Turbo-Rocket – Um Novo Tipo de Hobby?
Autor: Brazilian Space | Publicado: 2017-09-19T07:52:00-03:00


Olá leitor!



Você lembra do Eng. Rene Nardi, aquele mesmo da empresa (hoje
desativada) INOTECH - Inovação &amp; Tecnologia? Pois então leitor, recebi
ontem via e-mail uma versão reduzida de um artigo escrito pelo mesmo que pode
interessar as equipes de foguetemodelismo do pais. Segundo o Eng. Nardi um paper
sobre essa tecnologia foi apresentada por ele em Atlanta (EUA), em Julho 2017,
durante a realização do “53rd Joint Propulsion Conference”, e trata-se de uma
nova opção para construção de foguetes educacionais de alta potencia, sem os
problemas do motor foguete liquido. Vale a pena conferir.



Duda Falcão



Turbo-Rocket – Um Novo Tipo de Hobby?



Por Rene Nardi,

Pooler, GA, USA, 31322

renenardi53@gmail.com



Turbo-Rocket é uma nova opção de modelismo que combina
aspectos construtivos do aeromodelo a jato com as características de voo bem
conhecidas dos entusiastas dos foguetes de alta potência. O Turbo-Rocket utiliza
um motor turbo-jato como o principal elemento de propulsão em substituição ao
complexo motor foguete bi-propelente líquido ou dos motores sólidos.



I. O Que Vem a Ser o Turbo-Rocket ?



É uma bela manhã de domingo em São José dos Campos,
Brasil, onde uma pequena multidão assiste os bravos pilotos que voam seus
incríveis aeromodelos a jato. Ao decidir que ja havia voado o suficiente para o
dia, um dos modelistas começou a desmontar seu modelo em preparação para voltar
para casa. Depois de remover a asa, ele deixou a fuselagem na bancada de
trabalho por algum um tempo. Era uma estrutura delgada com aletas na cauda,
muito semelhante a um foguete. A pergunta natural era: O que acontece se
removermos as asas, o trem de pouso e todo o equipamento que faz uma bela
aeronave e manter apenas o essencial para transformá-lo em um foguete? O
resultado foi chamado TurboRocket, que é um avião a jato que se transformou em
um foguete, e agora voa na vertical.



O uso de um turboreator em vez de um motor de foguete
bipropentes líquido faz sentido quando consideramos que os foguetes para uso
amador devem voar alto o suficiente para justificar os esforços, mas precisa ir
tão alto a ponto de sair da atmosfera. Sob uma abordagem semelhante, pode-se
considerar que alta velocidade é desejável, mas o foguete não precisa
necessariamente ser supersônico. Outro aspecto advindo com uso do oxigênio da
atmosfera é a tremenda simplificação nos procedimentos operacionais do foguete,
eliminando a infraestrutura necessária para o manuseio de oxigênio líquido,
associada à redução de custos possível com a remoção do sistema criogênico,
incluindo os tanques pressurizados e todos os seus equipamentos auxiliares (
válvulas, tubos e conexões).



II. Configuração Preliminar



Em sua missão típica, o TurboRocket deve atingir altitude
de 5 km acima do nível do mar carregando uma carga útil de 1 kg. Os estudos
iniciais mostram um veículo de 2,5 m de comprimento com 10 kg de peso máximo de
decolagem. A fuselagem cilíndrica de 0,15 m de diâmetro incorpora um motor
turbojato de 300 N de empuxo montado na extremidade inferior, imediatamente
atrás das quatro aletas. A Figura 1 mostra o Superman voando em formação com um
TurboRocket para comparação de tamanho.





