Propulsão

Método Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)

O método DSMC é uma técnica de simulação numérica baseada na dinâmica das partículas. O método DSMC é fundamentado nos conceitos físicos dos gases rarefeitos e nas hipóteses físicas que formam a base para a derivação da equação de Boltzmann. Entretanto, o método DSMC não é derivado diretamente da equação de Boltzmann. Como ambos, o método DSMC e a equação de Boltzmann, são fundamentados na teoria cinética clássica, então o método DSMC está sujeito as mesmas restrições da equação de Boltzmann, i.e., a hipótese de caos molecular e a restrição de gases diluídos.

Atualmente, o método DSMC tem sido reconhecido como uma técnica poderosa capaz de avaliar uma variedade ilimitada de escoamentos rarefeitos em regimes onde nem as equações de Navier-Stokes e nem as equações para escoamento molecular livre (escoamentos onde as colisões entre partículas são desprezadas quando comparadas com aquelas colisões com o corpo) são apropriadas. O método tem sido testado em escoamentos no regime de transição nos últimos 40 anos, e tem apresentado excelentes resultados quando comparados com dados experimentais. Comparações com dados experimentais têm dado credibilidade ao método, o que tem sido vital na receptividade do mesmo. Entre as vantagens do método que fazem com que ele seja útil nas aplicações de engenharia pode-se citar (1) a simplicidade na mudança de um problema unidimensional (1-D) para 2-D e 3-D, (2) a possibilidade de se incorporar modelos complexos de interação gás/partículas, incluindo-se os modelos de graus internos de liberdade e reações químicas sem maiores complicações no algoritmo computacional e sem significante aumento no custo computacional e, (3) a aplicação do método em computação paralela.

O método DSMC modela o escoamento como sendo uma coleção de partículas (ou moléculas). Cada partícula possui posição, velocidade e energia interna. O estado da partícula e armazenado e modificado com o tempo quando as partículas se movem, colidem e interagem com a superfície no domínio físico simulado. A hipótese de gás diluído (onde o diâmetro molecular médio é muito menor que o espaço molecular médio no gás) permite que o movimento das moléculas seja desacoplado do processo de colisão das moléculas. O movimento das moléculas é modelado deterministicamente, enquanto que as colisões são tratadas estatisticamente. Considerando-se ser impossível simular o número real de moléculas no domínio computacional, um número muito menor de moléculas é empregado, cada molécula simulada representando um grande número de moléculas reais. As simulações podem variar de milhares para milhões de moléculas nos problemas de escoamentos rarefeitos.

Uma malha computacional, representando o espaço físico a ser investigado, é utilizada na execução do método. As células na malha computacional servem como referência na obtenção das propriedades macroscópicas do gás. As células são divididas em subcélulas, onde os possíveis pares de moléculas a serem utilizadas nas colisões são escolhidos. Esse procedimento melhora a precisão do método por assegurar que as colisões ocorram somente entre moléculas vizinhas. As moléculas nas células são consideradas como representativas das moléculas reais na posição da célula, e a posição relativa das moléculas no interior das células é ignorada no processo de colisão das moléculas. As dimensões das células devem ser obtidas de modo que as mudanças nas propriedades do escoamento através de cada célula sejam pequenas. As dimensões lineares das células devem ser pequenas comparadas com o livre caminho médio das moléculas nas direções onde os gradientes das propriedades são mais acentuados.

Uma outra exigência do método DSMC diz respeito ao passo no tempo. As trajetórias das moléculas no espaço físico são acompanhadas considerando-se o desacoplamento entre o movimento das moléculas e as colisões intermoleculares. De modo a satisfazer esse desacoplamento, o passo no tempo deve ser pequeno quando comparado com o tempo médio entre as colisões. O tempo na simulação pode ser identificado com o tempo real, e o escoamento é sempre calculado como um escoamento transiente. As condições iniciais não dependem de uma predição do campo de escoamento, mas podem ser especificadas em termos dos estados, tais como escoamento uniforme ou vácuo, que permite uma exata especificação. O escoamento permanente corresponde ao escoamento transiente para grandes períodos de tempo. É importante mencionar que não existem processos iterativos e problemas relacionados com estabilidade ou convergência. Conseqüentemente, o método DSMC não está sujeito a critérios de estabilidade como a condição Courant-Friendrichs-Lewy encontrada em CFD. As condições de contorno são especificadas em termos do comportamento individual das moléculas, e todos os procedimentos podem ser especificados tal que o tempo computacional seja linearmente dependente do número de moléculas.

