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Trabalho Conclusão Curso
Aluno (a): Cesar Hipólito Pinto
Título do projeto: Foguetes à combustão: Uma proposta para ensino de Física
Orientador (a): Norberto Aranha
Co-orientador (a): Emerson Gomes
RELATO DA PESQUISA
Foguetes à combustão: Uma proposta para ensino de Física
Cesar Hipólito Pinto, Emerson Gomes, Norberto Aranha
[email protected],[email protected],[email protected]
Licenciatura em Física – Professor (a)
SUMÁRIO
1 - Introdução 04
2 – Objetivo Geral 04
3 – Objetivo Especifico 04
4 – Descrição dos Aplicativos 05
4.1 - OpenRocket 05
4.2 - Tracker 08
5 – Projeto do Protótipo UNISO 101 09
5.1 - Partes do protótipo UNISO 101 09
5.2 - UNISO 101 – modelo de voo 10
5.3 - Modelo de aletas 11
5.4 - Centro de Gravidade e Pressão 12
6 – Montagem do Protótipo 13
6.1 – Combustível 13
7 – Simulações e testes de campo 14
7.1 – Calculo de empuxo 15
7.2 – Empuxo I 15
7.3 – Empuxo II 16
7.4 – Teste foguete I 17
7.4 – Teste foguete II 18
8 – Considerações finais 20
9 – Referências 20
1. Introdução
Projetos de foguetes é um esporte que envolve a concepção, construção e lançamento foguetes
desenvolvidos por projetistas amadores ou engenheiros. Os Foguetes variam muito em
tamanho, forma, peso e sua construção em escala. O esporte é relativamente popular e é
frequentemente citado como uma fonte de inspiração para as crianças a se tornarem engenheiros
e cientistas.
Este projeto teve início com uma primeira etapa no trabalho de iniciação cientifica de 2011 que
foi desenvolvido baseado no uso de garrafas PET, isto é, desenvolver um foguete com propulsão
a agua pressurizada e utilizar todo este processo aplicar com alunos do ensino médio para
aprendizado de Física e seus conceitos.
Esses dispositivos permitem ao educando verificar e refletir sobre diversos conceitos
relacionados à cinemática e à dinâmica. Além disso, esses tipos de foguetes podem ser
construídos com materiais de baixo custo, permitindo ao estudante um processo de
aprendizagem que privilegia tanto a interação entre os seus parceiros quanto a possibilidade do
educando construir dispositivos e realizar experimentos de forma lúdica.
Como segunda parte do projeto original evoluímos para construção de protótipo de foguete
metálico e motor a combustão semelhante aos modelos reais que temos oportunidade de ver a
todos momento sendo lançado pelas agências espaciais em todo o mundo.
Para atingir nosso projeto fizemos uso de vários aplicativos livres e gratuitos existentes hoje na
internet, como OpenRocket, Tracker e Physics 101 que permitiram, dimensionar, construir e
testar virtualmente o protótipo antes de sua confecção pela engenharia espacial.
2. Objetivo geral
Este projeto tem como meta, desenhar, projetar e testar virtualmente um protótipo de foguete a
combustão e em seguida manufatura-lo em oficina de materiais metálicos e lança-lo para
comparação de resultados, analise de velocidade, aceleração, altura, etc....
3. Objetivo especifico
Usando os softwares OpenRocket, Tracker e Physics 101, iremos desenhar, projetar um
protótipo de foguete a combustível solido para testes, sendo um projeto minucioso que requer
planejamento e precisão, cada etapa foi feita em aplicativos conforme especialidade:
OpenRocket: desenho e modelagem 3D do protótipo, definição de características de matérias, formas do corpo, cone e aletas, assim como dimensionamento do motor a ser
utilizado.
Tracker: ferramenta de análise de comportamento de voo a partir da filmagem realizada durantes testes de campo.
Physics 101: ferramenta que a partir de dados gerados pelo tracker como, aceleração e
velocidade podemos tirar conclusões de altitude, forca de arrasto e assim otimizar o
projeto do foguete nos futuros lançamentos.
O foguete real e seus testes de campo se tornam mais eficientes a partir das análises geradas
pelos aplicativos.
