Como Funcionam os Foguetes?

Sabemos que os foguetes ainda são a nossa única forma de chegar ao espaço, mas como exatamente essas máquinas complexas funcionam? Vamos descobrir neste post.

Como os Foguetes Decolam?

Há séculos que escritores e inventores sonham em explorar o universo para além da Terra, mas os verdadeiros desafios de viajar para o espaço só se tornaram claros no século XIX. Voos experimentais de balão mostraram que a atmosfera da Terra diminui rapidamente em grandes altitudes e, portanto, mesmo antes do voo motorizado se tornar uma realidade, os engenheiros sabiam que os dispositivos que criam uma força para frente ou para cima, empurrando um meio circundante como o ar como asas e hélices, seriam inúteis no espaço. Outro problema era que os motores a combustão falhariam no espaço sem ar.

Felizmente, já havia sido inventado um dispositivo que resolvia o problema de geração de força sem meio circundante, o foguete. Inicialmente usados ​​como armas de guerra ou em fogos de artifício, os foguetes geram uma força em uma direção, chamada de empuxo, pelo princípio de ação e reação, os gases de escape liberados por produtos químicos explosivos são empurrados para fora da parte traseira do foguete em alta velocidade, e como resultado, o foguete é empurrado na outra direção, independentemente de qualquer meio circundante.

A chave para usar foguetes no espaço é transportar uma substância química chamada oxidante, que pode desempenhar o mesmo papel que o oxigênio no ar da Terra e permitir a combustão do combustível.

A primeira pessoa a estudar seriamente o potencial do foguete para viagens espaciais, foi o professor russo e cientista amador Konstantin Tsiolkovsky, que publicou pela primeira vez suas conclusões em 1903. Ele identificou corretamente o lançamento como um dos maiores desafios, pois o momento em que o foguete tem que transportar todos os combustíveis e oxidante de que necessita para chegar ao espaço, pois já que o seu peso está no máximo seria necessária uma enorme quantidade de impulso apenas para colocá-lo em movimento.

À medida que o foguete avança, ele perde massa através do escapamento, de modo que seu peso é reduzido e a mesma quantidade de empuxo terá um efeito maior em termos de aceleração do resto do foguete. Tsiolkovsky criou vários projetos de foguetes e concluiu que a configuração mais eficiente era um veículo lançado verticalmente com vários ‘estágios’, cada um deles um foguete independente que poderia transportar os estágios acima dele por uma certa distância antes de esgotar seu combustível, se soltaria. Este princípio, ainda hoje amplamente utilizado , reduz a quantidade de peso morto que precisa ser transportado até o espaço.

Tsiolkovsky elaborou uma equação complexa que revelava a força de impulso necessária para qualquer manobra do foguete e o “impulso específico”. Quanto impulso é gerado por unidade de combustível seria necessário para um foguete alcançar o espaço? Ele percebeu que os propulsores explosivos de foguetes de sua época eram ineficientes demais para alimentar um foguete espacial e argumentou que combustíveis líquidos e oxidantes, como hidrogênio líquido e oxigênio líquido, seriam necessários para alcançar a órbita e ir além. Embora ele não tenha vivido para ver seu trabalho reconhecido, os princípios de Tsiolkovsky ainda sustentam os foguetes modernos.

Iniciando o Voo

Os foguetes devem equilibrar e controlar delicadamente forças poderosas para atravessar a atmosfera da Terra e chegar ao espaço, pois geram impulso usando uma explosão controlada enquanto o combustível e o oxidante sofrem uma violenta reação química. Os gases em expansão da explosão são expelidos da parte traseira do foguete através de um bocal. O bocal é um escapamento com formato especial que canaliza o gás quente e de alta pressão criado pela combustão em um fluxo que escapa pela parte traseira do bocal em velocidades hipersônicas, mais de cinco vezes a velocidade do som.

