Montagem da plataforma de lançamento final

   Durante esta semana, foi concluído os últimos ajustes relacionados ao projeto da plataforma de lançamento e iniciada a sua construção. A seguir algumas imagens que correspondem a esta etapa. 

Imagem 1- Estrutura treliçada da plataforma de lançamento

Fonte: Própria 

Imagem 2 - Elementos da treliça

Fonte: Própria 

Imagem 3 - Perna Treliçada

Fonte: Própria 

Lançamento Oblíquo (prévia)

Esta semana foram realizados alguns testes de movimento oblíquo, com objetivo de testar a eficácia do foguete em relação ao acerto da trajetória simulada com as combinações de propelentes utilizadas no teste de lançamento vertical e analisar seu comportamento aerodinâmico. Dentre as combinações utilizadas foi obtido um melhor resultado utilizando uma angulação de 60° com 40 PSI e 700 mL. Porém, é importante ressaltar que o lançamento não foi realizado com a utilização do cabo guia, conforme exigência do projeto para o teste de eficácia de lançamento.

No vídeo a seguir, apresentamos o lançamento que obteve o melhor resultado e na Imagem 1 o local que o foguete atingiu.

Vídeo 1 - Lançamento Obliquo

Fonte: Própria

Imagem 1 – Local de aterrissagem do foguete.

Fonte: Própria

Segunda versão do layout da plataforma de lançamento

   Durante esta semana o time ficou empenhado no aperfeiçoamento do layout da plataforma de lançamento para que a mesma ao ser construída não apresente imprevistos durante a elaboração. O seguinte layout foi pensado para uma melhor condição de regulagem dos ângulos em duas direções, "X e Y". Foi também elaborado uma nova disposição de treliça a partir de triângulos retângulos para melhor distribuição das solicitações, tornando uma condição em que todos os elementos de treliça recebam as forças e possam contribuir com a distribuição das mesmas, A seguir segue a segunda versão em modelo CAD 3D da plataforma de lançamento.

Imagem 1 - Versão 3D da plataforma de lançamento

Fonte: Própria 

Terceira versão do foguete

   Para que a trajetória do foguete se tornasse mais retilínea algumas modificações foram necessárias.
   Neste terceiro protótipo o formato das aletas, que na segunda versão possuía uma área no formato trapeziodal e outra no formato triângular, passou a ter apenas a área de um trapézio retângulo e seu posicionamento foi deslocado mais para baixo, através do suporte de uma saia. Além disso, seu material passou a ser composto por um poliestireno expandido de maior resistência.

   A saia foi inserida no foguete para ajudar na estabilização do mesmo, uma vez que o ar em movimento, durante o vôo do aeromodelo, atua com maior ênfase na sua cauda do que no bico, sendo necessário que a "área" da cauda seja maior que a do bico. 
   Outra alteração realizada refere-se ao centro de massa, pois a estopa molhada não estava acrescentando massa significativa para deslocar o centro de massa para o bico e permitir a estabilidade aerodinâmica que se pretendia ocorrer. Logo, a estopa foi substituída por uma bola de tênis.
   A altura do bico também sofreu alterações significativas, passando a ser mais alto que a versão anterior, contribuindo para uma distância maior do centro de pressão, mais próximo da cauda do foguete. Com tais alterações o modelo do foguete está representado na Imagem 1.

Imagem 1 - Terceira versão do foguete

Fonte: Própria

Centro de pressão

A localização do centro de pressão é de fundamental importância para definir a estabilidade da trajetória do foguete quando ele estiver em movimento. Se o centro de pressão estiver acima do centro de massa, ou seja, mais perto da ponta do “nariz” do foguete, a força de sustentação do foguete agirá no mesmo sentido que a força do vento. Isso irá causar um aumento drástico ao ângulo de ataque e a força aerodinâmica, provocando o descontrole do voo do foguete. Porém, se o centro de pressão estiver abaixo do centro de massa, a força de sustentação do foguete irá agir em sentido oposto a força do vento causando um balanceamento de forças que irá atribuir estabilidade ao voo, apenas com uma leve alteração do ângulo de ataque.

Para realizar o cálculo da localização do centro de pressão foi adotado o Método de Barrowman. Um método teoricamente simples muito utilizado que possui pequeno erro para ângulo de ataque menor que 10°. Ela é expressa a partir da Formula 1:

Fórmula 1 – Método de Barrowman

Onde:

y_n - Centro de pressão do “nariz”

C_n - Coeficiente de força normal do “nariz”

y_f - Centro de pressão das empenas

k - Fator de interferência

C_f - Coeficiente de força normal das empenas

C_Na - Coeficiente de força normal

As seguintes equações foram utilizadas para achar as variáveis do Método de Barrowman:

      (1)

 (2)

 (3)

 (4)

N(número de empenas) = 3

  (5)

Primeira versão do layout da plataforma de lançamento

   Durante esta semana o time trabalhou com o layout da plataforma de lançamento, identificando que a mesma deverá ser um tripé para um melhor posicionamento. 

