Análise analítica e numérica de flutter em aletas do foguete Morpheus da equipe Kosmos Rocketry

Abstract

As análises de falhas estruturais em foguetes são fatores cruciais para que certa missão ocorra sem imprevistos. O flutter é um dos principais modos de falha de foguetes de sondagem, apresentando sua prevenção a partir da utilização de equações para cálculo da velocidade máxima suportada em voo. Apesar dessas equações terem sido utilizadas para prevenir a ocorrência do fenômeno no Veículo Lançador Kosmos (VLK) da equipe de competição Kosmos Rocketry do CTJ-UFSC, o flutter durante o voo em 2022 levou à destruição do foguete, motivando a equipe a melhor compreender quais parâmetros são de interesse na previsão e prevenção dessa falha. Considerando isso, o presente trabalho avalia as equações utilizadas para o cálculo de velocidade de flutter a fim de desenvolver uma calculadora capaz de obter resultados mais precisos. A partir dessa calculadora, a tendência da velocidade de flutter é observada em função de parâmetros geométricos e do material das aletas. Além disso, será apresentada uma avaliação da modificação de geometria das empenas sobre a estabilidade do foguete MORPHEUS da equipe Kosmos Rocketry com base no programa OpenRocket, como também uma análise numérica de flutter nas aletas utilizando simulações pelo método dos elementos finitos. Para tanto, o programa Ansys 2024 é utilizado com o intuito de realizar uma análise modal das aletas para avaliar as frequências naturais encontradas e a razão entre os valores dos primeiros modos de vibração. Portanto, verifica-se como cada parâmetro da aleta influencia os fatores de flutter, estabilidade e frequência natural, possibilitando um maior entendimento para escolha final de um formato mais ideal de aleta para o foguete. Por fim, constatou-se que a altura e a espessura das aletas são os parâmetros mais influentes na velocidade de flutter, assim como a altura e a corda da ponta são na estabilidade de saída de base do foguete.

Structural failure analyses in rockets are crucial factors for ensuring that a mission proceeds without unexpected events. Flutter is one of the main failure modes in sounding rockets, and its prevention relies on using equations to calculate the maximum speed that can be supported during flight. Although these equations were used to prevent the occurrence of the phenomenon in the Kosmos Launcher Vehicle (VLK) of the Kosmos Rocketry competition team from CTJ-UFSC, flutter during the 2022 flight led to the destruction of the rocket, motivating the team to better understand which parameters are important in predicting and preventing this failure. Considering this, the present work evaluates the equations used for flutter speed calculation in order to develop a calculator capable of providing more accurate results. Using this calculator, the flutter speed trend is observed as a function of geometric parameters and the material of the fins. Additionally, an assessment will be presented regarding the modification of the fin geometry on the stability of the MORPHEUS rocket from the Kosmos Rocketry team, based on the OpenRocket program, as well as a numerical analysis of flutter in the fins through simulations using the finite element method. For this purpose, Ansys 2024 is used to perform a modal analysis of the fins to assess the natural frequencies found and the ratio between the values of the first vibrational modes. Therefore, the influence of each fin parameter on flutter factors, stability, and natural frequency is investigated, providing a better understanding for the final choice of an optimal fin design for the rocket. Finally, it was found that the height and thickness of the fins are the most influential parameters in the flutter velocity, just as the height and tip chord are for the base-exit stability of the rocket.