A terceira Lei de Isaac Newton afirma que toda ação tem uma reação igual e oposta, então a força de “ação” que impulsiona o escapamento para fora do bocal do foguete deve ser equilibrada por uma força igual e oposta que empurra o foguete para frente, ou seja, esta força atua na parede superior da câmara de combustão, mas como o motor do foguete é parte integrante de cada estágio do foguete, podemos pensar que ela atua no foguete como um todo.

Embora as forças que atuam em ambas as direções sejam iguais, os seus efeitos visíveis são diferentes devido a outra lei de Newton, que explica como os objetos com maior massa precisam de mais força para os acelerar numa determinada quantidade. Assim, enquanto a força de ação acelera rapidamente uma pequena massa de gases de escape a velocidades hipersônicas a cada segundo, a força de reação igual produz uma aceleração muito menor na direção oposta na massa muito maior do foguete.

À medida que o foguete ganha velocidade, é fundamental manter a direção do movimento estreitamente alinhada com a direção do impulso, para isto, ajustes graduais são necessários para direcionar o foguete em direção a uma trajetória orbital, mas um desalinhamento grave pode fazer o foguete girar fora de controle. A maioria dos foguetes, incluindo as séries Falcon e Titan e o foguete lunar SaturnV , são direcionados usando motores gimballed, montados de modo que todo o motor do foguete possa girar e variar à direção de seu impulso de momento a momento. Outras opções de direção incluem o uso de palhetas externas para desviar os gases de escape à medida que escapam do motor do foguete, são mais eficientes com foguetes de combustível sólido que não possuem um motor complexo.

Como Funcionam os Motores de Um Foguete?

Os motores de foguetes modernos percorreram um longo caminho desde os fogos de artifício, os primeiros na história dos foguetes. Os foguetes sólidos, mais frequentemente usados ​​como propulsores para fornecer impulso extra no lançamento, ainda dependem do mesmo princípio básico de acender um tubo contendo uma mistura combustível de combustível e oxidante. Uma vez aceso, um foguete sólido continuará queimando até que seu combustível se esgote, mas a taxa na qual o combustível é queimado, pode ser controlada alterando a quantidade de superfície exposta à ignição durante diferentes momentos do voo. Isso pode ser feito empacotando a mistura combustível/oxidante com um espaço oco no centro, ao longo do comprimento do foguete. Dependendo do perfil dessa lacuna, que pode ser circular ou em forma de estrela, por exemplo, a quantidade de superfície exposta mudará durante o voo.

Os foguetes de combustível líquido mais difundidos são muito mais complexos. Normalmente, eles envolvem um par de tanques de propulsor, um para o combustível e outro para o oxidante que conectados a uma câmara de combustão através de um complexo labirinto de tubos. Turbobombas de alta velocidade acionadas por seus próprios sistemas de motor independentes são usadas para fornecer propelente líquido na câmara por meio de um sistema de injeção. A taxa de fornecimento pode ser aumentada ou diminuída dependendo da necessidade, e o combustível pode ser injetado como um jato simples ou um spray fino. 

Dentro da câmara de combustão, um mecanismo de ignição é usado para iniciar a combustão, pode ser um jato de gás em alta temperatura, uma faísca elétrica ou uma explosão pirotécnica. A ignição rápida é crítica, pois se for permitida a acumulação de muita mistura de combustível/oxidante na câmara de combustão, uma ignição retardada pode gerar pressão suficiente para explodir o foguete, um evento catastrófico que os engenheiros de foguetes laconicamente chamam de “arranque difícil” ou “desmontagem rápida não programada” (RUD).

O projeto detalhado de um estágio de foguete líquido pode variar muito dependendo do combustível e de outros requisitos. Alguns dos propelentes mais eficientes são gases liquefeitos, como o hidrogênio líquido , que só é estável em temperaturas muito baixas, cerca de 423 graus Fahrenheit negativos (253 graus Celsius negativos). Uma vez carregados a bordo, esses propulsores criogênicos devem ser armazenados em tanques fortemente isolados. Alguns foguetes evitam a necessidade de um mecanismo de ignição usando propulsores hipergólicos que se inflamam espontaneamente em contato uns com os outros. 

