A simulação numérica na engenharia aeroespacial
A engenharia aeroespacial foi fundamental para o desenvolvimento tecnológico na segunda metade do século XX. Impulsionada pela guerra fria, ela trouxe avanços e tecnologias que permitiram levar o homem à lua.
Várias dessas tecnologias continuam presentes no nosso dia a dia, como o sistema de georreferenciamento, utilizado em aparelhos GPS. Nesse mesmo período a Fluidodinâmica Computacional estava se desenvolvendo e viria a se tornar uma grande ferramenta para a engenharia aeroespacial.
Com o passar do tempo e com o avanço da computação, a indústria aeroespacial passou a contar com novas ferramentas de projeto, que foram muito úteis para minimizar ou até mesmo substituir ensaios experimentais e construção de protótipos.
Neste sentido, as ferramentas CFD ganham um lugar de destaque por serem úteis no projeto e análise de foguetes nas mais diversas fases do projeto, compreendendo desde aerodinâmica e simulação de trajetória, até fases de extrema complexidade como combustão e reentradas na atmosfera.
A engenharia aeroespacial no Brasil
No Brasil, a engenharia aeroespacial se desenvolveu em meados dos anos 50 com a fundação do Instituto de Tecnologia Aeronáutica na cidade de São José dos Campos.
Mais tarde, essa cidade viria a se tornar o polo aeronáutico e aeroespacial brasileiro. Neste polo, contamos com diversas empresas e institutos de pesquisa de nome expressivo no cenário mundial, como a Embraer, a Avibrás e o INPE.
Atualmente, existem competições estudantis que visam complementar a formação técnica de engenharia voltada para a área aeroespacial. Um caso de destaque é o time de foguete design da USP, o Projeto Júpiter.
O grupo visa construir foguetes para competições nacionais e internacionais, principalmente para a Intercollegiate Rocket Engineering Competition, a IREC, como é conhecida, que ocorre anualmente e é organizada pela Experimental Sounding Rocket Association (ESRA). Em 2015 o Projeto Júpiter se tornou a segunda equipe brasileira a participar dela.
A equipe conta com aproximadamente 70 membros divididos em áreas como aerodinâmica, propulsão, eletrônica e administração. E é composta por alunos de todas as engenharias da USP, além de alunos da administração, matemática, física e astronomia.
Os números de projeto impressionam. Este protótipo opera com uma aceleração máxima de 18,7 G, e alcança uma velocidade máxima de 302,2 m/s. Ele é projetado para alcançar uma altura máxima (apogeu) de 5 km.
“As equipes que participam desse tipo de competição têm uma motivação muito grande de superar desafios na área de engenharia aeroespacial. E participar de competições internacionais representando o Brasil é um combustível a mais para esses alunos superar tais desafios e que de fato faz a diferença na formação deles.” Prof. Dr. Bruno Souza Carmo. Engenheiro Mecatrônico e professor orientador do projeto.
A ESSS acredita e apoia os alunos do Projeto Júpiter. Este tipo de iniciativa capacita os alunos a usarem a simulação computacional e a chegarem cada vez mais preparados ao mercado de trabalho e a resolver desafios cada vez mais complexos da indústria aeroespacial.
Simulação CFD no projeto aeroespacial
O lançamento de um foguete envolve diversos desafios de mecânica dos fluidos e termodinâmica, e portanto pode e deve ser aplicado ferramentas de CFD. Como estamos tratando de velocidades superiores a velocidade do som no ar, temos que levar em consideração os efeitos de compressibilidade, e portanto, a variação na densidade do fluido.
Isto requer um tratamento matemático mais sofisticado, uma vez que precisamos adicionar às equações tradicionais de CFD outras duas equações: uma equação de estado para o gás e uma equação para energia. Para a maior parte dos casos compressíveis, a lei dos gases ideais é uma aproximação razoável como equação de estado.
A complexidade matemática vai aumentando à medida que o número de Mach aumenta, e a partir de 1 Ma, ondas de choque começam a aparecer e devem ser levadas em consideração, pois são de total importância no projeto aerodinâmico do foguete.
