CEA-Based Performance and Off-Design Assessment of LOX/Biofuel Rocket Propellant Candidates

Resumo Técnico: Avaliação de Desempenho e de Fora de Projeto Baseada em CEA de Candidatos a Propelentes de Foguete LOX/Biocombustível

Definição do Problema
O estudo aborda a necessidade de uma triagem padronizada e em estágio inicial de propelentes para foguetes líquidos, comparando especificamente hidrocarbonetos tradicionais contra candidatos a biocombustíveis oxigenados. Embora o RP-1 permaneça como o padrão prático para motores de hidrocarbonetos/LOX devido ao seu histórico de engenharia estabelecido e alta densidade energética, há interesse em combustíveis oxigenados (como o dimetil éter, etanol e metanol) para sistemas de propulsão mais limpos, menores ou do tipo demonstrador. Uma lacuna crítica na literatura existente é a falta de estruturas comparativas que avaliem tanto o desempenho ideal de pico quanto a tolerância à razão de mistura (comportamento fora de projeto) sob um conjunto consistente de pressupostos termodinâmicos. Estudos anteriores frequentemente focam em valores de pico ou designs de motores específicos, tornando as comparações diretas entre combustíveis difíceis. Este artigo visa preencher essa lacuna, realizando a triagem de seis combustíveis compatíveis com LOX para identificar quais candidatos merecem uma análise de maior fidelidade (CFD, experimental ou de nível de sistema).

Metodologia
A pesquisa utiliza o código NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) em modo de foguete de equilíbrio. Para garantir uma comparação justa, todos os seis candidatos a combustível — RP-1, dimetil éter (DME), etanol, metanol, ácido acético e ácido fórmico — foram avaliados sob um conjunto fixo de condições termoquímicas ideais:

• Pressão da Câmara: 20 bar
• Razão de Expansão da Bocal: 40
• Temperatura do Combustível: 298 K
• Temperatura do Oxidante (LOX): 90 K
• Varredura de Razão O/F: 0,5 a 8,0

O estudo extraiu métricas de desempenho essenciais, incluindo impulso específico de vácuo ($I_{sp,vac}$), temperatura da câmara ($T_c$), velocidade característica ($c^*$), coeficiente de empuxo ($C_f$), razão de calor específico ($\gamma$) e massa molecular do exaustão ($MW$).

Para avaliar a robustez, os autores introduziram um índice de degradação fora de projeto ($\Delta I_{sp}$), calculado como a perda relativa no impulso específico quando a razão de mistura desvia de seu ponto ideal. Os valores médios, do percentil 95 e máximos deste índice foram usados para resumir a degradação de desempenho ao longo da varredura. A análise excluiu explicitamente perdas do mundo real, como quedas de pressão do injetor, química de taxa finita, transferência de calor, requisitos de resfriamento e massa do sistema de alimentação.

Principais Resultados

1. Classificação de Desempenho: O RP-1 alcançou o maior impulso específico de vácuo amostrado de 336,24 s em uma razão O/F ideal de 2,5. O DME foi o competidor mais próximo, atingindo 334,61 s em O/F = 1,5, uma diferença de apenas 1,63 s. O etanol seguiu com 327,31 s (O/F = 1,5), enquanto o metanol, o ácido acético e o ácido fórmico apresentaram desempenho progressivamente inferior.
2. Impulsionadores Termodinâmicos: A classificação não foi determinada apenas pela temperatura da câmara. Embora o RP-1 tenha tido a maior $T_c$ (3477,44 K), o desempenho do DME permaneceu competitivo apesar de uma $T_c$ menor (3322,90 K) porque produziu os produtos de exaustão de equilíbrio mais leves ($MW$ = 21,706) entre os principais candidatos. O RP-1 teve uma massa molecular ligeiramente superior (22,764).
3. Razões de Mistura Ótimas: Combustíveis oxigenados atingiram o pico em razões O/F mais baixas (1,5 para DME, etanol e metanol) em comparação ao RP-1 (2,5), o que é consistente com o conteúdo interno de oxigênio das moléculas de combustível.
4. Comportamento Fora de Projeto: O RP-1 demonstrou a menor degradação ao longo da varredura de O/F, confirmando sua robustez. Entre os candidatos renováveis, o etanol exibiu uma degradação média fora de projeto ligeiramente melhor que o DME, apesar de o DME possuir um $I_{sp}$ de pico mais alto. O metanol teve desempenho inferior tanto em valor de pico quanto em tolerância. Os ácidos (acético e fórmico) foram considerados não competitivos devido à baixa liberação de calor e produtos de exaustão pesados.
5. Benchmarking: A comparação com dados do tipo CEA publicados (Burkhardt et al.) mostrou uma tendência de desempenho consistente (RP-1 > DME > Etanol > Metanol), embora os valores absolutos neste estudo tenham sido aproximadamente 4,3–5,0% menores, atribuídos a diferenças nas pressões e nos pressupostos do estado de entrada.

Significância e Alegações
O artigo posiciona-se estritamente como uma ferramenta de triagem de estágio inicial, e não como um estudo final de seleção de propelente. Sua principal significância reside em fornecer um conjunto de dados unificado que avalia simultaneamente tanto o desempenho ideal de pico quanto a tolerância à razão de mistura.

• Para Aplicações de Alto Desempenho: Os resultados reforçam o RP-1 como o padrão difícil de substituir quando tanto o desempenho de pico quanto a tolerância operacional são necessários.
• Para o DME: É identificado como o candidato oxigenado mais forte para aplicações que priorizam o desempenho ideal de pico, pois se aproxima de perto do impulso específico do RP-1.
• Para o Etanol: O estudo destaca o etanol como um candidato equilibrado. Embora seu $I_{sp}$ de pico seja inferior ao do DME, sua superior degradação média fora de projeto sugere que ele pode ser uma escolha mais robusta para pequenos motores ou demonstradores, onde a tolerância à razão de mistura é valorizada sobre o desempenho de pico absoluto.

Limitações e Escopo
Os autores declaram explicitamente que estes resultados são cálculos de equilíbrio ideais. O estudo não considera perdas de injetor, atomização, evaporação, transientes de ignição, instabilidade de combustão, transferência de calor para a parede, resfriamento regenerativo, impulso de densidade, dimensionamento de tanques, toxicidade ou compatibilidade de materiais. Consequentemente, os achados pretendem guiar a seleção de candidatos para subsequentes análises de maior fidelidade, como CFD, testes de fogo real e design de nível de sistema, em vez de ditar diretamente a seleção de propelente de voo. O artigo conclui que trabalhos futuros devem incorporar quantificação de incerteza e condições de operação variáveis para refinar estes resultados de triagem.