4. Descrição dos aplicativos
4.1. OPENROCKET
A janela do usuário foi projetada com a intenção de ser robusta, mas ainda fácil de usar,
mesmo para usuários inexperientes. A janela principal, representado na Figura 1 (a) com o
projeto de um foguete exemplo já existente no aplicativo, consiste em um desenho
esquemático de foguete, a estrutura da árvore dos componentes de foguetes (1) e botões
para adicionar novos componentes para a estrutura (2). Os componentes podem ser
selecionados ou editados clicando na árvore ou o componente no diagrama esquemático. Os
componentes selecionados são desenhados em negrito para dar uma pista visual para a
posição do componente.
Figura 1ª – Aplicativo OpenRocket, definição de corpo, tubeira e aletas.
O desenho esquemático pode ser visto de várias maneiras, a partir do lado ou por trás, pode
ser ampliada ou reduzida e rodado ao longo da linha central. A visão diagrama esquemático
também apresenta informações básicas sobre o foguete, como o nome do projeto,
comprimento, diâmetro máximo, massa e possíveis avisos sobre o design. Ele também
calcula as posições do Centro de Gravidade e Centro de Pressão (CG e CP estão detalhados
na sessão 2 deste documento).
Além disso, a simulação é executada automaticamente em segundo plano após cada
modificação e os principais resultados são apresentados no canto inferior esquerdo do
diagrama (3).
Muitos usuários estão interessados na altitude máxima ou velocidade do foguete, e isso
permite uma retroalimentação de imediato sobre o efeito das mudanças que estão fazendo
1
2
3
com o projeto virtual. A informação de voo normalmente leva menos de um segundo para
atualizar.
A parte superior da janela principal também pode ser alterado para exibir os resultados da
simulação, Figura 1 (b). Muitas simulações podem ser adicionadas com diferentes
condições de lançamento e configurações de motor para investigar seus efeitos. Cada
simulação tem uma linha que apresenta as informações básicas.
A primeira coluna indica uma pista visual imediata para o estado da simulação; uma bola
cinza indica que a simulação não foi executada ainda, verde indica uma simulação
atualizada, vermelho indica que o projeto foi alterado após a simulação foi executado e
amarelo indica que a informação simulação foi carregado a partir de um arquivo, mas que
o arquivo afirma que ele está atualizado. As simulações podem ser executadas uma ou várias
vezes, de acordo com necessidade do usuário.
Figura 1b – Aplicativo OpenRocket, definição de corpo, tubeira e aletas.
A Figura 2 mostra duas caixas de diálogos que são utilizados para modificar e analisar os
desenhos. Os componentes são editados usando uma pequena janela de diálogo que permite
o usuário preencher os valores numéricos exatos e assim especificando a forma do
componente ou usar barras de rolamento para modificá-los. O usuário pode alterar as
unidades clicando sobre eles, ou definir valores padrão de preferências. Diferentes abas
permitem o controle sobre a massa e configurações de substituição CG, opções de cores,
montagem do motor e opções de cluster e muito mais. A análise de componentes mostrado
na figura pode ser utilizada para analisar o efeito dos componentes individuais sobre a
estabilidade, características de arrasto e características totais do foguete.
Figura 2 – Janelas de diálogo para editar as propriedades de um cone do nariz e para analisar a
influência dos componentes individuais sobre as características de estabilidade, arrasto e corpo do
foguete.
Da mesma forma, as condições de lançamento e as opções do simulador podem ser editados
na caixa de diálogo correspondente. As opções do simulador também permitem que o
usuário defina simulações personalizadas para usar nos testes virtuais. A caixa de diálogo
de edição de simulação também é usada para posterior a análise de dados. Os dados
simulados podem ser representados graficamente em uma variedade de formas, como
mostrado na Figura 3.
Figura 3 – Janela de diálogo para alterar as opções de simulação e um gráfico do voo do foguete.
O programa permite também exportar os dados de voo em formato CSV (formato de
planilha Excel) para posterior análise usando outras ferramentas.
4.2. TRACKER– Analise de dinâmica física de corpos.
Aplicativo Tracker é um software livre de análise da dinâmica de corpos e ele é apropriado
para nosso propósito de analisar o comportamento do movimento do foguete de determinar
parâmetros interessantes como altura, velocidade e aceleração e assim comparar com os
resultados alcançados pelo aplicativo OpenRocket.
