Propelentes sólidos são produtos químicos, obviamente no estado sólido, que produzem gases em alta pressão por uma reação de combustão.

Qualquer propelente sólido inclui dois ou mais dos seguintes componentes (8) :

• Oxidante (nitratos e percloratos);
• Combustível (resinas orgânicas ou polímeros);
• Compostos químicos combinando oxidantes e combustíveis (nitro-celulose ou nitroglicerina);
• Aditivos (para controlar processos de produção, taxa de combustão, etc.);
• Inibidores (colados, de fita, dip-dried) para restringir superfícies de combustão.

Existem diversos tipos de propelentes. O primeiro tipo é o compósito, que possui dois ingredientes principais, o combustível e o oxidante. Nenhum dos dois entra em combustão facilmente quando separados. Geralmente consistem do oxidante na forma de cristais finamente triturados dispersos numa matriz do combustível. O segundo contem compostos químicos instáveis, como nitroglicerina, que são capazes de combustão sem a adição de qualquer outro material. Estes são chamados de propelentes homogêneos e não contém cristais, mas usam combustíveis quimicamente ligados a compostos oxidantes suficientes para sustentar a combustão, de acordo com ,Sutton, (8) . Por serem largamente baseados em colóides de nitroglicerina e nitro celulose também, são chamados de propelentes de base dupla. Isso os diferencia das pólvoras de munição, que geralmente são baseados em um ou outro colóide. Também existem as pólvoras negras, um antigo propelente, e combinações dos tipos anteriores que não são facilmente classificados.

 Pequenas percentagens de aditivos são usadas para modificar diversas propriedades dos propelentes sólidos como, Sutton, (8):

• Acelerar ou desacelerar a velocidade de combustão (catalisadores e inibidores de combustão resectivamente);
• Aumentar a estabilidade química para prevenir a deterioração durante a estocagem;
• Controlar diversas propriedades de processamento durante a produção do propelente (tempo de cura, fluidez para moldagem, etc.);
• Controle das propriedades de absorção de radiação no propelente em combustão;
• Aumentar a resistência mecânica e diminuir a deformação elástica;
• Minimizar a sensibilidade térmica.

Propriedades desejadas em propelentes sólidos

De acordo com  Sutton, (8), algumas características são desejáveis para propelentes sólidos. É importante diferenciar as propriedades entre: matéria prima, propelente pronto e produtos da combustão (mistura de gases e partículas a alta temperatura). São desejáveis, pois não existe um propelente que atenda a todas e este deve ser escolhido levanto em conta o caráter específico do motor. A ordem que estas propriedades foram listadas não é relacionada à sua importância.

• Alta liberação de energia química leva a alta performance e por conseqüência a altos valores de temperatura de chama e impulso específico;
• Baixo peso molecular dos produtos da combustão é desejável por aumentar o valor do Impulso específico;
• O propelente precisa ser estável por um longo período de tempo e não deve deteriorar-se quimicamente ou fisicamente durante a estocagem;
• Alta densidade do propelente sólido permite o uso de uma câmara de menor volume e logo uma câmara mais leve;
• O propelente não pode ser afetado pelas condições atmosféricas, por exemplo, não deve ser higroscópico;
• O propelente não pode sofrer ignição acidental, ou seja, sua temperatura de auto-ignição deve ser relativamente alta e deve ser insensível ao impacto;
• O propelente deve apresentar alta resistência mecânica em particular as de tração, compressão e cisalhamento, qualidades adesivas e modulo de elasticidade e alongamento;
• Um coeficiente de expansão térmica que combine com o material da câmara ira minimizar a movimentação relativa entre os dois componentes e a tensão térmica do propelente estocado;
• A composição do propelente deve ser quimicamente inerte durante a estocagem e operação. Não deve existir nenhuma reatividade entre os ingredientes;
• A matéria prima deve ser de fácil e rápida disponibilidade para produção e ter propriedades de produção desejáveis como: fluidez adequada à moldagem, simples controle dos processos químicos (como a cura) ou pequena variação de volume durante o processo;
• A performance e as técnicas de fabricação devem ser relativamente insensíveis a impurezas ou pequenas variações nas proporções para simplificar a produção e inspeção, reduzindo seu custo;
• As propriedades físicas e de combustão (taxa de combustão) devem ser previsíveis e não devem ser afetadas de forma considerável em relação à faixa de temperatura da estocagem e operação. Isso implica na sensitividade a temperatura ser baixa;
• O propelente deve ter a capacidade de colagem aos materiais usados em inibidores e câmaras, de ser submetido a diferentes técnicas de mistura e moldagem e capaz de ser acionado por ignitores simples;
• Os gases de exaustão não devem ser corrosivos ou tóxicos;
• O método de produção do propelente deve ser simples e não deve exigir uma instalação química complexa;
• A condutividade térmica e calor específico de um propelente devem proporcionar previsibilidade na transferência de calor da frente de chama para o propelente;
• O grão deve ser opaco a radiação para prevenir a ignição em locais diferentes da superfície de combustão;
• O grão de propelente deve resistir à erosão e possuir características previsíveis de queima erosiva;
• O propelente deve suportar repetidos ciclos térmicos sem que isto mude suas propriedades químicas ou físicas;
• As matérias primas devem ser baratas, seguras e simples de se manipular e transportar.

