Estudo conceitual de um demonstrador scramjet de admissão interna com três rampas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Araújo, Tiago Aleixo de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil
UFRN
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIAL
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60613
Resumo: In this work, a conceptual study of an airbreathing propulsion system based on supersonic combustion (scramjet technology) of an aerospace vehicle flying at hypersonic speed of 2050 m/s at an altitude of 30 km was developed. The objective was to study a symmetrical internal configuration with three ramps in the compression section and compare it with the mixed external and internal configuration with three ramps and same turning angles. An analytical theoretical methodology (engineering approach) was applied using the oblique shock wave theory in the compression section, the Rayleigh theory of heat addition in one-dimensional flow, with constant area cross section, not considering fuel mass, in the combustion chamber, and the area ratio theory coupled with the PrandtlMeyer expansion theory in the expansion section. The flow properties without fuel injection at the combustion chamber (power-off) and with hydrogen fuel injection and burning at supersonic speed (power-on) were analyzed. The atmospheric air captured by the inlet of the scramjet vehicle is compressed and decelerated to a condition of supersonic speed and a temperature higher than the spontaneous ignition temperature of the fuel. Considering power-off condition, the flow at the expansion section obtained a velocity lower than the flight speed, due to the increase in entropy. However, in the power-on condition, the combustion products of the atmospheric air-hydrogen fuel mixture provide an increase in the scramjet's flight speed, producing uninstalled thrust of 402.64N and specific impulse of 4164.02s. Finally, a performance analysis of the scramjet developed was carried out considering parameters such as propulsive efficiency, thermal efficiency and global efficiency.
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An analytical theoretical methodology (engineering approach) was applied using the oblique shock wave theory in the compression section, the Rayleigh theory of heat addition in one-dimensional flow, with constant area cross section, not considering fuel mass, in the combustion chamber, and the area ratio theory coupled with the PrandtlMeyer expansion theory in the expansion section. The flow properties without fuel injection at the combustion chamber (power-off) and with hydrogen fuel injection and burning at supersonic speed (power-on) were analyzed. The atmospheric air captured by the inlet of the scramjet vehicle is compressed and decelerated to a condition of supersonic speed and a temperature higher than the spontaneous ignition temperature of the fuel. Considering power-off condition, the flow at the expansion section obtained a velocity lower than the flight speed, due to the increase in entropy. However, in the power-on condition, the combustion products of the atmospheric air-hydrogen fuel mixture provide an increase in the scramjet's flight speed, producing uninstalled thrust of 402.64N and specific impulse of 4164.02s. Finally, a performance analysis of the scramjet developed was carried out considering parameters such as propulsive efficiency, thermal efficiency and global efficiency.Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqNeste trabalho foi desenvolvido um estudo conceitual de um sistema de propuls„o aspirada baseada em combust„o supersÙnica (tecnologia scramjet) acoplado aos motores foguetes S30 e S31 para voar em velocidade hipersÙnica, de 2050 m/s ‡ altitude de 30 km. O objetivo foi estudar uma configuraÁ„o de admiss„o interna simÈtrica com trÍs rampas na seÁ„o de compress„o e comparar com a configuraÁ„o mista externa e interna de trÍs rampas e mesmos ‚ngulos. Foi aplicada uma metodologia teÛrico-analÌtica (abordagem de engenharia) utilizando a teoria de onda de choque oblÌqua na seÁ„o de compress„o, a teoria de Rayleigh da adiÁ„o de calor em escoamento unidimensional, com ·rea transversal constante, e sem considerar a adiÁ„o de massa do combustÌvel na c‚mara de combust„o, e a teoria de raz„o de ·rea acoplada ‡ teoria de expans„o de Prandtl-Meyer na seÁ„o de expans„o. Foram analisadas as variaÁıes das propriedades do escoamento sem injeÁ„o de combustÌvel na c‚mara de combust„o (power-off) e com injeÁ„o e queima de combustÌvel hidrogÍnio, no escoamento em velocidade supersÙnica (power-on). O ar atmosfÈrico capturado pela seÁ„o de compress„o do demonstrador scramjet È comprimido e desacelerado para uma condiÁ„o de velocidade supersÙnica e temperatura superior a temperatura de igniÁ„o espont‚nea do combustÌvel na c‚mara de combust„o. Considerando power-off, o ar expandido na seÁ„o de expans„o obteve uma velocidade inferior ‡ velocidade de voo, devido ao aumento da entropia. Entretanto, no caso de power-on, os produtos da combust„o da mistura ar atmosfÈrico-combustÌvel hidrogÍnio proporcionam um aumento na velocidade de voo do scramjet, produzindo empuxo n„o instalado de 402,64N e impulso especÌfico de 4164,02s. Por fim foi realizada uma an·lise de desempenho do scramjet desenvolvido considerando par‚metros como eficiÍncia propulsiva, eficiÍncia tÈrmica e eficiÍncia global.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIALToro, Paulo Gilberto de Paulahttp://lattes.cnpq.br/6153034683400041https://orcid.org/0000-0002-3280-4244http://lattes.cnpq.br/8765591637274439Souza, Sandi Itamar Schafer deCosta Júnior, João Carlos ArantesKorzenowski, HeidiAraújo, Tiago Aleixo de2024-11-11T20:50:27Z2024-11-11T20:50:27Z2024-07-15info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfARAÚJO, Tiago Aleixo de. Estudo conceitual de um demonstrador scramjet de admissão interna com três rampas. Orientador: Dr. Paulo Gilberto de Paula Toro. 2024. 104f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Aeroespacial) - Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60613info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2024-11-11T20:51:00Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/60613Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2024-11-11T20:51Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false
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