Active throttling and dual‑thrust capability of 3D‑printed swirl‑star fuel grains for hybrid rocket engines

Resumo Técnico: Controle Ativo de Empuxo e Capacidade de Empuxo Duplo de Grãos de Combustível Swirl-Star Impressos em 3D

Definição do Problema
Motores de foguete híbridos (HRMs) oferecem uma combinação única da segurança e estocabilidade dos propelentes sólidos com as capacidades de modulação de empuxo e reinicialização dos sistemas líquidos. No entanto, a realização prática de uma modulação de empuxo rápida e estável é frequentemente dificultada pelo comportamento de combustão não linear e limitado pela difusão dos grãos de combustível poliméricos convencionais. Especificamente, a taxa de regressão ($\dot{r}$) de combustíveis padrão geralmente segue uma dependência de lei de potência em relação ao fluxo de massa do oxidante ($G_{ox}$) com um expoente $n$ variando entre 0,5 e 0,8. Essa não linearidade causa um atraso térmico significativo e excursões na razão de mistura durante o controle de empuxo (throttling) ativo, tornando o controle preciso de trajetória difícil para aplicações como pousadores planetários, veículos de transferência orbital e mísseis guiados. Há uma necessidade crítica de grãos de combustível que exibam uma taxa de regressão próxima de uma dependência linear em relação ao fluxo de oxidante ($n \to 1$) para permitir operações de empuxo duplo (boost–sustain) responsivas e de baixa oscilação.

Metodologia
Este estudo investigou o uso de grãos de combustível fabricados por manufatura aditiva (impressão 3D) com geometrias internas complexas para aumentar as taxas de regressão e melhorar a estabilidade do controle de empuxo.

• Combustível e Fabricação: Acrilonitrila butadieno estireno (ABS) foi selecionado como o combustível devido à sua processabilidade e estabilidade com oxigênio gasoso. Os grãos foram fabricados usando uma impressora Prusa i3 MK3 com 100% de preenchimento (infill).
• Geometrias de Grão: O estudo comparou um grão tubular de referência contra variantes em formato de estrela: Basic Star (BS), Swirl Star (SS) e Swirl-Star-Reverse (SSR). Estes foram testados com variados números de pontas de estrela ($N = 5, 7, 9$).
• Design do Injetor: Um injetor de redemoinho tangencial ($S=0,7$) foi empregado para conferir alta velocidade angular ao oxidante, criando um forte vórtice para aumentar a transferência de calor por convecção e a mistura.
• Configuração Experimental: Um motor de teste de 1 polegada foi utilizado para 66 testes de ignição estática. O sistema utilizou uma arquitetura de entrega de oxidante de linha dupla com válvulas solenoides paralelas para alcançar transições rápidas e em degraus entre uma fase de alto empuxo "boost" (5 g/s) e uma fase de baixo empuxo "sustain" (2,5 g/s).
• Análise de Dados: As taxas de regressão foram calculadas a partir da perda de massa, e leis empíricas ($\dot{r} = a G_{ox}^n$) foram derivadas usando regressão de mínimos quadrados. O desempenho do controle de empuxo foi avaliado com base na resposta transiente de pressão, magnitude de suboscilação (undershoot) e níveis de oscilação durante a transição de boost para sustain.

Principais Resultados

• Regressão em Estado Estacionário: O estudo confirmou que geometrias complexas alteram significativamente o expoente de combustão. O grão tubular exibiu um expoente clássico de $n \approx 0,617$. A introdução de geometrias de redemoinho e estrela aumentou $n$, com o Swirl-Star-Reverse de 5 pontas (5SSR) atingindo o maior expoente ($n = 1,080$). No entanto, a configuração Swirl-Star-Reverse de 7 pontas (7SSR) ofereceu um desempenho equilibrado com $n = 0,911$ e um alto coeficiente de regressão.
• Dinâmica de Controle de Empuxo (Throttling):
  • 5SSR ($N=5$): Embora fornecesse a maior taxa de regressão bruta, o grão 5SSR exibiu uma resposta transiente instável durante o controle de empuxo, caracterizada por sobrepressões e oscilações devido a estruturas de vórtice instáveis.
  • 9SSR ($N=9$): A configuração de 9 pontas resultou em um expoente menor ($n \approx 0,57$) e uma resposta de pressão lenta, comportando-se efetivamente como um porta circular onde as pontas da estrela falharam em sustentar um vórtice forte.
  • 7SSR ($N=7$): Esta configuração demonstrou o comportamento dinâmico ideal. Alcançou uma transição limpa de boost para sustain com suboscilação de pressão mínima (<5%) e sem oscilações significativas. O acoplamento entre o fluxo de oxidante e a regressão do combustível foi quase linear, permitindo um controle de empuxo estável e bem controlado.
• Repetibilidade: A arquitetura de controle de empuxo de linha dupla proporcionou transições em degrau repetíveis e quase instantâneas, conforme evidenciado pela sobreposição próxima das traças de pressão de testes repetidos.

Principais Contribuições

1. Otimização da Geometria do Grão: O artigo identifica a geometria Swirl-Star-Reverse de 7 pontas (7SSR) como o design ideal para foguetes híbridos controláveis, resolvendo com sucesso o compromisso entre maximizar as taxas de regressão e manter a combustão estável ($n < 1$).
2. Demonstração de Controle de Empuxo Ativo: O estudo fornece evidência empírica de que grãos impressos em 3D com geometrias de redemoinho otimizadas podem suportar operações de empuxo duplo responsivas e de baixa oscilação, uma capacidade frequentemente limitada em sistemas híbridos convencionais.
3. Validação da Manufatura Aditiva: A pesquisa valida a manufatura aditiva como uma rota viável para a criação de geometrias de porta interna complexas que manipulam a dinâmica de fluxo interno para alcançar perfis de empuxo programáveis.

Significância e Alegações
Os autores alegam que este trabalho fornece uma rota tratável para sistemas de propulsão híbrida programáveis, capazes de realizar perfis de empuxo complexos exigidos por futuras missões aeroespaciais. Ao atingir um expoente de regressão próximo da unidade ($n \approx 0,911$) com o grão 7SSR, a resposta do motor torna-se mais previsível e linear, facilitando o design de controladores de malha fechada sem a necessidade de compensar dinâmicas de planta altamente não lineares e com histerese.

O estudo posiciona a razão de controle de empuxo de 2:1 demonstrada no motor de 1 polegada como uma prova de conceito para motores maiores. Os autores observam que, embora razões de controle mais profundas sejam necessárias para aplicações como o pouso planetário, a combinação de manufatura aditiva, injeção de redemoinho e a geometria 7SSR oferece um novo paradigma para foguetes híbridos controláveis. O uso do termoplástico ABS também destaca potenciais vantagens logísticas para conceitos de utilização de recursos in situ (ISRU).

Limitações
Os autores reconhecem modestamente que os resultados baseiam-se em uma única escala de motor (1 polegada) e em uma razão de controle específica (2:1). Eles alertam que a extrapolação para motores maiores ou razões de controle mais profundas requer validação adicional. Além disso, o uso da área de queima de tempo médio introduz uma incerteza sistemática, e a suposição de regressão axial uniforme requer validação futura via reconstrução baseada em CT ou instrumentação de múltiplos poros. O trabalho futuro é proposto para escalar o conceito para níveis de empuxo mais altos (500–5000 N) e incorporar aditivos energéticos.