Figura 1 – Turbo-Rocket





A Figura 2 fornece informações adicionais sobre a configuração
do TurboRocket. Foram definidos quatro componentes principais: a ogiva, a
fuselagem, as aletas e a carenagem do motor. O cone de nariz elíptico com
características de arrasto adequadas às velocidades subsónicas contém o lastro
utilizado para a calibração do centro de gravidade e atua como um compartimento
para armazenar parcialmente o paraquedas de dois estágios. A estrutura da
fuselagem consiste em um cilindro de fibra de carbono de baixo peso, com a
carga útil e o compartimento do computador de controle de voo na extremidade
superior. Muito espaço está disponível na parte central da fuselagem para
instalação de algum equipamento extra para futuras versões. Estrategicamente
posicionado perto do CG do foguete está o tanque de combustível. Localizados
logo abaixo do tanque de combustível estão a unidade eletrônica de controle do
motor, a bomba de combustível e as baterias. O turbo-foguete tem quatro aletas
de fibra de carbono usadas para a estabilização durante a ascensão vertical na
atmosfera. Na parte inferior do veículo está a carenagem do motor, que serve de
berço para o motor e incorpora as entradas de ar. No caso de troca do motor
atual para outro modelo, a carenagem do motor pode ser substituída sem
necessidade de introduzir grandes modificações na fuselagem cilíndrica.





Figure 2 – Vista explodida do TurboRocket





III. O Motor Turbojeto



Existem vários motores turboreatores comercialmente
disponíveis, mas apenas alguns com o impulso exigido. Portanto, para a fase de
projeto inicial, a seleção foi para o modelo JetCat 300, mostrado na Fig. 3.





Figure 3 – O motor turbojeto





Com um peso total de 2,6 kg, o motor JetCat pode fornecer
um impulso máximo de 300 N, resultando em uma interessante relação impulso/peso
de 11: 1. No entanto isto pode não ser muito se comparado a um motor de foguete
líquido de mesmo impulso que pode atingir facilmente valores acima de 30: 1. O motor
queima querosene misturado com 5% de óleo de turbina sintética a uma razão de
13 g/seg, oferecendo um consumo específico de combustível de 45 g/kN.s (1,6
lb/lbf.s), o que pode não ser uma máquina maravilha quanto à eficiência no
consumo de combustível, mas, é muito melhor do que um motor de foguete líquido
que consome algo como 300 g/kN.s (10 lb/lbf.s).



Ao contrário de um motor de foguete regular, que oferece
um impulso constante em uma ampla gama de altitude, o motor a jato apresenta
uma redução notável no empuxo em função da altitude. Por exemplo, no momento em
que o veículo atinge 4.000 m, o empuxo do motor seria aproximadamente metade do
valor do nível do mar.



IV. Algumas particularidades do TurboRocket



O uso de turboreator para impulsionar o foguete traz
consigo algumas particularidades técnicas interessantes, colocando esta classe
de máquina voadora para entre aviões a jato e foguetes líquidos. O TurboRocket
não se comporta como um avião a jato, que voa principalmente na posição horizontal,
na mesma altitude, a uma velocidade constante com a potência do motor ajustada
para cruzeiro. O turbo-foguete dispara da plataforma de lançamento em uma
posição quase vertical e continua voando na vertical, mudando constantemente de
altitude e velocidade, com a manete ajustada para potencia máxima ao longo da
trajetória do voo motorizado. O turbo-foguete também não é um foguete puro,
porque um foguete deve transportar seu fluido de trabalho sob a forma de
combustível e oxidante, sua velocidade é independente da velocidade do voo e, o
mais importante, é capaz de operar dentro ou fora da atmosfera. O TurboRocket
carrega seu combustível, mas depende do ar circundante como fonte de oxigênio,
o que limita seu funcionamento dentro dos limites da atmosfera inferior.



Um software de simulação de desempenho foi desenvolvido
especificamente para capturar as características únicas do voo do
turbo-foguete, incluindo a variação significativa no empuxo do turbojato com
altitude, bem como as variações no arrasto do veículo resultante das variações
de densidade. Uma perspectiva gráfica é mostrada na Fig. 4. Após um voo de 28
segundos a uma altitude de 4 km, o motor é desligado. O voo balístico sem propulsão
complementa os 1.000 m restantes necessários para atingir a altitude máxima de
5 km. Ao contrário dos foguetes sólidos, o turbo-foguete gasta 80% da
trajetória do voo na fase de propulsão.





