MecFlu. Apostila Foguetes Experimentais

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Apostila para projeto e construo de foguetes experimentais para a disciplina de Mecnica dos Fluidos.

Text of MecFlu. Apostila Foguetes Experimentais

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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE ESCOLA DE ENGENHARIA INDUSTRIAL METALRGICA DE VOLTA REDONDA

APOSTILA

PROJETO E CONSTRUO DE FOGUETES EXPERIMENTAIS1 EDIO

Apostila feita pelo estudante Igor Silfar Teles da Silva para a disciplina de Mecnica dos Fluidos-I sob a orientao do professor

Alexandre Francisco como material de apoio para o projeto e construo de foguetes experimentais.

VOLTA REDONDA 2012

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SUMRIOINTRODUO, 3

PROJETO, 4Centro de Gravidade, 4 Centro de Presso, 7 Elementos de um Foguete Estvel, 12 Corrigindo um Foguete Instvel, 20

AEROLAB, 22

MOTOR, 40Classificao de um Motor, 40 Funcionamento de um Motor, 42 Dispositivos de Proteo do Paraquedas, 43

CONSTRUO, 44

BIBLIOGRAFIA, 54

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INTRODUOO desenvolvimento de foguetes envolve quatro etapas bsicas: projeto, construo, lanamento e recuperao. No projeto so definidas importantes caractersticas como tipo de material, localizao do centro de presso (CP) e do centro de gravidade (CG), classe do motor, peso total e sistema de recuperao. Na construo respeitamos as propriedades do projeto, sempre buscando a utilizao de materiais que estejam de acordo com as caractersticas pr-estabelecidas. No lanamento verificamos se as

propriedades aerodinmicas e o peso realmente esto de acordo com o motor escolhido. Finalmente, na recuperao observamos se as dimenses, o posicionamento e a proteo do paraquedas esto corretos, evitando, dessa forma, que qualquer dano seja causado ao foguete no momento em que ele retorne ao solo.

FIG.1

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PROJETOUm dos principais cuidados que se deve tomar ao projetar foguetes certificar-se que seu modelo estvel, ou seja, que o centro gravidade est frente do centro de presso tomando como origem o nariz. A seguir est uma breve explicao do que centro de gravidade e centro de presso.

CENTRO DE GRAVIDADE (CG)

O CG o ponto onde todo o peso do foguete parece estar concentrado, ou seja, existe tanto peso distribudo frente quanto atrs do CG do foguete. Se voc amarrar uma linha sobre CG e segur-la, o foguete ficar em equilbrio.

FIG.2a

A fora que voc sente na linha quando o foguete est em equilbrio, na verdade, o peso dele. Este peso total a soma de todos os pesos dos componentes feitos de diferentes materiais que compe o foguete. Se voc adicionar mais material no foguete (como argila) ele ir pesar mais.

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Agora, se o material posicionado prximo ao nariz, o foguete ir inclinar-se e voc ter que mover a linha na direo do bico para que o foguete volte a ficar equilibrado.

FIG.2b

A tendncia de uma fora, como o peso da argila, de rotacionar um corpo chamada de momento. A intensidade do momento depende da fora propriamente dita assim como da distncia entre a fora e o ponto onde o corpo est girando. Esta distncia chamada de brao. Neste caso, a fora envolvida o peso da argila e o brao a distncia entre a argila e o ponto onde a linha est amarrada.

FIG.3

Se voc afastar mais e mais a argila da linha, o brao ir aumentar e o foguete ir inclinar-se cada vez mais. Da mesma maneira, se voc adicionar mais argila e no mov-la, o foguete tambm ir inclinar. Em geral, o momento tem maior intensidade quando aumentamos a fora peso e/ou aumentamos o comprimento do brao. 6

FIG.4

Lembre-se, um momento est sempre relacionado a uma distncia especfica. Se voc alterar essa distncia, voc ir mudar o brao do momento, e consequentemente, o momento em si. Quando a linha que est em volta do foguete aproximada da argila, o foguete nivelado novamente. O momento causado pelo peso da argila foi reduzido pela reduo do brao. Ao mesmo tempo, um novo momento foi introduzido no lado oposto.

FIG.5

importante para voc entender que a posio do centro de gravidade em um foguete ou em qualquer corpo est associada com a distribuio de peso e no com o peso em si. Esta mesma ideia ser utilizada para explicar o que centro de presso.

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O centro de gravidade importante para a estabilidade de um foguete no porque seu ponto de equilbrio est l, mas porque quando um foguete est em vo livre, ele ir girar somente em torno deste ponto.

FIG.6

CENTRO DE PRESSO (CP)

O centro de presso similar ao centro de gravidade, a nica diferena que as foras envolvidas so as foras de presso do ar agindo sobre o foguete quando ele est voando. O CP pode ser definido da mesma maneira que o CG. O centro de presso de um foguete o ponto onde todas as foras de presso do ar que agem sobre ele podem ser concentradas, ou seja, existe tanta presso aerodinmica distribuda frente do CP quanto existe atrs dele. Em termos de momento, existe tanto momento devido fora de presso aerodinmica frente do CP quanto existe atrs dele.

