PG-EAM - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica
EN PT
Dissertação de Mestrado PG-CTE 2019

Estudo da influência do campo elétrico na ignição incidental de propelente sólido composto aluminizado via descarga eletrostática

Autor

Jorge Fernando Leite Monteiro Júnior

Orientador

Área de Concentração

Química dos Materiais

Programa

Ciências e Tecnologias Espaciais

Data de Defesa

02/05/2019

Número da Tese

76035

Resumo

A descarga eletrostática (ESD) é reconhecida como forma de ignição de materiais energéticos e eventos imprevistos dessa natureza despertam atenção devido à magnitude, atraso no desenvolvimento de projetos e perda de vidas. Estudos estabeleceram a correlação entre o alumínio metálico (pó), presente nas formulações, e a sensibilidade dos propelentes sólidos a descarga eletrostática (ignição e formação de trincas). Novos trabalhos indicam que campos elétricos podem afetar a estabilidade do material energético levando à redução da energia de ativação para decomposição de um dos componentes do compósito. A estabilidade do perclorato de amônio (AP) sob a ação de campos elétricos foi estudada neste trabalho em simulações de dinâmica molecular utilizando o software LAMMPS, capaz de modelar conjuntos de partículas utilizando forças intermoleculares e condições de contorno. Com isso foi possível obter a energia de ativação (EA) através da equação de Arrhenius de difusividade, e, também, comparar a energia total do sistema na presença e ausência de campo elétrico. Os resultados indicam que maiores valores de campo elétrico implicam maior estabilidade do AP, entretanto, análises das espécies químicas resultantes de sua decomposição térmica sob influência de campo elétrico mostram que esforços mecânicos podem ocorrer no interior do grão favorecendo a formação de hot spots. Ocorre ainda diminuição da EA indicando maior suscetibilidade do material energético à ignição não prevista quando submetido a um campo elétrico. Para avaliar a influência do campo elétrico sobre a formação de trincas no compósito foram utilizados modelos no software COMSOL Multiphysics relacionando a quantidade de alumínio e a sensibilidade a ESD. Um planejamento de experimentos para misturas em rede simplex com pseudocomponentes foi adotado e a permissividade elétrica foi a propriedade observada em misturas hipotéticas de AP/PBLH/Al. A permissividade elétrica nas misturas foi obtida através da formulação de Lichtenecker-Rother. Um modelo construído no COMSOL simulou descargas externas e internas em um motor foguete indicando pontos sensíveis - acúmulo de carga - em sua estrutura, representados pela densidade superficial de carga. Mais ainda, foi adotado um modelo cedido pelo grupo Hong de mecânica e materiais de estruturas da Universidade Estadual de Iowa para avaliar a formação de trincas e sua relação com a permissividade elétrica. Os resultados associados à equação obtida do planejamento de experimentos mostram que o modelo apresentado para estudo da ruptura está de acordo com o previsto em literatura. Os estudos realizados apresentaram uma nova metodologia para estudo da influência de campos elétricos em compósitos sólidos aluminizados indicando ser possível a ignição via ESD.

Palavras-chave

Percloratos de amônio Descargas elétricas Dinâmica molecular Propelentes sólidos Eletrostática Engenharia química