Viagem Interplanetária

Os foguetes são a chave para explorar o nosso sistema solar, mas como eles vão da órbita ao espaço profundo?

A primeira fase de qualquer voo espacial envolve o lançamento da superfície da Terra para uma órbita relativamente baixa, a cerca de 200 km de altura, acima da grande maioria da atmosfera, onde a gravidade é quase tão forte quanto na superfície, mas o atrito da atmosfera superior da Terra é muito baixo, portanto, se o estágio superior do foguete estiver se movendo rápido o suficiente, ele poderá manter uma trajetória estável circular ou elíptica onde a força da gravidade e a tendência natural do veículo de voar em linha reta se anulam.

Muitas naves espaciais e satélites não viajam além desta órbita terrestre baixa (LEO), mas aqueles destinados a deixar a Terra inteiramente e explorar o sistema solar mais amplo precisam de um aumento adicional na velocidade para atingir a velocidade de escape que é a velocidade na qual nunca poderão ser puxados para trás pela gravidade do nosso planeta.

A velocidade de escape na superfície da Terra é 6,9 milhas por segundo (11,2 km/s), é cerca de 50% mais rápida do que as velocidades típicas dos objetos no LEO. Ele fica mais baixo a uma distância maior da Terra, e as sondas com destino ao espaço interplanetário são frequentemente injetadas primeiro em órbitas alongadas ou elípticas por uma explosão de impulso cuidadosamente cronometrada de um foguete de estágio superior, que pode permanecer preso à espaçonave pelo resto do tempo do seu voo interplanetário. Em determinada órbita, a distância da nave espacial da Terra pode variar entre centenas e milhares de quilômetros, e a sua velocidade também vai variar, atingindo um máximo quando a nave espacial está mais próxima da Terra em um ponto chamado perigeu.

Surpreendentemente, no entanto, a queima crítica do foguete usada para escapar para o espaço interplanetário geralmente ocorre quando a espaçonave está próxima do perigeu. Isto se deve ao chamado efeito Oberth , uma propriedade inesperada das equações dos foguetes que significa que um foguete é mais eficiente quando se move em velocidades mais altas.

Uma forma de compreender isto é que a queima do combustível de uma nave espacial permite ao motor utilizar não só a sua energia química, mas também a sua energia cinética, que é maior em velocidades mais elevadas. Em suma, o impulso adicional do foguete necessário para atingir a velocidade de escape de uma baixa altitude em alta velocidade é menor do que o necessário para escapar de uma grande altitude quando se move a uma velocidade mais baixa.

Engenheiros de voos espaciais e planejadores de missões frequentemente se referem ao “Delta-v” necessário para realizar uma manobra de voo específica, como uma mudança na órbita. Estritamente falando, o termo Delta-v significa mudança na velocidade, mas os engenheiros usam-no especificamente como uma medida da quantidade de impulso, ou força de impulso ao longo do tempo necessária para realizar uma manobra. Em termos gerais, as missões são planejadas em torno de um “orçamento Delta-v”, quanto impulso podem gerar durante quanto tempo usando os fornecimentos de combustível a bordo da nave espacial.

Enviar uma espaçonave de um planeta para outro com requisitos mínimos de Delta-v envolve injetá-la em uma órbita elíptica ao redor do Sol, chamada órbita de transferência de Hohmann. A espaçonave viaja ao longo de um segmento da trajetória elíptica que se assemelha a uma trilha em espiral entre as órbitas dos dois planetas e não requer mais impulso ao longo de sua jornada. Ao chegar ao seu objeto alvo, ela pode usar apenas a gravidade para entrar em sua órbita final, ou pode exigir uma explosão de impulso do foguete na direção oposta que é geralmente adquirida simplesmente girando a espaçonave no espaço e acionando o motor antes de poder atingir o objetivo de uma órbita estável.