Como funcionam os foguetes: um guia completo

Foguete SLS

O Sistema de Lançamento Espacial (SLS) da NASA lançará astronautas à lua. (Crédito da imagem: Getty)

Os foguetes são a melhor maneira de nossa espécie escapar da atmosfera da Terra e alcançar o espaço. Mas o processo por trás de fazer essas máquinas funcionarem está longe de ser simples. Aqui está o que você precisa saber sobre como lançar um foguete no espaço.

Como foguetes decolam

Escritores e inventores sonharam em explorar o universo além da Terra por séculos, mas os verdadeiros desafios de viajar para o espaço só ficaram claros no século XIX. Os voos experimentais de balão mostraram que a atmosfera da Terra se afina rapidamente em grandes altitudes e, portanto, mesmo antes de o voo motorizado se tornar uma realidade, os engenheiros sabiam que os dispositivos que criam uma força para a frente ou para cima empurrando contra um meio circundante como o ar - como asas e hélices - seria inútil no espaço.



Outro problema era que os motores de combustão - máquinas como os motores a vapor ou a gasolina que geram energia queimando combustível no oxigênio da atmosfera da Terra - também falhariam em um espaço sem ar.

Felizmente, um dispositivo que resolvia o problema de geração de força sem um meio circundante já havia sido inventado - 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: gases de escape liberados por produtos químicos explosivos são empurrados para fora da parte traseira do foguete em alta velocidade, e como como resultado, o foguete é empurrado na outra direção, independentemente de qualquer meio circundante, A NASA explica nesta cartilha (pdf).

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

Decolagem do ônibus espacial

O design exclusivo do ônibus espacial canalizou o propelente de um tanque externo para os motores principais do ônibus espacial durante o lançamento, enquanto dois grandes foguetes impulsionadores sólidos auxiliaram.(Crédito da imagem: NASA)

A primeira pessoa a estudar seriamente o potencial do foguete para viagens espaciais, o professor e cientista amador russo Konstantin Tsiolkovsky, publicou suas conclusões pela primeira vez em 1903. Ele identificou corretamente o lançamento como um dos maiores desafios - o momento em que o foguete deve carregar todos os precisa de combustível e oxidante para chegar ao espaço - pois seu peso está no máximo e uma grande quantidade de empuxo é necessária apenas para colocá-lo em movimento.

À medida que o foguete avança, ele perde massa através de seu escapamento, então seu peso é reduzido e a mesma quantidade de empuxo terá um efeito maior em termos de acelerar o resto do foguete. Tsiolkovsky veio com 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 carregar os estágios acima dele por uma certa distância antes de esgotar seu combustível, se desprendendo e caindo longe. Este princípio, ainda amplamente usado hoje , reduz a quantidade de peso morto que precisa ser carregado até o espaço.

Tsiolkovsky concebeu uma equação complexa que revelou a força de empuxo necessária para qualquer manobra de foguete, e o 'impulso específico' - quanto empuxo é gerado por unidade de combustível - necessário para um foguete alcançar o espaço. Ele percebeu que os propelentes de foguetes explosivos de sua época eram muito ineficientes para alimentar um foguete espacial e argumentou que os combustíveis líquidos e oxidantes, como hidrogênio líquido e oxigênio líquido, seriam necessários para alcançar a órbita e além. Embora ele não tenha vivido para ver seu trabalho reconhecido, os princípios de Tsiolkovsky ainda sustentam os foguetes modernos.

Voando

Os foguetes devem equilibrar delicadamente e controlar forças poderosas para atravessar a atmosfera da Terra e chegar ao espaço.

Um foguete gera impulso usando uma explosão controlada enquanto o combustível e o oxidante sofrem uma violenta reação química. Os gases em expansão da explosão são empurrados para fora da parte de trás do foguete através de um bico. O bocal é um escapamento de formato especial que canaliza o gás quente de alta pressão criado pela combustão em um fluxo que escapa da parte de trás do bocal em velocidades hipersônicas, mais de cinco vezes a velocidade do som.

Isaac Newton's terceira lei do movimento afirma que toda ação tem uma reação igual e oposta, de modo que a força de 'ação' que leva o escapamento para fora do bico do foguete deve ser equilibrada por uma força igual e oposta que empurra o foguete para frente. Especificamente, essa força atua na parede superior da câmara de combustão, mas como o motor do foguete é parte integrante de cada estágio do foguete, podemos imaginá-la atuando no foguete como um todo.

Lançamento de foguete Delta II

O núcleo de primeiro estágio do foguete Delta II foi auxiliado por nove propulsores de foguetes sólidos separados durante o lançamento.(Crédito da imagem: NASA)

Embora as forças que agem em ambas as direções sejam iguais, seus efeitos visíveis são diferentes por causa de outra lei de Newton, que explica como objetos com maior massa precisam de mais força para acelerá-los em uma determinada quantidade. Assim, enquanto a força de ação acelera rapidamente uma pequena massa de gás de exaustão 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 alinhada com a direção do empuxo. Ajustes graduais são necessários para direcionar o foguete em direção a uma trajetória orbital, mas um desalinhamento severo pode fazer o foguete girar fora de controle. A maioria dos foguetes, incluindo o Falcão e a série Titan e o foguete lunar Saturno V, dirigidos por motores com cardan, montados de forma que todo o motor do foguete possa girar e variar a direção de seu impulso de momento a momento. Outras opções de direção incluem o uso de palhetas externas para desviar os gases de escape conforme eles escapam do motor do foguete - mais eficaz com foguetes de combustível sólido que não possuem um motor complexo - e motores auxiliares, como pequenos foguetes de propulsão montados nas laterais do palco do foguete.

