na saída do bocal. É nessa condição que o motor tem empuxo máximo e funciona engasgado (velocidade sônica na garganta). Um funcionamento defeituoso do motor pode ser observado com o jato saindo em uma das laterais da tubeira, chamado de jato Coanda, por ficar grudado em um dos lados da superfície do divergente, apenas. Ou ainda o jato central, sem tocar as paredes do divergente. Nesses dois casos não se tem a expansão completa e o motor não está funcionando a pleno desempenho, como apresentam [1] e [2]. O trabalho aborda a visualização do escoamento em uma tubeira de foguete usando a técnica de visualização óptica de Schlieren, para a análise de eficiência do motor foguete, identificando o tipo de jato e se a expansão foi completa ou não. A tubeira é responsável por acelerar e expandir os gases gerados na câmara de combustão como demonstra os ensaios realizados em [1], nesse estudo, propôs-se modificar o comprimento da garganta para provocar o engasgamento do motor, assim mesmo um motor sem funcionar a pleno, caso tenha a garganta aumentada pode atingir a velocidade sônica na garganta, pelo efeito descrito por Fanno, no escoamento que leva o seu nome. A visualização permite observar o jato na saída do divergente, utilizando-se modelos de motor-foguete em escala e com pressurização a ar comprimido, para se analisar o efeito descrito em [1], do prolongamento da garganta. Os ensaios contemplam diferentes comprimentos de garganta em três modelos ensaiados com a mesma pressão. Os modelos são construídos em alumínio e tem tubeira moldada, onde o comprimento da garganta é variado com 1,0mm, 2,0mm e 3,0mm e com diâmetro da garganta de 2,0mm. Os três modelos foram ensaiados com a pressão de trabalho de 100 PSI, fixadas na válvula reguladora vazão/pressão do compressor. A visualização permite identificar a interferência do comprimento da garganta no funcionamento do motor, entre as expansões com jato Coanda, jato central e a expansão completa, quando o motor atinge o pleno desempenho e empuxo máximo. O método utilizado para a visualização do escoamento é a técnica visualização óptica de Schlieren, que possibilita ao observador visualizar o escoamento através da variação da densidade do jato em relação à densidade média da atmosfera, com a variação da densidade, muda-se o índice de refração do jato expandido. Um espelho parabólico de 200 mm de diâmetro, reflete a luz projetada por uma fonte que, ao atravessar o jato, permite a observação, através de uma tela de projeção posicionada no foco do espelho, ou ainda a captura da imagem com uma câmera digital, do jato projetado, essa técnica é chamada popularmente de “vendo o invisível”. A visualização é possível pela diferença de velocidade da luz refletida pelo espelho, ao atravessar o jato expandido e o ar atmosférico, criando uma sombra, com o formato do jato, na tela de projeção. Com esse procedimento, o jato de ar comprimido, mesmo expandido, invisível, torna-se visível, possibilitando a observação e classificação do funcionamento do motor-foguete. Os motores estudados são destinados a pequenos foguetes de sondagem atmosférica e para competições como os descritos em [3] e [4]. Essa técnica de visualização, pode ser realizada com uma pequena infraestrutura e permite a observação do funcionamento de motores foguetes que podem ser utilizados em bancadas como ferramentas didáticas em sala de aula e para exemplificar o funcionamento de um motor a reação funcionando a pleno ou com problemas de engasgamento.