Para cumprir com esta tarefa, durante a fase de testes de campo, precisamos de uma
filmagem perpendicular ao plano de lançamento do foguete a partir desta tomada de
imagem, lançamos o conteúdo no software e montamos o processo de análise conforme
abaixo.
5. Projeto do Protótipo UNISO 101
Em virtude do projeto do foguete a combustão ser mais complexo no contexto de magnitude,
material e processo construtivo, precisamos realizar testes de estabilidade, uma vez que são
necessários cálculos avançados de Centro de Gravidade e Centro de Pressão, para tal
realização desta tarefa usamos o aplicativo de código aberto OpenRocket disponível na
internet.
Construímos o UNISO 101, primeiramente colocamos as dimensões do corpo do foguete,
assim como o cone, tubeira e aletas (figura 4), cada componente tem o material bem
especificado, neste modelo usamos alumínio aeronáutico 6061-T6, material de alta
resistência para suportar condições extremas de esforço mecânico e de temperatura que são
necessários nos testes de lançamentos.
5.1. Partes do protótipo UNISO 101
Os principais componentes de um foguete são o tubo do corpo (1), suporte do motor, aletas
(2), cone (3) e sistemas de recuperação. Foguetes são geralmente de materiais leves como
alumínio. O tubo do corpo é a estrutura principal do foguete. Determina que a forma
principal é geralmente longo e delgado. Todas as outras partes estão ligados ao tubo do
corpo. O corpo mantém o motor posicionado dentro da fuselagem enquanto as aletas dão
estabilidade direcional e ajudam o foguete voar alinhadamente. O cone é anexado ao topo
do foguete e com esta forma permite cortar o ar com mais eficiência e reduzir o arrasto.
Figura 4 – desenho UNISO 101 no OpenRocket
Dimensões e partes do protótipo UNISO 101, (figura 5).
Figura 5 – esquemático do protótipo que foi inserido no OpenRocket, medidas em mm.
5.2. UNISO 101 – modelo de voo.
Empuxo é a força que faz movimento de foguete fora da plataforma de lançamento. O
lançamento é uma demonstração da Terceira Lei de Newton: "Para cada ação há uma reação
igual e oposta." A ação do gás que escapa através do bocal do motor leva a reação do foguete
movendo-se na direção oposta.
1
2
3
O propulsor está contido no invólucro que chamamos de núcleo e este é inserido dentro do
corpo do foguete. Na base do foguete fica a tubeira que é feito de material resistente a
temperatura e extremamente rígido. O ignitor colocado através da tubeira é aquecido por
uma corrente eléctrica fornecida por um dispositivo disparador alimentado por bateria. O
ignitor quente inflama o propulsor sólido no interior do motor, que produz gás enquanto ele
está sendo consumido. Este gás provoca pressão dentro do motor do foguete, que deve
escapar através da tubeira. O gás escapa em alta velocidade e produz impulso.
O rápido movimento do foguete agora começa desacelerar (retardar devido à força da
gravidade e ao atrito quando se move através da atmosfera. O efeito deste atrito atmosférico
é chamado de arrasto).
Quando o foguete já desacelerou o suficiente, ele vai parar de subir e começar processo de
queda. Este ponto alto ou pico de altitude é o apogeu. O foguete pode ser preparado para
outro lançamento.
5.3. Modelo de aletas
O objetivo principal das aletas em um foguete é servir como sistema de controle. Aletas dão
estabilidade direcional e ajudam o foguete a voar de forma direcionada. Aletas de foguetes
podem ser feitas de plástico, madeira ou alumínio. Aletas rígidas devem ser fixadas de forma
simétrica de três, quatro ou mais, as quatro formas mais comuns de aletas são retangulares,
elípticas e cônica.
O efeito de arrasto é uma das principais preocupações na concepção de aletas. Arrasto é a
força de atrito ou resistência entre a superfície de um objeto em movimento e o ar.
A forma de uma aleta é um fator que determina a quantidade de efeito de arrasto que é
produzido no voo do foguete.
Para UNISO 101, utilizamos a opção de aletas customizadas, desenhamos o formato da aleta
com dimensões predefinidas e realizamos testes de conformidade (figura 6).