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. Foguetes sólidos relativamente simples, mais frequentemente usados ​​como impulsionadores para fornecer impulso extra no lançamento, ainda contam com o mesmo princípio básico de acender um tubo contendo uma mistura combustível de combustível e oxidante. Uma vez inflamado, um foguete sólido continuará a queimar até que seu combustível se esgote, mas a taxa na qual o combustível é queimado - e, portanto, a quantidade de empuxo - pode ser controlada alterando a quantidade de superfície exposta à ignição durante diferentes momentos no foguete voo.

Isso pode ser feito compactando a mistura combustível / oxidante com um espaço vazio no centro, estendendo-se 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 vôo.

Tudo sobre o espaço

Edição 117 de Tudo sobre o espaço

(Crédito da imagem: Futuro)

Este artigo foi trazido a você por Tudo sobre o espaço .

Tudo sobre o espaço revista leva você em uma jornada inspiradora através de nosso sistema solar e além, da incrível tecnologia e espaçonave que permite à humanidade se aventurar em órbita, às complexidades da ciência espacial.

Os foguetes de combustível líquido mais difundidos são muito mais complexos. Normalmente, eles envolvem um par de tanques de propelente - um para o combustível e o oxidante - conectados a uma câmara de combustão por meio de um complexo labirinto de tubos. Turbobombas de alta velocidade acionadas por seus próprios sistemas de motores independentes são usadas para fornecer propelente líquido na câmara por meio de um sistema de injeção. A taxa de abastecimento pode ser acelerada para cima ou para baixo dependendo da necessidade, e o combustível pode ser injetado como um simples jato ou 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 - se muita mistura combustível / oxidante for permitida se acumular na câmara de combustão, uma ignição retardada pode gerar pressão suficiente para explodir o foguete, um evento catastrófico que os engenheiros de foguetes laconicamente referem-se a um 'início 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 líquidos hidrogênio , que só é estável em temperaturas muito baixas - cerca de 423 graus Fahrenheit negativos (253 graus Celsius negativos). Uma vez carregados a bordo do foguete, esses propelentes criogênicos devem ser armazenados em tanques fortemente isolados. Alguns foguetes evitam a necessidade de um mecanismo de ignição usando propelentes hipergólicos que se acendem espontaneamente em contato uns com os outros.

Viagem interplanetária

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

O primeiro estágio de qualquer vôo espacial envolve o lançamento da superfície da Terra para uma órbita relativamente baixa em torno de 124 milhas (200 km) acima, acima da vasta maioria da atmosfera. Aqui a gravidade é quase tão forte quanto na superfície, mas o atrito da alta atmosfera da Terra é muito baixo, então se o estágio superior do foguete estiver se movendo rápido o suficiente, ele pode 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 espaçonaves e satélites viajam não mais longe do que este 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 alcançar a velocidade de escape - a velocidade na qual eles nunca poderão ser puxados para trás pela gravidade do nosso planeta.

A velocidade de escape na superfície da Terra - 6,9 milhas por segundo (11,2 km / s) - é cerca de 50% mais rápida do que as velocidades típicas de objetos em LEO. Ele fica mais baixo a uma distância maior da Terra, e as sondas destinadas 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 anexado à espaçonave pelo resto de seu vôo interplanetário. Em tal órbita, a distância das espaçonaves da Terra pode variar de centenas a milhares de milhas, e sua velocidade também irá variar, atingindo um máximo quando a espaçonave está mais próxima da Terra - um ponto chamado perigeu - e desacelerando ainda mais.

Foguete Nuclear Térmico

Foguetes nucleares térmicos são uma forma hipotética de gerar grandes quantidades de impulso por períodos sustentados - eles podem um dia encurtar o tempo de viagem para outros planetas.(Crédito da imagem: NASA)

Surpreendentemente, no entanto, a queima de foguete crítica usada para escapar para o espaço interplanetário é geralmente feita quando a espaçonave está perto do perigeu. Isso se deve ao chamado Efeito Oberth , uma propriedade inesperada das equações de foguete que significa que um foguete é mais eficiente quando está se movendo em alta velocidade.

Uma maneira de entender isso é que queimar o combustível de uma espaçonave permite que o motor utilize não apenas sua energia química, mas também sua energia cinética, que é maior em velocidades mais altas. No balanço, o empuxo adicional do foguete necessário para alcançar a velocidade de escape de uma altitude baixa em alta velocidade é menor do que o necessário para escapar de uma altitude elevada ao se mover em uma velocidade mais baixa.

Engenheiros de voos espaciais e planejadores de missão geralmente se referem ao ' Delta-v 'necessário para realizar uma manobra de vôo específica, como uma mudança na órbita. Estritamente falando, o termo Delta-v significa mudança na velocidade, mas os engenheiros o usam especificamente como uma medida da quantidade de impulso, ou força de empuxo 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 elas podem gerar por quanto tempo usando o suprimento de combustível a bordo da espaçonave.

O envio de 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 de Órbita de transferência Hohmann . A espaçonave viaja ao longo de um segmento do caminho elíptico que se assemelha a uma trilha em espiral entre as órbitas dos dois planetas e não requer mais impulso ao longo de sua jornada. Na chegada ao seu objeto alvo, ele pode usar apenas a gravidade para entrar em sua órbita final, ou pode exigir uma explosão de impulso de foguete na direção oposta - geralmente realizado simplesmente girando a espaçonave no espaço e disparando o motor - antes que possa atingir uma órbita estável.