A superfície de combustão de um propelente sólido regride perpendicularmente a essa superfície. A velocidade dessa regressão, geralmente medida em milímetros por segundo, é chamada de taxa de combustão. Essa taxa muda drasticamente em diferentes propelentes ou mesmo para um propelente em particular dependendo da variação de sua fórmula e métodos de produção. Os principais fatores e suas causas serão discutidos a seguir.

Pressão na câmara de combustão

A taxa de combustão é afetada profundamente pela pressão na câmara. Por exemplo, um propelente de Nitrato de Potássio e Sacarose têm uma taxa de combustão de 3,8 mm/s a 1 ATM, porém a 68 ATM essa taxa se aproxima de 15 mm/s, (2) . A representação mais comum dessa relação é dada pela Lei de Vieille também conhecida por Lei de Saint Robert:

  Na equação acima r é a taxa de combustão, a é o coeficiente de combustão, P_c é a pressão na câmara e n é o expoente de pressão. Os valores de do coeficiente e expoente são obtidos empiricamente para cada propelente em particular e não podem ser teoricamente determinados de acordo com diversas das referências. Muitas vezes apenas um coeficiente e um expoente são necessários para definir o comportamento em uma faixa restrita de pressão. Mais de um conjunto poderá ser necessário para determinar todo um regime de comportamento. Quando um gráfico da variação da taxa de combustão em função da pressão é plotado em escala logarítmica representa uma linha reta. Certos propelentes, ou propelentes com aditivos, desviam desse comportamento e exibem mudanças bruscas na curva logarítmica. Esses propelentes são definidos como platô ou mesa e suas curvas características podem ser vistas na Figura 4.

Figura 4 - Gráfico logaritimo da relação taxa de combustão e pressão de três propelentes diferentes. Fonte: NASA, (14).

Esses comportamentos podem ser explicados por diferentes relações de regressão da superfície de combustão (em função da pressão) do constituinte base em relação às partículas oxidantes, de acordo com textos de Nakka, (2) e NASA, (14), outra possibilidade é que a fase condensada dos produtos da combustão não tenha tempo de transferir o seu calor para a superfície de combustão sob altas pressões.

A taxa de combustão é particularmente sensível ao expoente de pressão (a inclinação da curva logarítmica da Figura 4). Valores altos do expoente produzem grandes diferenças na taxa de combustão com pequena variação da pressão, com possíveis conseqüências catastróficas. Outro fator indesejado gerado por altos valores do coeficiente é a baixa sensitividade do propelente em baixas pressões, isso pode dificultar a ignição do motor, onde mantendo apenas a taxa de combustão a pressão ambiente não se consegue gerar vazão suficiente para aumentar a pressão interna e logo a taxa de combustão para valores de eficiência. Essa baixa sensitividade fica mais clara ao observar-se a curva de n=1 na Figura 5, isso implica que a taxa de combustão seja linearmente relacionada à pressão. Na Figura 5 pode-se ver o resultado para diversos valores do coeficiente. O exemplo de n=0,2 mostra a rápida ascendência da taxa de combustão em relação à pressão no inicio da curva, portanto motor é capaz de atingir rapidamente a pressão de projeto, a ignição é mais eficiente e em pressões mais altas a variação da taxa é mais suave, logo, mais seguro.

Figura 5 - Influência do Expoente de Pressão na Taxa de Combustão

Se o valor de n se aproxima de zero, a taxa de combustão se torna extremamente insensível à pressão e uma combustão instável será observada. Por essas razões os expoentes de propelentes práticos ficam na faixa de n=0,3 a n=0,6, de acordo com Nakka, (2) e Sutton, (8), dentro das condições de regime permanente do motor.