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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.97.2020.tde-05082021-161355
Document
Auteur
Nom complet
Emmanuel Péres de Araújo
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Lorena, 2020
Directeur
Jury
Vieira, Ricardo (Président)
Marques, Rodrigo Intini
Saron, Clodoaldo
Veras, Carlos Alberto Gurgel
Titre en portugais
Preparação e caracterização de compósitos à base de polietileno, parafina e nitrato de amônio para aplicação em propulsão hibrida
Mots-clés en portugais
Desejabilidade
Híbridos mistos
Parafina
Polietileno
Projeto de experimentos
Propulsão híbrida
Resumé en portugais
A propulsão híbrida é caracterizada primariamente pela diferença de fases e separação física entre combustível e oxidante. Esta configuração implica em vantagens potenciais quando se consideram, simultaneamente, os critérios de segurança, simplicidade e desempenho. Entretanto, apesar de ser pesquisada em uma ampla gama de aplicações há várias décadas, a propulsão híbrida ainda não atingiu um nível de maturidade tecnológica comparável ao das propulsões sólida e líquida. Isto decorre, em última análise, da própria natureza fenomenológica da combustão em sistemas híbridos. Coerentemente, o estudo de diferentes formulações para os combustíveis é uma das principais vertentes na busca pela sua viabilização. Neste domínio, a composição de parafinas com polietilenos tem sido vislumbrada como uma solução de compromisso, capaz de prover, simultaneamente, desempenho propulsivo adequado e qualidades mecânicas compatíveis com aplicações exigentes. A termogravimetria, a calorimetria exploratória diferencial, a análise termomecânica e a viscosimetria vêm sendo aplicadas à elucidação das propriedades térmicas e reológicas destas composições binárias, cujos métodos de preparação têm sido descritos de maneira superficial. Paralelamente, os híbridos mistos, caracterizados pela incorporação de certa parcela de um oxidante cristalino à formulação do combustível, têm sido objeto de avaliações planejadas e analisadas no escopo da modelagem de misturas, uma das ferramentas do Projeto de Experimentos. Assim, este trabalho desenvolveu um método de preparação em escala laboratorial de formulações ternárias polietileno de baixa densidade-parafina macrocristalina-nitrato de amônio e aplicou as técnicas analíticas supracitadas, aliadas a uma metodologia experimental sistemática com fulcro na modelagem de misturas, à avaliação da viscosidade dinâmica, do coeficiente de expansão térmica e da entalpia de fusão das formulações produzidas. Na sequência, o método das desejabilidades foi utilizado para definir uma composição de compromisso, a qual foi fabricada e avaliada em experimento confirmatório. Este experimento evidenciou um balanceamento adequado entre os desempenhos térmico, reológico e termomecânico das formulações ternárias desenvolvidas e seu vínculo com o método de preparação adotado, apontando, em síntese, sua aplicabilidade potencial à propulsão híbrida de mísseis táticos anticarro.
Titre en anglais
Preparation and characterization of polyethylene-paraffin-ammonium nitrate-based composites for application in hybrid propulsion
Mots-clés en anglais
Design of Experiments
Desirability
Hybrid propulsion
Mixed hybrids
Paraffin
Polyethylene
Resumé en anglais
Hybrid propulsion is primarily characterized by the phase difference and physical segregation between fuel and oxidizer. This design offers potential advantages under the simultaneous perspective of safety, simplicity and performance. Although hybrid propulsion has been researched in a wide range of applications for various decades, it has not attained so far a technology readiness level comparable to those of solid and liquid systems. This ultimately stems from the very nature of combustion in hybrid systems. Coherently, the study of a number of fuel formulation alternatives is one of the major fields in the research efforts for turning hybrid propulsion technically feasible. In this domain, compositions between paraffins and polyethylenes have been considered as an attractive trade-off solution, capable of providing both an adequate propulsive performance and a mechanical behavior prone to match demanding applications. Thermogravimetry, differential scanning calorimetry, thermomechanical analysis and viscosimetry have been applied to the elucidation of their thermal and rheological properties, while the preparation methods applied to these binary compositions have been poorly described. At the same time, mixed hybrids, which incorporate a certain amount of a solid crystalline oxidizer to the fuel, have been studied under the mixture modelling principles, one of the Design of Experiments tools. Therefore, this work developed a laboratory scale production method compatible with low density polyethylene-macrocrystalline paraffin-ammonium nitrate ternary mixtures and applied the aforementioned analytical techniques, combined with a systematic experimental methodology based on mixtures modelling, to the assessment of the dynamic viscosity, the linear coefficient of thermal expansion and the enthalpy of fusion of the mixtures. Next, desirability was applied to define a balanced formulation, which was produced and assessed in the scope of a confirmatory experiment. This experiment revealed an adequate commitment among the thermal, rheological and thermomechanical behaviors of the developed ternary composites and their link to the production protocol, showing, in short, their potential feasibility to the hybrid propulsion of anti-tank tactical missiles.
 
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EMT19009_C.pdf (13.17 Mbytes)
Date de Publication
2021-08-05
 
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