Processo físico da combustão

Os propelentes nas suas formas mais simples consistem em compósitos de partículas de oxidante de diversos tamanhos dentro de uma matriz, ou material base, de combustível, Sutton, (8). Para entender a taxa de combustão é importante conhecer os principais fenômenos que controlam o processo de combustão. Diferentes modelos teóricos já foram sugeridos como o Beckstead-Derr (BPD) e o Petite Ensenmble Model (PEM), (2). O modelo BPD considera todas as partículas de oxidante com o mesmo tamanho, dispersas uniformemente no combustível base, sendo esse completamente uniforme. Esta não é uma imagem real, pois representa no máximo 80% da constituição do propelente, por mais elaborada que seja sua preparação. Partículas com grande variedade de tamanhos inclusive são desejáveis, as partículas menores ajudam a preencher os espaços vazios entre as maiores permitindo porcentagens maiores de oxidante no propelente. Já o modelo PEM reconhece que existe uma grande variedade de tamanhos de partículas. O processo de combustão envolve diversos passos. Envolve a transferência de energia para a mudança de fase dos componentes do propelente, primeiramente para a fase liquida que permite uma melhor transferência de calor e mistura dos componentes que leva a fase gasosa, onde a mistura termina seu ciclo de combustão. O importante dessa análise é descobrir qual é o elemento que leva mais tempo para mudar a fase, esse será o elemento determinante na taxa de combustão. Para propelentes com perclorato de amônia esse é o constituinte que tem maior grau de importância na taxa de combustão, isso pode ser observado na forte relação entre o tamanho médio das partículas desse componente e a taxa de combustão.

Figura 8 - Efeito da granulometria do Perclorato de Amônia na taxa de combustão,  NASA, (17).

Já nos propelentes de nitrato de potássio e açucares como dextrose, sacarose e sorbitol o elemento determinante é o material base, o combustível. Nakka, (2), em estudos com estes propelentes chegou a conclusão de que tamanho da partícula do oxidante não altera de forma significativamente a taxa, mas se for mudado o combustível tem-se grandes variações em relação aos três açucares. Nos propelentes a base de epóxi usados nesse projeto o elemento que define também é o material base, seu combustível o epóxi. Ele apresenta uma taxa de combustão muito lenta se comparado a um dos propelentes de açúcar por ser sublimável e não conseguir transferir energia suficiente ao nitrato para se tornar gás e dar continuidade ao processo. É exatamente essa a razão da alta proporção de catalisador (Oxido de Ferro) na mistura, 8%, sendo que o usual para aditivos estar entre 1% e 2%.