Cientistas dos EUA O Laboratório de Pesquisa Naval está desenvolvendo a próxima geração de propulsão de ramjet de combustível sólido (SFRJ), abordando um dos desafios mais persistentes do campo: compreender e prever o que acontece dentro de um combustor operacional. Os cientistas do NRL descobriram como ver dentro de um dos motores mais extremos já construídos, transformando o trabalho de adivinhação em conhecimento e tornando o futuro voo de alta velocidade de longo alcance mais possível do que nunca. Um ramjet de combustível sólido é um motor de respiração de ar que usa combustível sólido em vez de combustível líquido, oferecendo alta densidade de energia e propulsão mecânica simples queimando combustível com oxigênio do ar para produzir impulso. Ao extrair oxigênio da atmosfera em vez de transportar oxidante a bordo, os SFRJ podem transportar mais combustível no mesmo espaço e voar mais longe do que os sistemas tradicionais de foguetes. . Se você substituir todo o oxidante e, em vez disso, usar o oxigênio do ar para queimar o seu combustível, você poderá aumentar o alcance até 200 para 300% no mesmo fator de forma,. disse Brian Bojko, Ph.D., um cientista de combustão nos EUA. Laboratório de Pesquisa Naval (NRL).

Apesar dessa promessa, a adoção generalizada foi retardada pelo ambiente interno extremo dos SFRJs, onde altas temperaturas, fuligem e estruturas de fluxo em rápida evolução impedem que as sondas tradicionais acessem dados críticos. Ao contrário dos combustíveis líquidos ou gasosos, os combustíveis sólidos liberam energia através da regressão superficial e muitas vezes produzem uma mistura complexa de produtos de combustível consumidos durante a combustão, tornando muito mais difícil controlar as taxas de queima e prever o desempenho. É por isso que entender e prever o que acontece dentro de um combustor é tão importante. .Em ramjets de combustível sólido, você não tem controle direto sobre a taxa de fluxo moso como faz com sistemas líquidos, explicou o Bojko..O calor da combustão realmente impulsiona a gasificação do combustível sólido, por isso a pressão, a temperatura e o fluxo de ar voltam a se comunicar como o motor se comporta.. Sem medidas detalhadas da temperatura da chama, regressão do combustível e transporte do vapor de combustível, os designers historicamente confiaram em abordagens de tentativa e erro.. Muito do projeto tem sido tipo de Edisonian, disse Bojko.. Você adivinhou, testou e itera. Mas sem ver a física dentro do combustível, é difícil saber se você está recebendo a resposta certa pelo motivo certo. Ao mesmo tempo, abordagens computacionais como o Navier- Stokes (RANS) e o Simulação de Eddy Destacado (DES) foram limitadas por falta de dados experimentais de alta qualidade para validação.

RANS, DES e LES representam níveis crescentes de realismo físico na simulação de turbulência, onde estruturas mais turbulentas são diretamente resolvidas em vez de modeladas. Mover- se do RANS para DES para LES traz simulações mais perto da física do fluxo verdadeiro, especialmente para fluxos inestáveis, mas com um custo computacional significativamente maior. O RANS modela a maioria das turbulências e é computacionalmente eficiente, mas menos preciso para fluxos inestáveis. O DES resolve grandes estruturas turbulentas enquanto modela as menores, equilibrando a precisão e o custo. O LES resolve o movimento mais turbulento diretamente, oferecendo a maior precisão com a maior despesa computacional. . Com apenas alguns pontos de pressão ou temperatura, você pode combinar uma simulação com um experimento e ainda estar errado, observou o Bojko..O acesso ótico permite validar diretamente a estrutura da chama, as zonas de recirculação e as espécies de combustão. Ver a temperatura da chama em tempo real. Para corrigir essas lacunas, os pesquisadores empregaram diagnósticos ópticos capazes de operar no ambiente duro e carregado de partículas de um combustor SFRJ. A medição da temperatura da chama é especialmente importante, disse o Bojko, porque os modelos frequentemente assumem eficiência de combustão em vez de mensurá- la.

.Estes diagnósticos nos dão novos dados que simplesmente não tínhamos antes,. disse David Kessler, Ph.D., um cientista computacional sênior no NRL.. Eles permitem que medimos espécies e temperaturas de fase de gás em um ambiente onde as sondas tradicionais simplesmente não funcionam.. A química por trás de como os combustíveis sólidos se descompõem e alimentam a chama é tão importante quanto medir a chama em si, de acordo com os pesquisadores. À medida que o calor da chama volta para a superfície do combustível, o polímero sólido sofre mudança de fase e quebra química, liberando uma mistura complexa de hidrocarbonetos gasosos que sustentam a combustão. .Você tem este loop de feedback contínuo,. disse Brian Fisher, Ph.D., um engenheiro de pesquisa de combustão no NRL..A chama aquece o combustível, o combustível se descompõe em espécies de fase gasosa, e essas espécies se misturam com o ar e mantêm a chama funcionando. É um processo térmico, químico e fluido-dinâmico acoplado, e isso é o que faz com que os ramjets de combustível sólido sejam poderosos e desafiadores para prever.