Figura 6 – Desenho de aletas.
5.4. Centro de Gravidade e Pressão
O aplicativo “OpenRocket” nos permite identificar com exatidão o centro de gravidade e
centro de pressão, uma vez que temos os parâmetros necessários, isto é, material utilizado,
peso do corpo do foguete, cone, tubeira e configuração das aletas e forma do combustível
conforme Figura 7 e 8
Figura 7 – protótipo em 2D, onde é apresentado o centro de gravidade e de pressão.
Figura 8A – Centro de Gravidade e 8B – Centro de Pressão.
O centro de gravidade de um foguete é muito fácil de ser encontrado. Basta simplesmente
que você equilibre-o em cima de uma estrutura ou algo parecido colocada no perpendicular
da fuselagem. O ponto no qual o foguete ficar na horizontal indica o centro de gravidade,
(figura 8A).
O centro de pressão é mais difícil de se achar. O CP funciona do mesmo jeito que o CG,
exceto que as forças envolvidas são aerodinâmicas, em vez de gravitacionais. Elas decorrem
da pressão que o ar faz ao passar pelas várias partes do foguete durante o voo e o CP é o
ponto onde a pressão parece estar mais concentrada, (figura 8B).
A
B
6. Montagem do Protótipo
O protótipo UNISO 101 foi especificado para ser construído em alumínio aeronáutico 6061-
T6, porque este material possui resistência mecânica e térmica necessária para suportar as
condições de queima de combustível e aerodinâmica necessárias.
UNISO 101 foi construdo em 3 principais partes, corpo do motor, tubeira e corpo superior
com cone de comando.
Após usinado em aluminio com base no desenho de projeto , o protótipo ficou com o
seguinte formato, figura 9A e B.
Figura 9A e B – protótipo UNISO 101 usinado em alumínio aeronáutico 6061-T6.
6.1. Combustível:
O combustível do foguete deste projeto é composto de três principais componentes
químicos.
1. Nitrato de Potássio
2. Sacarose
3. Oxido de Ferro
O processo de elaboração do combustível, segue a formula de cozinhar os ingredientes
citados até formar de uma pasta e a mesma ser acondicionada conforme figuras 10.
Para os testes de primeiro lançamento, encomendamos 8 módulos de combustível conforme
especificação acima, e montamos três núcleos de motores, para dois testes de empuxo e um
de lançamento.
Cada núcleo é composto de 2 módulos de combustível (figura 10B), acoplamos em um
involucro feito de lixa comum em forma circular na mesma proporção do corpo do foguete.
Os módulos de combustível foram afixados no involucro circular com uso de massa vedante,
a mesma que utilizada para vedar paredes e juntas.
A
B
Figura 10A e B – montagem de módulos de combustível.
7. Simulações e testes de campo.
Os cálculos de CP e CG são tarefas complicadíssima. Felizmente temos uma forma
alternativa que, embora não tenha precisão suficiente para lançar grandes foguetes, funciona
muito bem com protótipo UNISO 101 que são bem menores. Desenhe a silhueta exata do
seu foguete num papelão. Não é preciso ser em tamanho real, basta que esteja em escala.
Recorte-a e equilibre-a do mesmo jeito que você fez para achar o CG. Marque o local de
equilíbrio e transfira-o para o foguete.
Pelo método acima descrito, figura 6A, determinamos o centro de gravidade do protótipo
UNISO 101, fica 74 cm a partir do ponta do bico do foguete, comparado com modelo
computacional que ficou 72,1 cm e o centro de pressão, figura 6B, 101 cm a partir do bico
do foguete, comparado com modelo computacional que ficou 106 cm.
Com os dados corretamente inseridos no software temos a oportunidade de rodar uma
simulação que desejamos alcançar com lançamento real, usamos para tal modelo de motor
Aerotec G55 com 80 N de empuxo, (figuras 11 e 12).
A B
Figura 11 – Curvas de resultados, velocidade, altura e aceleração.
Figura 12 – Curva de empuxo do motor.
7.1. Cálculo de empuxo:
Elaboramos dois modelos de equipamentos para calcular o empuxo Newtons, segundo a
formula:
E = P = m. g.
