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Aerodynamic and Ballistic Analysis of a 155 mm Rocket-Assisted Projectile

Este estudo utiliza simulações de CFD validadas e modelagem balística para demonstrar que a pluma de exaustão de um Projétil Assistido por Foguete de 155 mm altera significativamente a aerodinâmica do fluxo de base, aumentando o arrasto em até 90% e reduzindo o alcance máximo em aproximadamente 720 metros, fornecendo, assim, uma estrutura para otimizar sistemas de propulsão para melhorar o desempenho da artilharia.

Autores originais: Lucas Gomes do Amaral, Victor Santoro Santiago, André Luiz Tenório Rezende

Publicado 2026-08-14

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CC BY 4.0

Autores originais: Lucas Gomes do Amaral, Victor Santoro Santiago, André Luiz Tenório Rezende

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine que você está tentando lançar uma pedra pesada o mais longe possível. Você sabe que, se lançá-la com muita força, o ar empurrará contra ela, diminuindo sua velocidade. Esse empurrão de volta é chamado de "arrasto", e é o inimigo invisível de qualquer coisa que tente voar rápido. Agora, imagine que você pudesse prender um pequeno e poderoso foguete na parte de trás dessa pedra para dar a ela um segundo fôlego no meio do ar. Isso é a ideia por trás de um "Projétil Assistido por Foguete" (RAP). É como dar a um velocista um jetpack para o meio da corrida. Mas aqui está a parte complicada: quando esse foguete dispara, ele lança para fora uma nuvem de gás quente e desordenada chamada "pluma de exaustão". Essa pluma não apenas empurra a rocha para frente; ela também interfere no ar que gira atrás da rocha. É como tentar correr através de uma multidão enquanto alguém sopra um ventilador gigante e caótico logo atrás da sua cabeça. A grande questão para os cientistas é: essa nuvem de ar desordenada ajuda o foguete a ir mais longe ou, na verdade, faz o ar empurrar com mais força, diminuindo o ritmo de tudo?

Este artigo mergulha exatamente nesse mistério usando um projétil de artilharia de 155 mm, um tipo de bala de canhão grande usado por exércitos. Os pesquisadores, trabalhando no Instituto Militar de Engenharia do Brasil, queriam ver o que acontece quando se dispara um projétil assistido por foguete em velocidades supersônicas (mais rápidas que a velocidade do som). Eles não apenas dispararam projéteis reais; em vez disso, construíram um mundo virtual super detalhado dentro de um computador. Eles usaram um método chamado Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), que é basicamente uma forma de alta tecnologia de simular como o ar flui ao redor de objetos, para observar como a nuvem de exaustão do foguete interage com o ar em movimento rápido. Eles compararam um projétil com um foguete disparando com um sem o foguete, verificando como a pressão do ar mudava na parte de trás do projétil e quanto "arrasto" (resistência do ar) era criado. Eles então inseriram esses números em um calculador balístico para ver o quão longe o projétel realmente voaria na vida real.

Aqui está a reviravolta surpreendente que o artigo encontrou: a exaustão do foguete, que deveria ser o herói que empurra o projétil mais longe, na verdade cria um efeito colateral vilanesco. Quando o foguete dispara, a nuvem de exaustão quente muda a maneira como o ar gira atrás do projétil. Em vez de um rastro suave e silencioso, a exaustão cria uma bagunça turbulenta e compacta que, na verdade, aumenta significamente a resistência do ar. Nas simulações, os pesquisadores descobriram que, quando o foguete estava disparando, o arrasto aerodinâmico aumentava cerca de 70% a 90% em comparação a quando o foguete não estava disparando, especialmente em velocidades mais baixas (entre Mach 0,7 e 1,0). À medida que o projétil ficava mais rápido (até Mach 2,5), esse arrasto extra tornava-se menos problemático, mas ainda estava lá.

