Motor de propelente sólido para foguete experimental

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento integral de um motor-foguete experimental de propelente sólido, empregando a formulação padrão KNSU (nitrato de potássio e açúcar). O projeto foi estruturado para atender aos requisitos de competições estudantis, como a LASC (Latin American Space Challenge), que demanda apogeu médio de aproximadamente 3000 pés (≈ 914 m). A metodologia abrangeu o dimensionamento detalhado do motor, com foco na geometria do grão propelente e na tubeira cônica de 13°, além da fabricação de componentes estruturais em materiais de baixo custo, como PLA (ácido polilático, utilizado em impressão 3D) e PVC. Partes críticas foram usinadas em aço inox. Foram realizados cálculos teóricos de desempenho, simulações estruturais por FEA (Finite Element Analysis) e teste estático em bancada para validação do conceito. Os resultados indicaram a viabilidade do motor, que apresentou impulso consistente e massa final de 2,918 kg. Contudo, uma falha de vedação resultante do posicionamento incorreto dos canais de Oring e da seleção inadequada de parafusos de latão impediu a conclusão do ensaio completo. Apesar disso, o motor manteve-se reaproveitável, e os dados obtidos contribuíram para o desenvolvimento do foguete da equipe Phantom. Conclui-se que o projeto atingiu seus objetivos principais, demonstrando a eficácia da abordagem de baixo custo e sugerindo aprimoramentos futuros, como a substituição dos parafusos por aço inox, o redesenho dos canais de O-ring e a simplificação dos processos de usinagem.

This work presents the complete development of an experimental solid-propellant rocket motor, employing the standard KNSU formulation (potassium nitrate and sugar). The project was structured to meet the requirements of student competitions such as the LASC (Latin American Space Challenge), which demands an average apogee of approximately 3000 feet (≈ 914 m). The methodology included the detailed sizing and design of the motor, with emphasis on the propellant grain geometry and a 13° conical nozzle, as well as the manufacturing of structural components using low-cost materials such as PLA (polylactic acid, commonly used in 3D printing) and PVC. Critical parts were machined from stainless steel. Theoretical performance calculations, structural simulations using FEA (Finite Element Analysis), and a static bench test were conducted to validate the concept. The results indicated the feasibility of the motor, which demonstrated consistent thrust and a final mass of 2.918 kg. However, a sealing failure caused by the incorrect positioning of the O-ring channels and the inadequate selection of brass screws prevented the full completion of the test. Despite this limitation, the motor remained reusable, and the collected data contributed to the development of the Phantom team's rocket. It is concluded that the project achieved its main objectives, demonstrating the effectiveness of the low-cost approach and suggesting future improvements such as replacing brass screws with stainless steel, redesigning the O-ring channels, and simplifying the machining processes.