Mapeando a regressão do combustível e validando modelos. Entender quão rapidamente a superfície de combustível sólido retrocede, conhecida como regressão de combustível, é fundamental porque ele governa diretamente o impulso e o desempenho. A equipe combinava diagnósticos experimentais com simulações de alta fidelidade para resolver o feedback de calor para a superfície do combustível, um driver chave de regressão. .Uma das maiores coisas que você precisa capturar é a transferência de calor de volta para o combustível sólido, disse o Bojko. O............................................................................................................................... Essas abordagens de maior fidelidade custam mais computacionalmente, mas eles lhe dão uma imagem muito melhor do que está acontecendo. Visualizando Vapor de Combustível Antes de Queimar. Pela primeira vez, os pesquisadores também visualizaram vapor de combustível liberado da superfície sólida antes da ignição, revelando como espécies complexas de hidrocarbonetos se misturam e evoluem antes da combustão. Os ramjets de combustível sólido usam comumente polibutadieno terminado com hidroxilo (HTPB), um polímero de cadeia longa que se descompõe em muitas espécies gasosas diferentes.

.Quando o HTPB se decompõe, você não sabe que espécies estão saindo da superfície, e essas espécies dita o mecanismo de combustão, disse Bojko..Eles mudam com temperatura, pressão e fluxo de calor, por isso ser capaz de caracterizá-los é fundamental para compreender os mecanismos subjacentes em diferentes condições de voo.. Em paralelo, os pesquisadores do NRL também estão investigando combustíveis compostos avançados projetados para aumentar a quantidade de energia que pode ser armazenada no mesmo volume de combustível sólido. .Estamos interessados em adicionar aditivos energéticos, como partículas metálicas, em combustíveis polímeros para aumentar sua densidade de energia,. disse Clayton Geipel, Ph.D., um engenheiro de pesquisa de combustão no NRL..Ao queimar o combustível, essas partículas são liberadas na chama e se inflamam, dando- lhe mais energia do mesmo volume de combustível. Isso traduz-se diretamente em maior alcance de potencial para sistemas futuros.

.Você quer enfiar tanto conteúdo de energia nesse bloco de combustível quanto puder, enquanto ainda tiver uma taxa razoável de combustão que é o desafio,. disse Albert Epshteyn, Ph.D., cientista de materiais no NRL. Embora os metais possam ter energia ligeiramente menor por unidade de massa do que os hidrocarbonetos, sua densidade muito maior permite que mais energia total seja embalada no mesmo volume, uma vantagem crítica para sistemas compactos e de longo alcance. Redução de Risco e Aceleração. Juntos, estes diagnósticos e simulações transformam a combustão SFRJ de um processo amplamente inferido em um sistema mensurável e previsível. Os modelos validados permitem que os pesquisadores realizem iterações de projeto computacionalmente antes de se mover para experimentos caros.

. Nosso objetivo principal é reduzir o risco, disse o Bojko..Se tivermos validado modelos computacionais, podemos fazer iterações de projeto muito mais eficientes em termos de custo e tempo e reduzir a física antes de irmos a testes em escala completa.. Kessler enfatizou o impacto mais amplo:. NRL está desenvolvendo tecnologias que ajudam a acelerar a transição de ramjets de combustível sólido, tecnologia que pode aumentar significativamente a gama de sistemas de alta velocidade de próxima geração.. Com base nessa base, a equipe está agora focada em colmatar a brecha entre os experimentos laboratoriais em pequena escala e os sistemas de propulsão do mundo real.

.Todo o nosso trabalho agora ocorre em instalações em pequena escala em geometrias idealizadas e acessíveis ópticamente, disse Geipel.. Isso é o que nos permite fazer medições detalhadas, mas ainda existem perguntas importantes sobre como esses resultados se aplicam a um ramjet em escala completa e fechado.. Enquanto experimentos em pequena escala revelam física detalhada, escalar esses resultados para motores de tamanho completo continua a ser uma das incertezas centrais no campo. A próxima fase da pesquisa se concentrará em ampliar estas ferramentas e modelos validados para configurações de teste maiores e mais representativas, um passo intermediário que preserva o acesso diagnóstico ao introduzir maior realismo geométrico e físico. Essa progressão é projetada para garantir a física e química observadas no laboratório se traduzem de forma confiável para sistemas de propulsão operacionais. Ao integrar diagnósticos ópticos, química detalhada e simulações validadas em várias escalas, a pesquisa fornece à comunidade de propulsão ferramentas para reduzir a incerteza, encurtar as linhas de tempo do desenvolvimento e habilitar futuras tecnologias de propulsão de alta velocidade para respiração aérea.

Sobre os EUA Laboratório de Pesquisa Naval. O NRL é um comando científico e de engenharia dedicado à pesquisa que impulsiona avanços inovadores para os EUA. Marinha e Corpo Marinho do fundo do mar para o espaço e no domínio de informação. NRL, localizado em Washington, D.C. com os principais sites de campo em Stennis Space Center, Mississippi; Key West, Flórida; Monterey, Califórnia, e emprega aproximadamente 3,000 cientistas civis, engenheiros e pessoal de suporte. O NRL oferece vários mecanismos para colaborar com a comunidade científica mais ampla, dentro e fora do governo federal. Estes incluem Acordos Cooperativos de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADAs), LP-CRADAs, Acordos de Parceria Educativa, acordos sob a autoridade de 10 USC 4892, acordos de licença, contratos FAR e outros acordos aplicáveis. Para mais informações, entre em contato com o NRL Corporate Communications em mailto: NRLPAO@us.navy.mil.