Plasma technology for study of the ablative properties in composites to aeroespace application obtained by wrapping process

Compósitos ablativos são vastamente utilizados em divergentes de motores usados em veículos espaciais, em particular nos veículos em desenvolvimento no Instituto de Aeronáutica e Espaço, como por exemplo, o Veículo Lançador de Satélite. Tais divergentes podem ser produzidos por diversos processos, entre eles a bobinagem. Atualmente é empregado o processo de bobinagem paralela para a fabricação desses elementos. Porém, visando obter-se um melhor desempenho ablativo e otimização da massa para os divergentes, propõe-se uma inovação no processo de fabricação para estruturas ablativas, a bobinagem inclinada em fitas tecidas. Neste trabalho foi realizado um estudo teórico experimental da ablação em compósitos bobinados obtidos através dos dois processos de bobinagem, paralela e inclinada. Uma tocha de plasma é usada para simular as condições de operação do material em um divergente. O material utilizado como reforço do compósito foi um tecido de fibra de carbono e o polímero utilizado como matriz foi uma resina fenólica tipo resol. Nestas condições, foram avaliadas a taxa de perda de massa e as temperaturas atingidas na face exposta a tocha, tendo como parâmetro o fluxo térmico do jato de plasma. Os dados experimentais foram comparados com os resultados numéricos de uma simulação computacional. Embora não tenha sido obtida uma perfeita concordância entre os resultados numéricos e experimentais, a ordem de magnitude e o comportamento de variação dos parâmetros avaliados podem ser considerados fisicamente coerentes e dentro dos limites do modelo teórico proposto. Os resultados obtidos permitem estimar a taxa de perda de massa de acordo com o fluxo térmico e indicam um melhor desempenho ablativo das amostras obtidas por bobinagem inclinada em comparação com as amostras obtidas por bobinagem paralela.Ablative composites are widely used in nozzles of propeller engines used in space vehicles, as the Satellite Launching Vehicle in development at Aeronautics and Space Institute, for example. Such nozzle extension can be produced by various processes, including wrapping tape. Currently is employed the parallel wrapping process to manufacture these elements. However, in order to get a better ablative performance and mass optimization for the nozzle extensions, it has been proposed an innovation in the manufacturing process for ablative structures, biased tape wrapping. In this paper is presented a theoretical study of experimental ablation in wound composite obtained by the two wrapping processes, parallel and biased tape. A plasma torch has used to simulate the operating conditions of the material in the nozzle extension. The composite has used as reinforcement a carbon fiber fabric with a resol phenolic resin matrix. Thus, it has evaluated the weight loss rate and the temperatures reached on the face to the side exposed to the torch, with the heat flux parameter of the plasma jet. The experimental data were compared with the numerical results of a computer simulation. Although not obtained a perfect agreement between the numerical and experimental results, the order of magnitude and the pattern of variation of the evaluated parameters can be considered physically consistent and within the limits of the proposed theoretical model. The results obtained allow us to estimate the mass loss rate in accordance with the thermal flow and indicate a better ablative performance of samples obtained by biased tape wrapping in comparison with the samples obtained by parallel wrapping