Desempenho de Micropropulsores Baseados em MEMS

Desempenho de Micropropulsores Baseados em MEMS

O atual estágio da tecnologia de semicondutores a base de silício tem permitido a aplicação de placas de silício no processo de fabricação de dispositivos em micro escalas. Essa técnica de fabricação vem sendo aplicada no desenvolvimento de sistemas micro-eletromecânicos, denominados por MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), e de vários outros microequipamentos. Dentre as várias aplicações de MEMS, encontram-se os micropropulsores de baixo empuxo. Esses micropropulsores podem ser aplicados individualmente ou em conjunto no sistema propulsivo de pequenos satélites.

Micro e nano satélites exigem sistemas propulsivos de baixo empuxo nas manobras orbitais de modo a corrigir as trajetórias e, também, fornecer um controle fino na atitude dos satélites. Atualmente, conceitos de micropropulsores baseados em MEMS vêm sendo desenvolvidos de modo a atender as exigências de futuras missões espaciais.

O sistema de micropropulsão desses satélites normalmente fornece empuxo na faixa de 1 mN a 1 mN (de um micro-Newton a um mili-Newton). O empuxo nesse sistema é obtido por meio da expansão de um gás, ou da mistura de gases, através de um micro-bocal convergente-divergente. Entretanto, vários fatores fazem com que o escoamento do gás em um micro-bocal, baseado em MEMS, seja diferente daquele em um bocal convergente-divergente convencional em macro escala, i.e., de um macro-bocal.

Em geral, o desempenho de sistemas propulsivos é altamente dependente do projeto aerodinâmico da parte divergente do bocal. Os principais parâmetros no projeto são a forma da superfície e a razão de área, i.e., a razão entre a área da garganta e área da seção de saída do bocal. Neste cenário, uma investigação detalhada do escoamento no micro-bocal permitirá conhecer o peso desses parâmetros no desempenho dos micro-bocais. Tais informações terão primordial importância no projeto e desenvolvimento de micro-bocais, baseados em MEMS, visando à aplicação no sistema propulsivo de pequenos satélites.

Desempenho Aerodinâmico de Bordos de Ataque Pontiagudo e Rombudo

Certos veículos hipersônicos, como por exemplo waveriders, são projetadas com bordos de ataque infinitamente pontiagudos, a partir de um campo de escoamento não-viscoso, com o propósito de se obter ondas de choque ancoradas no bico. Como a onda de choque ancorada no bordo de ataque evita-se a passagem do ar a alta pressão da região inferior para a superior do veículo. Além disso, as superfícies superior e inferior do veículo podem ser projetadas separadamente. Entretanto, em termos práticos, veículos waveriders terão algum grau de "arredondamento" no bordo de ataque determinado por razões de fabricação, manuseio ou cargas térmicas. Por outro lado, face aos efeitos viscosos, a onda de choque que surgirá será desacoplada do bordo de ataque. Com o desacoplamento da onda de choque, que passa a ser destacada e curva, o desempenho aerodinâmico do veículo fica comprometido. Em face ao crescente interesse em se utilizar veículos waveriders em altas altitudes, este projeto investigar o efeito da espessura da face frontal de cunhas truncadas na estrutura do escoamento, na estrutura da onda de choque e nas propriedades aerodinâmicas na superfície do bordo de ataque. Neste cenário, Espera-se fornecer uma análise da máxima espessura da face frontal que resulte em um afastamento mínimo do desempenho ideal de tais veículos.

Análise Aerotermodinâmica de Veículos Hipersônicos na Reentrada com Imperfeições na Superfície

No projeto e desenvolvimento de veículos hipersônicos, o conhecimento dos fatores que afetam as cargas térmicas e mecânicas agindo sobre os veículos é de primordial importância. Normalmente, no cálculo das cargas térmicas, a análise assume que o veículo possui uma superfície lisa livre de imperfeições. Todavia, filetes, cavidades, degraus (descontinuidades), etc, estão presentes na superfície de veículos aeroespaciais devido, entre outros fatores, a tolerâncias de fabricação, instalação de sensores, espaçamento entre as placas de proteção térmica em razão das diferenças na taxa de expansão ou ablação em função do uso de diferentes materiais. Dentre os vários tipos de veículos aeroespaciais encontram-se os veículos hipersônicos utilizados na reentrada da atmosfera terrestre. Tais descontinuidades na superfície do veículo podem constituir uma fonte potencial no aumento do fluxo de calor para a superfície ou até mesmo uma transição prematura no regime do escoamento, i.e., de laminar para turbulento.