   A seguir a primeira versão do layout que foi elaborado. 

Imagem 1 - Modelo CAD 3D, primeira versão da plataforma

Fonte: Própria

Centro de massa do foguete

   Como citado anteriormente, para o foguete possuir uma maior estabilidade durante o voo se faz necessário que o seu centro de pressão esteja localizado abaixo do seu centro de massa. Em busca deste último, foi desenvolvida uma modelagem CAD 3D do foguete através do software SolidWorks.

   Foram modelados separadamente cada componente do foguete e posteriormente foi feita uma montagem com todos eles, sendo selecionado o material utilizado de cada componente. Os recursos básicos utilizados foram ressalto/base extrudado (para as aletas), ressalto/base revolucionado (para as garrafas) e casca (para o cone). O centro de massa foi calculado através do próprio aplicativo utilizando a respectiva opção dentro do menu "geometria de referência" localizada na aba superior "inserir", como pode ser verificado nas imagens 1 e 2.
   O centro de massa do foguete se encontra mais próximo do seu "meio" pois na montagem não foi inserido o material que atribuirá mais peso ao foguete próximo do bico, deslocando o centro de massa para cima. O modelo no CAD foi apenas para se ter uma ideia de onde estaria este centro e chegamos a conclusão de que ele está muito próximo ao centro de pressão.

Imagem 1 - Desenho do foguete no SolidWorks

Fonte: Própria 

Imagem 2 - Centro de massa do foguete

Fonte: Própria

Solicitações - Plataforma

   Durante esta semana o time da plataforma evidenciou quais as solicitações que a plataforma deveria resistir. Inicialmente a mesma suportará o peso do foguete com o seu propelente e o empuxo no momento do lançamento, porém como podemos analisar no momento em que a plataforma receberá a solicitação gerada pelo empuxo a mesma não estará mais sujeita ao peso do foguete. Tendo em vista que o valor do empuxo será maior do que o peso do foguete, faremos os nossos cálculos embasados nos valores do mesmo.    Vamos utilizar também uma margem de segurança para garantir que não haja possibilidade de a mesma ser danificada com as solicitações e é importante lembrar que não deve haver superdimensionamento da mesma. A seguir o primeiro cálculo de empuxo que realizamos: 

   A pressão é dada pela fórmula:

  (1)

   Como o empuxo é uma força, logo pode ser determinada por:

(2)

   Como a pressão que atua no foguete não é só uma, mas um conjunto, dentre as quais, a pressão do fluído, da atmosfera e a pressão de saída do propelente, logo temos a seguinte fórmula:

(3)

Onde "A" se refere a área do bocal, “ρ” se refere a densidade do fluido propelente, “U” é a velocidade de saída do propelente, “p_e” é a pressão de saída do propelente e “p_atm” é a pressão atmosférica.

   Obtendo a velocidade de saída do propelente:

(4)

Onde p_g é a pressão interna do foguete, p_atm é a pressão atmosférica, e ρ é a densidade do propelente.

   Percebendo que a garrafa retorna ao solo com um certo vapor de água, logo isso indica que houve um resfriamento do ar durante sua expansão. Como a variação de tempo foi muito pequena durante esse processo pode-se supor que a expansão foi do tipo adiabática, logo a pressão interna pode ser dada pela fórmula:

(5)

   Onde p_o é a pressão inicial absoluta V_o é o volume inicial de gás dentro da garrafa, e V é volume final de ar dentro da garrafa, e λ é razão entre os calores específicos molar e pressão constante que é 1,4, pois o ar pode ser considerado um gás diatômico.

Considerando o valor de propelente inical de 800ml, e uma garrafa com 2l de capacidade, e 80 psi (551580,583 pa), substituindo na equação (5), temos:

Pg= 269786,814 pa

   Com o valor da pressão interna, podemos achar a velocidade de saída do propelente, substituindo na equação (4)

U=18,355 m/s

   Com a velocidade de saída do propelente, pode-se encontrar a velocidade relativa interna de saída do fluido, pela expressão:

 (6)

   Substituindo os valores temos:

V_l = 0,821Kg/s

   Com a velocidade relativa pode-se achar a pressão de saída do propelente pela seguinte fórmula:

   Logo, substituindo os valores obtidos nos cálculos anteriores temos:

p_e=101744,301 p_a

   Com todos esses dados obtidos, pode-se substituir na equação (3), ficando:

E= 287,43 N