Pense nisso desta forma: o motor do foguete é como um amigo forte empurrando você por trás, mas a nuvem de exaustão é como esse amigo acidentalmente tropeçando nos seus cadarços, criando um enorme arrasto nos seus pés. O empurrão é bom, mas o tropeço é ruim. O artigo mostra que esse "tropeço" é real e mensurável. Quando os pesquisadores realizaram 3.300 diferentes simulações de voo para ver o quão longe o projétil iria, descobriram que esse arrasto extra causado pela nuvem de exaustão na verdade encurtou a distância máxima que o projétil poderia percorrer. Para os melhores ângulos de disparo, o projétil voou até 720 metros menos do que voaria se a nuvem de exaustão não atrapalhasse tanto o ar.

O estudo também observou quando isso acontece. O arrasto extra só importa enquanto o foguete está queimando, o que é um surto curto de tempo (cerca de 3 segundos) no início do voo. Se você disparar o projétil em um ângulo baixo, ele atinge o solo antes mesmo do foguete ligar, então a exaustão não importa. Mas se você dispará-lo alto no céu, o foguete queima enquanto o projétil ainda está subindo, e esse arrasto extra se acumula, roubando distância do ponto de pouso final. Os pesquisadores foram muito cuidadosos com sua matemática, verificando seus modelos de computador contra dados conhecidos para garantir que suas simulações fossem precisas. Eles descobriram que seus modelos de computador eram confiáveis, com erros muito pequenos, portanto estão confiantes de que este "penalidade de exaustão" é um fenômeno físico real, não apenas um erro no código.

Então, qual é a conclusão? Se você está projetando um projétil assistido por foguete, não pode olhar apenas para quanta força o foguete gera. Você tem que olhar para a nuvem quente e desordenada que ele deixa para trás. Essa nuvem altera a pressão do ar na parte de trás do projétil, tornando mais difícil atravessar o céu. O artigo sugere que ignorar esse efeito faria você pensar que seu projétil voará mais longe do que realmente voará. Ao compreender essa interação, engenheiros podem ajustar o bocal do foguete ou o tempo de ignição para tentar minimizar essa penalidade de arrasto, ajudando esses projéteis de alta tecnologia a atingirem seu verdadeiro potencial. É um lembrete de que, no mundo do voo de alta velocidade, até mesmo as coisas que te empurram para frente podem, às vezes, criar um pouco de problema para você ao longo do caminho.

Resumo Técnico: Análise Aerodinâmica e Balística de um Projétil com Assistência de Foguete de 155 mm

Definição do Problema
Projéteis com Assistência de Foguete (RAPs) são críticos para estender o alcance da artilharia de campanha sem a necessidade de modificações no cano. No entanto, a interação entre a pluma de exaustão do foguete e o escoamento externo supersônico gera fenômenos aerodinâmicos complexos que não são totalmente compreendidos. Embora o sistema de propulsão forneça empuxo, os gases de exaustão alteram a pressão de base, a estrutura do rastro (wake) e as regiões de recirculação, potencialmente aumentando o arrasto aerodinâmico. Apesar da importância estratégica dos RAPs, a literatura aberta contém dados experimentais e numéricos limitados que quantificam essas interações entre a pluma e o escoamento e seu impacto específico no alcance e na trajetória do projétil. Este estudo aborda a lacuna na compreensão de como as modificações induzidas pela propulsão no escoamento de base afetam o desempenho balístico global de um RAP de 155 mm.

Metodologia
Os autores empregaram uma abordagem integrada combinando Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) com um resolvedor balístico de Massa Pontual Modificada.

