Investigação numérica da aerotermodinâmica de veículos hipersônicos durante a reentrada atmosférica sob não equilíbrio químico

Resumo

A análise de escoamento rarefeitos hipersônicos é essencial para o estudo dos mecanismos de reentrada de veículos espaciais. Durante a reentrada de um veículo espacial reutilizável, uma forte onda de choque é formada provocando um grande aumento nas temperaturas de translação, rotação e vibração. Sob essa condição, moléculas de nitrogênio e oxigênio são dissociadas gerando uma quantidade considerável de átomos de O e N. Esses átomos, altamente energéticos, ao interagirem diretamente com a superfície do veículo podem causar vários danos ao sistema de proteção térmica. Além disso, a integridade e desempenho de um veículo espacial pode ser severamente comprometido devido ao inadequado conhecimento dos efeitos dos gases reais e maior quantidade de material utilizado no sistema de proteção térmica para que o veículo sobreviva à reentrada atmosférica. Neste cenário, o objetivo desta investigação é esclarecer o papel do não equilíbrio químico em escoamentos hipersônicos rarefeitos em torno da cápsula SARA (Satélite Recuperável Atmosférico), a qual têm sido desenvolvida pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), que é parte do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA), em São José dos Campos. O foco principal do presente projeto é investigar o impacto de reações químicas na estrutura do escoamento e propriedades aerodinâmicas durante as diferentes fases de reentrada do satélite SARA, utilizando para isso tanto o método de simulação direta de Monte Carlo quanto formulações contínuas, dependendo da condição de voo em análise. Simulações serão realizadas levando-se em conta a geometria completa, em três dimensões, a região da esteira formada atrás do veículo, e diferentes ângulos de ataque e interações gás-superfície. É importante mencionar que, para o caso particular do SARA, este é o primeiro trabalho que visa uma investigação completa de um veículo espacial brasileiro sob o regime de transição e não equilíbrio químico.