Matéria prima básica, químicos

Oxidantes

Nenhum dos oxidantes mais usados hoje tem todas as características desejáveis, na verdade cada um deles tem diversas propriedades negativas sérias. A Tabela 3 fornece uma lista dos mais representativos listados por Sutton, (8).

Tabela 4 – Oxidantes mais comuns em propelentes sólidos

Fonte: Sutton, (8).

Neste trabalho apenas o Nitrato de Potássio será considerado. Sua principal desvantagem é a produção de fumaça, partículas sólidas. Isso leva a uma diminuição no desempenho do propelente por causa da inércia de massa e térmica dessas partículas. Os principais motivos para a escolha deste oxidante é sua fácil obtenção, baixo custo e segurança de manuseio. Os efeitos do fluxo de duas fases (gás e partículas sólidas) não são significativos para o escopo deste projeto e seus efeitos podem ser rapidamente calculados por meio de fatores de desempenho estudados por Nakka,  (2) , e explicados no artigo Fatores de Correção .

Combustíveis

Existe uma grande variedade de combustíveis orgânicos para propelentes sólidos. Estes são escolhidos por suas características de oxidação, propriedades físicas, propriedades de manufatura, etc. Durante o processo de produção do propelente, os combustíveis, geralmente na forma líquida e até mesmo em alta temperatura, são misturados aos oxidantes cristalinos. Após essa fase o propelente sofre uma transformação química ou física já dentro de um molde para tomar a forma do grão. Neste projeto dois combustíveis serão estudados por seu uso difundido entre amadores e seu baixo custo, facilidade obtenção e segurança na manipulação.

Açucares

Os açucares são usados como propelentes amadores a mais de quarenta anos. Seu uso foi difundido pelo engenheiro canadense Richard Nakka em seu site da web, (2) , onde apresentou diversos estudos, que apesar do caráter amador foram muito bem executados sob critérios científicos e englobou todas as propriedades significativas deste tipo de combustível para uso em propelentes sólidos. Os principais tipos de açucares usados são:

a)    sacarose, o açúcar comum de cozinha;

b)    dextrose (Glicose), açúcar usado pelas células dos seres vivos como fonte de energia;

c)    sorbitol, usado como adoçante em xaropes, gomas de mascar e produtos dietéticos.

Tabela 5 – Características dos Açucares.

Fonte: Nakka, (2).

Os diferenciais positivos deste combustível são a acessibilidade e o baixo custo. O fato de ser amplamente difundido, testado e comprovado o tornam uma opção confiável. O processo de produção é simples e relativamente seguro. Consiste na moagem fina do oxidante, geralmente Nitrato de Potássio, e do combustível seguido de cuidadosa mistura. Esta fase geralmente é feita por um misturador na forma de um tambor giratório a baixa rotação por um longo tempo para garantir uma perfeita homogeneização, como testado por Nakka, (2). Posteriormente a mistura é fundida e colocada no molde onde o propelente cura, passando por um processo de resfriamento e solidificação da matriz de combustível. Existem muitas variantes no método de produção, como a dissolução do oxidante na solução de água mais combustível seguido da evaporação completa da água para a moldagem, adição do oxidante no alucar fundido, fundição direta da mistura, etc.