Simulação CFD: As equações de Navier-Stokes de Reynolds (RANS) foram resolvidas utilizando o modelo de turbulência SST $k-\omega$ para uma geometria de projétil de 155 mm. As simulações cobriram uma faixa de número de Mach de 0,7 a 2,5 para configurações propelidas (com exaustão) e não propelidas. A geometria do projétil foi reconstruída com base nas dimensões relatadas por Ferfouri et al., com a adição de um bocal convergente-divergente na base para os casos propelidos. O motor de foguete utilizou um perfil de empuxo "Neutro" com uma pressão total de 20 MPa e temperatura de 2900 K.
Verificação Numérica: Para garantir a confiabilidade, um estudo de independência de malha foi conduzido utilizando três níveis de resolução (grosseiro, médio, fino). A incerteza numérica foi quantificada utilizando a metodologia do Índice de Convergência de Grade (GCI). Os resultados de CFD não propelidos foram validados em relação a dados de referência do software industrial PRODAS.
Simulação Balística: Um modelo de Massa Pontual Modificada baseado na norma STANAG 4355 foi utilizado para simular 3.300 trajetórias. Três bases de dados aerodinâmicas foram comparadas:
1. Coeficientes basais do PRODAS.
2. Coeficientes de CFD para a configuração não propelida.
3. Coeficientes de CFD para a configuração propelida (onde os coeficientes de arrasto foram atualizados para refletir apenas os efeitos da pluma durante o período de queima do motor).
  As simulações variaram as elevações de lançamento de 1 a 1100 mils para avaliar o desempenho em todo o envelope operacional.

Principais Resultados

Impacto Aerodinâmico: A presença da pluma de exaustão alterou significativamente a topologia do rastro, criando uma região de recirculação mais compacta e reduzindo a pressão de base. Isso resultou em um aumento substancial no arrasto aerodinâmico em comparação com a configuração não propelida.
- Nos regimes subsônico e transônico (Mach 0,7–1,0), o coeficiente de arrasto para a configuração propelida foi aproximadamente 70% a 90% maior que o basal.
- À medida que o número de Mach aumentou, a diferença relativa de arrasto diminuiu. Isso é atribuído ao fato de que a pressão de base na configuração não propelida diminui naturalmente em velocidades mais altas; assim, a redução de pressão adicional causada pela pluma representa uma mudança relativa menor.
- As previsões de empuxo mostraram excelente convergência com valores de GCI próximos a 0,1%, indicando que o aumento do arrasto foi o fator de incerteza dominante, e não a modelagem da propulsão.
Consequências Balísticas: A inclusão do arrasto induzido pela pluma no resolvedor de trajetória revelou uma redução mensurável no alcance máximo.
- Para trajetórias de baixa elevação, a pluma teve efeito negligenciável porque o projétil impactou o solo antes da ignição do motor.
- Para ângulos de tiro mais elevados (onde o motor queima durante o voo), a redução do alcance aumentou com a elevação, atingindo uma perda máxima de aproximadamente 720 metros próximo aos ângulos de tiro ideais.
- A divergência nas trajetórias e a perda de velocidade ocorreram principalmente durante os primeiros 50 segundos de voo (a fase de propulsão). Após a queima do motor, as trajetórias convergiram à medida que as condições aerodinâmicas retornavam ao estado não propelido.

Significância e Alegações
O artigo afirma que negligenciar a penalidade aerodinâmica da pluma de exaustão leva a uma superestimação do desempenho balístico dos projéteis com assistência de foguete. O estudo demonstra que, embora o sistema de propulsão adicione energia, a modificação associada do escoamento de base introduz uma penalidade de arrasto significativa que compensa parcialmente esses ganhos.

Os autores sustentam que a previsão precisa dos efeitos aerodinâmicos induzidos pela pluma é essencial para uma previsão realista de trajetória e avaliação de desempenho. O framework CFD-balístico proposto serve como uma ferramenta prática para futuros estudos de otimização, especificamente em relação à geometria do bocal, tempo de ignição e condições de operação do motor, para melhorar o desempenho dos sistemas de artilharia de longo alcance. O trabalho enfatiza que a interação entre a pluma de exaustão e o escoamento externo deve ser considerada durante as fases de caracterização aerodinâmica e projeto dos RAPs.

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