Estudo da queima de polietileno e de combustíveis à base de parafina com soluções de peróxido de hidrogênio

• Main Author: Leonardo Henrique Gouvêa
• Other Authors: Fernando de Souza Costa
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2016
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2016/11.10.16.11

Sistemas de propulsão híbrida apresentam maior segurança de operação, menor complexidade de projeto e menores custos de desenvolvimento e de operação que sistemas a bipropelentes líquidos. Uma das limitações dos sistemas de propulsão híbrida são os reduzidos empuxos decorrentes das baixas taxas de regressão dos propelentes poliméricos convencionais. O polietileno (PE) é um combustível híbrido convencional que apresenta a formação de uma camada líquida de alta viscosidade durante a queima e apresenta taxas de regressão superiores às do polibutadieno hidroxilado (HTPB) e do polimetil-metacrilato (PMMA). As taxas de regressão de propelentes à base de parafina são de 3 a 5 vezes maiores que as taxas de regressão do polietileno, uma vez que se forma uma camada líquida de baixa viscosidade na superfície do grão, gerando gotas que são misturadas ao fluxo de oxidante. O peróxido de hidrogênio é um green propellant com alta densidade que se decompõe acima de 800 $^{o}$C em concentrações maiores que 90 \% m/m em solução aquosa. Uma câmara de combustão com janela de quartzo foi projetada e construída para o estudo da queima de combustíveis poliméricos com peróxido de hidrogênio em concentrações de 85 e 90 \%. Um leito catalítico de óxidos de Co, Mn e Al foi utilizado para decomposição do peróxido e injeção dos produtos da decomposição na câmara de combustão. Grãos de seção retangular de polietileno e de combustíveis à base de parafina foram preparados e queimados para análise da variação espacial e temporal da taxa de regressão. Observou-se a formação de uma pequena elevação na entrada da porta dos grãos de polietileno, gerando uma zona de recirculação adjacente. Combustíveis à base de parafina foram queimados com diferentes aditivos, verificando-se que a parafina impregnada com fios de algodão apresenta o melhor desempenho em termos de ignição e estabilidade de queima. === Hybrid propulsion systems have higher security operation, less complex design and lower operational and developmental costs than liquid bipropellant systems. One of the limitations of hybrid propulsion systems are the reduced thrust levels resulting from the low regression rates of common polymeric propellants. Polyethylene (PE) is a conventional hybrid fuel which presents the formation of a liquid layer of high viscosity during firing and shows regression rates higher than hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB) and polymethyl methacrylate (PMMA). Regression rates of paraffin-based propellants are 3 to 5 times higher than polyethylene regression rates, since paraffin forms a low viscosity liquid layer on the surface of the grain generating droplets that entrain the oxidant flow. Hydrogen peroxide is a high-density green propellant which decomposes above 800 $^{o}$C for concentrations in aqueous solutions higher than 90\% w/w. A combustion chamber with a quartz window was designed and built for the study of polymeric fuels burning with hydrogen peroxide in concentrations of 85 and 90 \%. A catalytic bed of Co, Mn and Al oxides were used for decomposition of the peroxide and injection of decomposition products into the combustion chamber. Rectangular grains of polyethylene and paraffin-based fuels were prepared and burned for analysis of the spatial and temporal variation of the regression rate. There was the formation of a lump at the port entrance of the polyethylene grains, creating an adjacent recirculation zone. Paraffin-based fuels were burned with different additives, and the impregnated paraffin wax with cotton threads showed the best performance in terms of ignition and burning stability.