7.2. Empuxo I
Usamos o conceito de força peso para determinar o empuxo, isto é, esforço corpo do motor
sobre uma balança comum (figura 13A).
Para determinar o valor de empuxo, estaiamos (seta amarela) o corpo do foguete com tubeira
voltada para cima (seta vermelha) sobre uma balança comum, acionamos o estopim (seta
preta), dentro do corpo do motor (seta azul) estavam posicionados 3 módulos de
combustível, pesando 221 gramas, que ao queimar expeliram gás incandescente conforme
seta cinza (figura 13 B), dessa forma empurrando a estrutura contra a balança (seta bege) ,
o valor lido na balança multiplicamos pelo valor aceleração da gravidade, g=9.8 m/s².
Figura 13A e B – protótipo UNISO 101, cálculo de empuxo.
No ensaio mostrado na figura 13 A e B, medimos empuxo de 98 N por 2 segundos de
queima de combustível, conforme pode ser visualizado no vídeo disponível em:
https://www.youtube.com/watch?v=28F3_SvvBUk&list=UUW0k5aIbO_xYQWBhyvX38
Dg
7.3. Empuxo II
De modo a melhorar precisão da medida de empuxo, desenvolvemos um segundo modelo
de equipamento para medição, desta vez utilizamos o conceito de torque, corpo de foguete
é preso no braço de alavanca do dispositivo (figura 13 C, seta vermelha), ao acionarmos o
combustível, a força gerada pela queima dos gases irá impulsionar o braço de alavanca que
irá gera pressão de contato na outra extremidade, onde uma célula de pressão irá indicar o
esforço exercido (figuras 14 A e B).
Figura 14 A, B e C – protótipo UNISO 101, cálculo de empuxo.
A B C
B A
7.4. Teste foguete I
Primeiro teste de lançamento realizado com o protótipo simples, isto é, corpo principal do
foguete, tubeira e combustível configurado com núcleo de 3 módulos de combustível.
Na figura 15, podemos identificar vazamento de pressão na parte superior do corpo do
foguete, isto gerou uma perda de pressão, mas a propulsão foi suficiente para lançamento
do protótipo, em virtude de não ter uma filmagem de maior distância, usamos o aplicativo
“ Tracker” que analisa a dinâmica do movimento através de vídeo e tiramos alguns dados
importantes.
Figura 15 – protótipo UNISO 101
Analisando com o tracker, mapeamos tres pontos de deslocamentos, isto é, pontos onde fica
registrado o movimento do objeto e no gráfico podemos analisar que a velocidade do
foguete é de 32,547 m/s, figura 12
Figura 16 – Curva de altura pelo tempo
Na figura 17, fazemos uso do aplicativo Physics 101e no modulo “projectile”, inserimos o
valor da velocidade inicial, V= 32,547 m/s e geramos uma curva de trajetória, onde vemos
a altura máxima atingida, h= 52,18 m.
Figura 17 – protótipo UNISO 101
7.5. Teste foguete II
Neste segundo teste usamos o protótipo conforme figura 18, e aplicamos dois núcleos de
combustível, um de três módulos e um de dois módulos.
Figura 18 – UNISO 101 na plataforma
Figura 19 – Lançamento UNISO 101
Os testes foram realizados com sucesso na perspectiva de equipamentos, montagem e planejamento,
houveram duas falhas a serem corrigidas.
Primeira, o disparador elétrico não funcionou, então partimos para a solução de reserva, que foi usar
pavil de queima de longa duração para acionar o motor.
Segundo, falha na queima de um modulo de combustível, dessa forma não alcançamos a altura
desejada para o projeto, em virtude de perda de potência.
Apesar destas falhas conseguimos coletar dados para altura alcançada, conforme mostra a figura 20.
A altura máxima foi de 5,23 metros, VMax= 5,2 m/s e amax= 18,48m/s².
Figura 20 – Curvas de velocidade e aceleração
Figura 21– Curva de altitude máxima.
8. Considerações finais
Como próximo passo, vamos trabalhar com novos propulsores com maior tempo de queima para
manutenção da potência e assim alcançar altura máxima conforme simulação no OpenRocket, dessa
forma poderemos fazer um comparativo do modelo computacional e com teste de campo.
9. Referências
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