Propulsão de foguete

Apropulsão dofoguete^{(português brasileiro)}oufoguetão^{(português europeu)}se dá quando as substâncias químicas (hipergólicasou não) são misturadas na válvula deigniçãoentrando em processo decombustão(espontânea no caso das hipergólicas ou forçadas nos outros casos), impulsionando o foguete.

Motores de foguete se tornam mais eficientes em altas velocidades, devido aoefeito Oberth.^[1]

Considerações sobre foguetes

O termofoguete^{[desambiguação necessária]}(em Portugal: foguetão) é usado indistintamente para qualquer tipo demotorque não utilize oarpara a queima docombustível propelente,sejapólvora,combustíveis sólidos, combustíveis líquidos ou até mesmo nucleares.

As unidades propulsoras acionadas por combustível líquido, recebem a nomenclatura técnica demecanismo de foguete(Nomenclatura adotada no Brasil peloCTAe peloITA). As unidades propulsoras acionadas por queima de combustível sólido recebem o nome demotores de foguetes. No entanto, existe uma generalização quanto à aplicação dos termos, que foram resumidos para simplesmentefoguete.

NosEstados Unidos,a designação de mecanismos de foguete é utilizada para unidades propulsoras maiores que usam ambos combustíveis (híbridas) e motores de foguete para a designação de engenhos menores.

Princípio de funcionamento do motor de foguete

Motor de foguete RS-68 utilizado no fogueteDelta-IV

Princípio de funcionamento do motor de foguete: os gases expelidos pelo bocal (tubeira) provocam um movimento para cima porreação.

O princípio de funcionamento do motor de foguete baseia-se naterceira lei de Newton,a lei daação e reação,que diz que "a toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentidos contrários".

Imaginemos uma câmara fechada onde exista umgásem combustão. A queima do gás irá produzirpressãoem todas as direções. A câmara não se moverá em nenhuma direção pois as forças nas paredes opostas da câmara irão se anular.

Se introduzirmos umbocalna câmara, onde os gases possam escapar, haverá um desequilíbrio. A pressão exercida nas paredes laterais opostas continuará não produzindo força, pois a pressão de um lado anulará a do outro. Já a pressão exercida na parte superior da câmara produzirá empuxo, pois não há pressão no lado de baixo (onde está o bocal).

Assim, o foguete se deslocará para cima porreaçãoà pressão exercida pelos gases em combustão na câmara de combustão do motor. Por isto este tipo de motor é chamado depropulsão por reaçãoassim ele tem como subir e ir para o espaço.

Diferente de ummotor a jatopor transportar seu própriooxidante,o que lhe permite operar na ausência de um suprimento dear.Os motores de foguete vêm sendo amplamente utilizados emvoos espaciais,nos quais sua grandepotênciae capacidade de operar novácuosão essenciais, mas também podem ser utilizados para movimentarmísseis,aeroplanoseautomóveis.

Aforçanosentidodomovimento(oempuxo) que atua sobre um foguete é produzida porque a queima docombustívelem seu interior exerce uma enormepressãosobre as paredes dacâmara de combustão,exceto na abertura por onde os gases escapam, situada em sua porção posterior.

A força resultante não equilibrada sobre as paredes dianteiras da câmara impulsiona o foguete para a frente. Amagnitude^{[desambiguação necessária]}do empuxo depende damassae da velocidade dos gases expelidos. Os motores de foguete podem utilizar combustívelsólidooulíquido,ou mesmo ambos, numa conformaçãohíbrida,que realmente se faz necessária ao voo espacial, uma vez que cada tipo de combustível oferece uma característica desejável (o combustível sólido possui maior capacidade de geração de empuxo, mas sua queima dificilmente pode ser controlada, o que pode originar desequilíbrios naascensãoe até retirar o foguete de suatrajetóriaprevista; o líquido é justamente o contrário: tem menor empuxo por unidade de volume, mas pode ser injetado mais controladamente na câmara de combustão, com o acréscimo de ser altamentetóxicoecorrosivo,(o que causa uma problemática em seu armazenamento) que provavelmente se mostra imprescindível para este fim.

O motor consiste em um invólucro e no combustível, com um sistema de ignição para dar início à combustão e uma cavidade central para assegurar uma queima completa e por igual. Os motores de combustível líquido são mais complexos, já que o combustível e o oxidante são armazenados separadamente e depois misturados nacâmara de combustão.Ooxigênioe ohidrogêniolíquidos são os combustíveis mais comuns.

Impulso

O critério comparativo dospropelentes,ou sistemas propulsores se chamaImpulso Específico,ou Isp.Este conceito indica a força propulsora disponível por segundo, fornecida porunidade de massa de propelente consumido.

OImpulso específicoé medido em segundos e está relacionado à velocidade média das partículas ejetadas, através da equação $v=g\,Isp$ .Assim, um Isp de 102 segundos equivale a uma velocidade de 1 km/segundo. Quanto mais alto oimpulso específico,menor amassadecombustívelnecessária para qualquer nível específico deforça propulsora.

Para se vencer agravidadeé necessário um sistema de alta força propulsora e que seja muitíssimo acima dopesodo artefato. Os principais sistemas propulsores que se pode utilizar neste caso são os chamadosfoguetes químicos,que podem utilizar combustível líquido e sólido, osfoguetes nucleares(experimentais) que utilizam uma tecnologia mais complexa, e osfoguetes iônicosque emitemíons(normalmente dexenônio) a altas velocidades.

Os foguetes químicos produzem escapamento por meio de combustão, portanto, devem ter seu próprio suprimento deoxigênio.

Os foguetes nucleares podem funcionar por dois tipos de reação,fissão nuclear,oufusão nuclear.

