Projeto, modelagem numérica e testes de um acelerador hipersônico de estágio único acionado por detonação gasosa

Este trabalho apresenta a investigação de um sistema de lançamento hipersônico baseado em um canhão de gás leve de estágio único acionado por detonação gasosa (Detonation-Driven Gas Gun - DDGG). A pesquisa teve como objetivo projetar, construir e testar um acelerador capaz de impulsionar projéteis a velocidades hipersônicas, utilizando como propelente o vapor dágua, gerado pela detonação de uma mistura estequiométrica de hidrogênio e oxigênio. Foi desenvolvido um modelo computacional, baseado no Método das Características, capaz de simular o escoamento unidimensional transiente com interação da onda de choque e movimento do projétil, considerando efeitos de troca de calor, atrito viscoso e modelo de gás real. Como avaliação das capacidades do modelo numérico, foi realizada uma análise de sensibilidade da solução aos parâmetros de entrada, sendo simulados cenários com diferentes geometrias do canhão, pressão inicial e razão de equivalência da mistura combustível, vácuo no interior do cano e consideração de efeitos não-ideais. Na parte experimental, foi construída uma bancada de testes, consistindo no canhão de gás, estrutura de suporte, tubulação de gases, sistemas de operação remota e instrumentação. Foram realizados testes com misturas a pressões iniciais entre 2 e 5 bar, sendo obtidas velocidades de lançamento entre 250 e 550 m/s. Os resultados numéricos obtidos apresentaram razoável proximidade com as velocidades de lançamento médias dos experimentos. O canhão de gás construído, apesar de ter sido testado abaixo de sua capacidade máxima, que suportaria até 50 bar de pressão inicial, demonstrou ser uma ferramenta funcional e promissora para futuras pesquisas de escoamentos hipersônicos. ABSTRACT: This work investigates a hypersonic launch system based on a single-stage Detonation-Driven Gas Gun (DDGG). The goal was to design, build, and test an accelerator able to launch projectiles at hypersonic speeds. The propellant used was water vapor, generated by detonating a stoichiometric hydrogenoxygen mixture. A computational model was developed using the Method of Characteristics. It simulates one-dimensional unsteady flow, shock wave interactions, and projectile motion. The model also accounts for heat transfer, viscous friction, and real gas effects. To assess the models accuracy, a sensitivity analysis was carried out. Different gun geometries, initial pressures, fuel mixture ratios, vacuum levels, and non-ideal effects were tested numerically. From an experimental standpoint, a test bench was built. It included the gas gun, a support structure, gas lines, remote operation systems, and instrumentation. Tests were performed at initial pressures between 2 and 5 bar, reaching launch speeds from 250 to 550 m/s. The numerical results matched reasonably well with the avarage measured projectile velocities. The gas gun, although tested below its maximum capacity designed to withstand initial pressures of up to 50 bar proved to be a functional and promising tool for future investigations of hypersonic flows.