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Na figura abaixo, as foras relacionadas presso aerodinmica que agem ao longo de todo o corpo do foguete esto representadas por setas.

FIG.7

Como voc pode ver na FIG.7, o foguete est em uma posio de perturbao (exagerada na figura), ou seja, existe um pequeno ngulo na direo em que ele est voando. Como resultado, existe um ngulo na direo em que o ar flui sobre o foguete. Este ngulo chamado de ngulo de ataque e representado pela letra grega . Perceba que as foras de presso aerodinmicas desenhadas acima so todas perpendiculares linha de centro do foguete. Estas foras so chamadas de foras normais termo matemtico para perpendicular que agem sobre o modelo.

A distribuio de foras mostrada acima representa realmente como as foras aerodinmicas atuam sobre um foguete com um ngulo de ataque durante o vo. No entanto, essa distribuio pode ser agrupada e seu efeito combinado pode ser representado no modelo por uma fora resultante chamada N. Da mesma forma que o peso total age no CG, a fora resultante N age no centro de presso CP.

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A FIG.8 equivalente FIG.7, a nica diferena que a distribuio de foras aerodinmicas foi substituda por uma fora resultante N agindo no CP.

FIG.8a

Assim como o centro de gravidade depende da distribuio de peso no foguete, a localizao do centro de presso depende fortemente da distribuio das foras aerodinmicas sobre o corpo do modelo.

O ngulo de ataque com que um foguete voa tem um forte efeito na intensidade e na forma de distribuio das foras aerodinmicas do modelo. A FIG.8b mostra como a distribuio de foras em um foguete tpico durante o vo se comporta com diferentes ngulos de ataque. O equivalente total da fora normal fica maior quando o ngulo de ataque aumenta, no entanto, o mais importante que a distribuio de foras aerodinmicas tambm varia de acordo com o ngulo de ataque. Essa variao causa uma mudana na posio do centro de presso. Como mostrado na FIG.8b, o CP se move na direo do nariz quando o ngulo de ataque aumenta.

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FIG.8b

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ELEMENTOS DE UM FOGUETE ESTVEL

Como j mostrado anteriormente, um foguete em vo livre ir girar somente em torno de seu centro de gravidade. Lembre-se tambm que a nica razo pela qual um foguete gira um momento. Os dois fatores que formam o momento so fora e distncia (brao).

Um modelo voando com um ngulo de ataque posio de perturbao tem toda sua presso aerodinmica agindo sobre seu centro de presso.

FIG.9

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A fora normal N e a distncia entre o centro de presso e o centro de gravidade ou brao se combinam para formar o momento M sobre o centro de gravidade.

FIG.10

Como a distncia entre CG e CP ou seja, o brao do momento associado fora aerodinmica normal N muito importante, ela recebeu um nome especial: Margem Esttica. Como o momento M est associado s foras aerodinmicas, ele chamado de Momento Aerodinmico. O Momento Aerodinmico tende a girar o foguete em torno de seu centro de gravidade.

Na FIG.11, o foguete ir girar no sentido horrio reduzindo o ngulo de ataque. Como o modelo est girando, seu ngulo de ataque chegar a ZERO, e em seguida, um novo ngulo de ataque ir surgir.

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FIG.11

No entanto, a fora normal e o momento aerodinmico resultante devido ao novo ngulo de ataque tendem a, novamente, girar o foguete, mas dessa vez no sentido anti-horrio. Esse processo de oscilao repetido com cada vez menos intensidade at que o foguete tenha um ngulo de ataque igual a ZERO e se estabilize. Chamamos esse movimento oscilatrio de swing.

Voc deve ter percebido que um foguete com ngulo de ataque igual a ZERO est em sua posio neutra e o processo descrito acima uma oscilao estvel. Repare que nas figuras mostradas acima o CP est sempre atrs do CG do foguete o nariz tomado como ponto de origem. Este exatamente o requisito necessrio para a estabilidade de um foguete. UM FOGUETE SER ESTVEL SOMENTE SE O SEU CENTRO DE PRESSO ESTIVER ATRS DE SEU CENTRO DE GRAVIDADE.

Mas o que ir acontecer quando o CP estiver na frente do CG? A figura abaixo mostra essa situao em um foguete com ngulo de ataque.

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FIG.12

Neste caso, o momento aerodinmico tende a rotacionar o modelo fazendo com que ele saia da sua posio neutra e se torne instvel.

Saber que o seu foguete est estvel no o bastante. Voc deve saber quanto estvel ele , ou seja, com que rapidez ele retorna para sua posio neutra aps ser perturbado. Como o momento aerodinmico est relacionado com a distncia entre o CG e o CP, a margem esttica tem um grande efeito sobre a estabilidade do foguete. Por isso, para um foguete, quanto maior a margem esttica, mais estvel ele ser.

A importncia do ngulo de ataque agora se torna clara. De acordo com que o ngulo de ataque de um foguete aumenta, o CP move-se para frente, a margem esttica diminui, e o foguete se torna menos estvel. possvel que o CP se mova para frente do CG tornando o foguete instvel. Obviamente, voc quer que o seu foguete tenha uma mar