As desvantagens desse tipo de combustível são a sua baixa resistência mecânica e a natureza higroscópica. O grão é frágil e pode fraturar com facilidade, além de apresentar uma baixa elasticidade. O teor de umidade no propelente melhora essa característica, mas reduz consideravelmente o seu desempenho. A umidade residual do processo de produção pode provocar descolamento dos inibidores, além de suas propriedades adesivas serem baixas. Estudos de ignição acidental durante a produção foram feitos pelo projeto Sugar Shot to Space, (4), demonstraram a amplitude dos danos envolvidos nesse evento. A produção do propelente exige o uso de calor para fundir seu combustível, apesar de estudos feitos por Nakka, (2), demonstrarem que a temperatura de ignição está muito acima das de fusão e de fato não existirem registros oficiais sobre acidentes do gênero, este é um fator negativo a ser considerado.

Resina epóxi

O potencial para uso do epóxi como combustível foi apresentado a Nakka, (2), no ano 2000 por Marcus Leech, alguns testes de taxa de combustão a pressão ambiente confirmaram que se tratava de um combustível viável para estudo. Os principais problemas encontrados eram a baixa taxa de combustão, instabilidade na queima e grande quantidade de resíduos. Simulações com softwares de equilíbrio químico como o Propep e Guipep demonstravam que este propelente poderia ser tão bom ou melhor que propelentes baseados em açucares. Diversos experimentos se seguiram, com diferentes formulações até ser encontrada uma proporção funcional.

O epóxi é um plástico termo-rígido e geralmente é produto da reação entre epiclorohidrina e bisfenol-a. O que o faz uma excelente opção para combustível sólido são suas características mecânicas e energéticas, boa densidade e subprodutos da combustão com baixo peso molecular, além de ser sublimável, ou seja, ele passa do estado sólido diretamente para o gasoso. A sua produção é a frio, possui alta capacidade adesiva e uma gama de materiais aos quais ele não adere, sendo, portanto, de fácil desmoldagem. Não possui os principais problemas encontrados nos propelentes de açucares: não é higroscópico e apresenta alta resistência mecânica. De acordo com Richard Nakka, (2):

“... junto com o uso de um oxidante estável e de baixa energia, o nitrato de potássio, faz dele um dos propelentes mais seguros de se produzir, estocar e manipular para uso de entusiastas em foguetes experimentais amadores”

Tabela 6 – Características do Epóxi

Fonte: Banco de dados do software Propep.

A chave para o uso do epóxi como combustível em propelentes sólidos foi o uso de uma quantidade significativa de catalisador, no caso o óxido de ferro (Fe2O3), combinado com um processo de mistura cuidadoso. De acordo com Nakka, (2), o fato de o epóxi ser sublimável impedia que energia térmica suficiente chegasse aos cristais de oxidante, assim o este não chegava ao estado gasoso para o processo de combustão. O óxido de ferro deve ser misturado aos cristais de nitrato de potássio de tal forma que as partículas de Fe2O3 cobrissem cada cristal de KNO3. O papel do catalisador nesse caso é de transferência de energia térmica, permitindo que tanto o combustível quanto o oxidante estejam presentes na forma gasosa para que o processo de combustão ocorra com eficiência. Isso aumentou a taxa de combustão para valores práticos e proporcionou uma combustão estável e previsível. O propelente também não apresenta riscos de ignição por impacto e possui uma temperatura de ignição mais alta, sendo mais seguro se comparado aos açucares nesse quesito.

As desvantagens desse tipo de propelente são: custo mais alto em relação ao açúcar, pequenas diferença nas propriedades de epóxis de diferentes fornecedores, necessidade de ignitores mais energéticos, que em contrapartida aumenta a segurança contra ignição acidental. Também existe, em algumas marcas de resina, a necessidade de vácuo antes da moldagem para evitar a formação de pequenas bolhas resultantes da reação entre algum componente do catalisador (da resina) com umidade residual do nitrato de potássio. A presença de bolhas no propelente leva a um aumento imprevisível da taxa de combustão (pela área de queima adicional fornecida pelas bolhas), mas pode ser facilmente detectado por uma medição na densidade do grão ou micrografias de amostras, como recomendado pela NASA, (9), e Toft, (10) .