O sistema de proteção térmica de veículos na reentrada, como por exemplo, ônibus espaciais, exigem filetes (gaps) entre os elementos de proteção de modo a compensar a expansão térmica do material. Neste contexto, torna-se necessário um prognóstico detalhado das condições do escoamento e das cargas térmicas de modo que os filetes, cavidades e até mesmo degraus no sistema de proteção sejam bem projetados.

Aerotermodinâmica de um Satélite Recuperável na Reentrada

Para a realização de experimentos científicos e tecnológicos em ambiente de microgravidade, diferentes meios podem ser utilizados em função dos custos e do tempo disponível para a condução dos experimentos. Dentre as possíveis alternativas, destacam-se as plataformas orbitais (satélites) recuperáveis, um dos itens considerados pelo PNAE (Programa Nacional de Atividades Espaciais). Trata-se de um sistema orbital, constituído de uma plataforma, em forma de cápsula, a qual após sua satelitização, permanece em órbita pelo tempo necessário para a condução dos experimentos, sendo em seguida redirecionada a Terra, onde é recuperada em solo.

No desenvolvimento desse tipo de sistema, a modelagem da aerotermodinâmica de reentrada constitui-se em um dos maiores desafios. O conhecimento preciso sobre a aerodinâmica da cápsula ao longo da trajetória na reentrada permitirá um melhor entendimento do desempenho da cápsula, possivelmente resultando em um aumento da carga útil bem como uma redução na espessura do sistema de proteção térmica da cápsula. Denomina-se por aerotermodinâmica de um satélite o conhecimento do aquecimento aerodinâmico (fluxo de calor) e das forças aerodinâmicas agindo na superfície do veículo.

Face às dificuldades de dispositivos experimentais para escoamentos hipersônicos de alta entalpia e baixa massa específica, onde vários processos físicos e químicos são relevantes, o desenvolvimento de métodos numéricos de modo a simular esses escoamentos vem sendo estimulado. Como resultado, existem atualmente alguns métodos numéricos que são precisos e capazes de resolver os problemas de escoamentos hipersônicos. A escolha do método apropriado dependerá do grau de rarefação do escoamento, do comprimento característico do problema e da presença dos efeitos de gases reais.

Projetos em Andamento

• Investigação Numérica da Aerotermodinâmica de Veículos na Reentrada com Imperfeições na Superfície do Tipo Cavidade
  
  Projeto FAPESP (Processo Nº. 2007/57673-6) e CNPq (Processo Nº. 473267/2008-0)
  Equipe: Wilson F. N. Santos e Rodrigo Cassineli Palharini
  
  
• Análise Computacional do Efeito de Filetes na Superfície de Veículos na Reentrada
  
  Projeto CNPq (Processo Nº. 554564/2008-4) e CNPq (Processo Nº. 473267/2008-0)
  Equipe: Wilson F. N. Santos e Luis Thiago Lucci Corrêa Paolicchi
  
  
• Simulação Direta da Aerotermodinâmica de um Satélite Recuperável na Reentrada Atmosférica
  
  Projeto FAPESP (Processo No. 2008/03878-9)
  Equipe: Wilson F. N. Santos e Pedro Andrey Cavalcante Sampaio
  
  
• Simulação Direta da Estrutura do Escoamento de Veículos na Reentrada com Imperfeições na Superfície do Tipo Degrau
  
  Projeto CNPq (Processo No. 473267/2008-0)
  Equipe: Wilson F. N. Santos e Paulo Henrique Mineiro Leite
  
  
• Simulação de Escoamento Hipersônico sobre Cunhas Truncadas
  
  Projeto INPE
  Equipe: Wilson F. N. Santos
  
  
• Análise do Desempenho de Micro-propulsores (baseados em MEMS) para Controle de Atitude de Satélites
  
  Projeto CNPq (Processo No. 580249/2008-5)
  Equipe: Wilson F. N. Santos e Israel Borges Sebastião
  
  

Projetos Concluídos

• Estudo Aerotermodinâmico de Bordos de Ataque Pontiagudo/Rombudo de Veículos Hipersônicos
  
  Projeto CNPq (Processo No. 473737/2004-3)
  Equipe: Wilson F. N. Santos
  
  
• Estudo Aerotermodinâmico de Escoamento Hipersônico Rarefeito sobre Bordos de Ataque na Forma de Potência
  
  Projeto FAPESP (Processo No. 2003/01765-9)
  Equipe: Wilson F. N. Santos e Israel Borges Sebastião