Figure 4 – Altitude and Speed Simulations





Até que o vetoramento se torne disponível, o controle do
turbo-foguete durante o voo seria exercido pela reação aerodinâmica contra as
quatro aletas. As simulações iniciais mostram que para atingir a velocidade de
controle mínima de 100 km/h no final de uma plataforma de lançamento de 6 m de
comprimento exigiria a ajuda de um par de propulsores de propulsão sólida com
180 N de empuxo cada.



V. Técnicas de construção



Os aero modelos de controle remoto com turbina a gás
fazem parte de uma forma emocionante de hobby que exige construtores
qualificados para dominar os complexos sistemas necessários ao voo. O
TurboRocket depende fortemente das técnicas de construção do modelo de jato mas
leva o projeto e a tecnologia um passo adiante, visando altitude e velocidade
de voo de foguetes de alta potência. A Figura 5 mostra que algumas soluções
típicas do ambiente aeromodelista foram preservadas na construção do
turbo-foguete. A taxa de fluxo de massa de combustível e os níveis de pressão
de entrada do combustível exigidos pelo motor a jato justificam o uso de uma
bomba de combustível acionada por motor elétrico, bem como o tanque de
combustível linhas de combustível de plástico. A fibra de carbono, com sua
inigualável relação resistência/peso, é a opção favorita na indústria
automotiva, naval e aeroespacial. Não é de admirar que seja também a melhor
opção para a grande maioria das peças estruturais da estrutura do TurboRocket.



Sempre que as peças metálicas são necessárias, o alumínio
padrão aeronáutico é a opção mais adequada. A disponibilidade de computadores
de baixo custo, relativamente poderosos e dispositivos de comunicação de alta
velocidade condensados em pacotes de baixo volume contribuem para colocar os
computadores de controle de voo e a unidade eletrônica de controle do motor
dentro do peso alvo.





Figure 5 – Detalhes construtivos do TurboRocket





VI. Conclusão



Substituir motores de foguete sólido ou líquidos por
turboreatores pode ser uma opção atraente para um novo tipo de hobby que
combina habilidades de modeladores de jatos e entusiastas de foguetes de alta
potência. Até agora, o turbo-foguete está no estágio conceitual e precisa de
modelistas que busquem novos desafios tecnológicos ao construir o primeiro
TurboRocket e empresários que sejam ousados o suficiente para mover o conceito
para a arena comercial.



Além do conceito inicial ainda existem desafios
tecnológicos com o TurboRocket. O primeiro na lista de desejos é o empuxo
vetorado, um item quase obrigatório para decolagem realista, e quem sabe, pouso
vertical. Como a taxa de compressão do turboreator permite o uso de bocal
supersônico, a próxima tentativa natural de melhoria reside na introdução da
configuração aerospike que pode resultar em um empuxo maior e um arrasto de
base reduzido em altitudes. O projeto de entrada de ar também será uma parte
importante deste processo de melhoria, com um esforço para reduzir o arrasto e,
ao mesmo tempo, garantir que todo o fluxo de massa de ar necessário para manter
o turbojato em operação esteja disponível em todo o envelope do voo do veículo.
Em seguida, a lista de melhorias é a introdução de pós-combustão, como uma
forma de empurrar o veículo para uma velocidade mais alta, talvez voltando
supersônico.



Comentário: Nos parece muito interessante esta proposta
do Eng. Nardi, e ele finaliza o e-mail fazendo a seguinte pergunta: “Quem vai
construir o primeiro turbo-rocket no Brasil????”, e espera que os foguetemodelistas
brasileiros possam responder a esta pergunta. Os comentários estão abertos.&nbsp;