Projeto conceitual de um veículo aeroespacial utilizando sistema de propulsão aspirada para velocidade hipersônica

Abstract

A propulsão hipersônica aspirada com combustão supersônica (scramjet) é tema de estudo de comunidades científicas de diversos países, devido ao interesse em facilitar o acesso ao espaço. Essa tecnologia apresenta como vantagem em relação aos atuais sistemas de propulsão aeroespacial, a redução do peso do veículo, uma vez que não é necessário o transporte de oxidante. Veículos aeroespaciais que operam em velocidade hipersônica utilizando propulsão scramjet requerem um sistema altamente integrado, onde o sistema de propulsão e o veículo são indistinguíveis. Neste trabalho, é apresentada uma abordagem analítica-teórica para o desenvolvimento de um projeto de veículo scramjet operando em uma altitude de 25 km, em velocidade de 1879,85 m/s, correspondente ao número de Mach 6,3. Para o dimensionamento da seção de compressão, foi utilizada a teoria de ondas de choque oblíquas e adotou-se o critério de intensidade do choque constante através das ondas de choque, a fim de evitar perda de desempenho durante a compressão. Na seção de combustão, foi utilizada a teoria de Rayleigh para adição de calor unidimensional. Por fim, para o dimensionamento da seção de expansão, implementou-se a teoria de ondas de expansão de Prandtl-Meyer e a teoria de razão de áreas. Através dessa análise obteve-se um empuxo positivo, o que corrobora com a hipótese de que a tecnologia scramjet tem a capacidade de propulsionar o veículo projetado. Para uma análise simplificada, o ar atmosférico foi considerado como gás caloricamente perfeito e os efeitos viscosos foram desprezados.

The hypersonic airbreathing propulsion system based on supersonic combustion (scramjet) is the subject of study by scientific communities in several countries, due to the interest in facilitating the access to space. This technology has, as an advantage over current Aerospace propulsion systems, the reduction of vehicle weight, since it is not necessary to transport the oxidant. Aerospace vehicles operating at hypersonic speed using scramjet propulsion require a highly integrated system, where the propulsion system and the vehicle are indistinguishable. In this work, an analytical-theoretical approach is presented in order to develop a scramjet vehicle design operating at an altitude of 25 km, at a speed of 1879,85 m/s, corresponding to Mach number 6,3. For the dimensioning of the compression section, the oblique shock waves theory was used and the criterion of constant shock intensity through the shock wave was adopted, in order to avoid loss of performance during compression. In the combustion section, the Rayleigh theory for one-dimensional heat addition was used. Finally, for the dimensioning of the expansion section, the Prandtl-Meyer expansion wave theory and the area ratio theory were used. Through this analysis, a positive thrust was obtained, which corroborates the hypothesis that the scramjet technology has a propulsion capacity for the projected vehicle. For a simplified analysis, atmospheric air was considered as calorically perfect gas and viscous effects were not considered.