Propulsão química

Propulsão por combustível sólido

Carro-fogueteVolkhart-R1deKurt C. Volkhart(1890-1959) na pistaAVUS,Berlim,1928.

Grosseiramente, os combustíveis sólidos podem ser definidos basicamente como uma espécie deestopimem pó embalado e comprimido, onde a carga é uma mistura de combustível seco com ocomburente,que também é uma substância seca, porém rica emoxigênio.

Um exemplo, entre muitos, é a mistura deperclorato de amônioepoli-isobutano,utilizada em algunsmísseisterra-ar. Estecombustível,apesar de seguro e simples, produz um Isp baixo, além da exigência de uma estrutura muito mais pesada e resistente para a câmara decombustão.

Por ser combustível sólido, o único controle possível é a taxa da queima, e esta é determinada pela granulometria dopropelenteou da forma dacâmara de combustão.

Propulsão por combustível líquido

Motor dofoguete V2.

Os engenhos que utilizam combustível líquido tem inúmeras vantagens sobre os de combustível sólido. Os funcionamentos e estruturas internas de ambos diferem bastante. No caso da propulsão por combustível líquido opropelentee ooxidantesão armazenados em reservatórios fora da câmara de combustão. Ao serem misturados na câmara entram em combustão, sendo expelidos em altíssima velocidade pelo bocal, propelindo assim o artefato.

As principais vantagens são:

Aigniçãopode ser parada.
A ignição pode ser reativada.
Pode haveraceleraçãoedesaceleraçãoda ignição.
O controle da ignição pode ser executado de forma precisa.
Câmara de combustão extremamente leve, possibilita maior carga útil do engenho.

As principais desvantagens são:

O sistema possui peças móveis, válvulas etc.
Para a efetivação de um controlefino,o nível de complexidade tecnológica é muito alto.
Devido ao nível de complexidade o sistema é passível de falhas e defeitos inesperados podem ocorrer.
De uma forma geral, são menos seguros que os dispositivos de combustível sólido.

Os combustíveis líquidos mais utilizados para a propulsão dos artefatos são ahidrazinae oHidrogénio líquido,que são bombeados separadamente dooxigêniopara o interior da câmara de combustão. A hidrazina é mais utilizada para pequenas correções de trajetórias através de micropropulsores. Já o Hidrogênio líquido é utilizado em propulsores de maior porte.

Propulsão por combustível híbrido

É o foguete em que propelente e oxidante estão em câmaras separadas e em estados diferentes:líquido/sólidoougasoso/sólido. É o meio-termo entre a propulsão sólida e a propulsão líquida. Atualmente encontra-se em estado de testes em países comoEUAe Brasil. ASpaceShipOne(a primeiranave espacialparticular) utiliza este tipo de propulsão.

Propulsão nuclear

A propulsão nuclear é um processo que envolve alta tecnologia de materiais e controle da reação. Ainda é utilizada apenas experimentalmente e envolve grandes riscos ao meio ambiente. OMITnos Estados Unidos desde adécada de 1960,pesquisa um motor para propulsão nuclear.

Fissão

O processo defissão,onde umnúcleopesado, contendo pilhas deurânio,absorve umnêutrone se divide em dois fragmentos de massa aproximadamente idêntica. A reação libera grande quantidade de energia, assim como muitos nêutrons, que colidem com outros núcleos pesados e provocam sua fissão. A repetição desse processo gera uma reação em cadeia na qual vários bilhões de núcleos são fissionados numa pequena fração de segundo. O combustível então, é bombeado através de perfurações no núcleo, é superaquecido e expelido por um bocal adquirindo grande velocidade e gerando um jato muito veloz que impulsiona o artefato, este jato, é extremamente radioativo, sendo portanto proibitivo seu uso na Terra.

Fusão

O processo depropulsãoporfusão nuclearcomparativamente (em teoria), produz dois milhões de vezes mais energia que o de fissão para a mesma quantidade de combustível (em massa) nuclear.

Ainda não foram, ao que se sabe, experimentados na prática sistemas que utilizam a fusão nuclear. As possibilidades são apenas teóricas e as simulações efetuadas virtualmente. Estas indicam que um artefato propelido por fusão nuclear, isto é, convertendo dois átomos dehidrogênioemhélio,por exemplo, deveria utilizarcélulas propelentes.Estas seriam minúsculas bombas de fusão, que seriam ignificadas numa câmara blindada e envolta com intensocampo magnético.Oplasmagerado em altíssima velocidade pela explosão, seria direcionado para um bocal e produziria uma grande aceleração do artefato. Da mesma forma que a propulsão por fissão, a fusão também seria proibitiva de ser utilizada na Terra.

Antimatéria e Gravitacional

É o foguete que, hipoteticamente, aproveitaria a energia liberada por uma reação entrematériaeantimatériapara conseguir a sua propulsão. Quanto à propulsão por gravidade, há de se compreender que o espaço está ocupado por ondas gravitacionais por toda parte e, assim como um meio aquático em que um submarino navega, um veículo espacial poderá propelir essas ondas vindas de frente para a sua ré e a uma velocidade bem maior,não com um hélice, mas com um motor tipo scramjet. Teoricamente, estas naves poderiam também fazer manobras orbitais usando a repulsão ou atração gravitacionais, desde que existam corpos celestes nas proximidades, dando a ação para a sua reação.

Commons

OCommonspossui imagens e outros ficheiros sobrePropulsão de foguete

Ver também

Referências

↑Hermann Oberth (1970).«Ways to spaceflight».Translation of the German language original "Wege zur Raumschiffahrt," (1920). Tunis, Tunisia: Agence Tunisienne de Public-Relations

Ligações externas

[ways-1] Hermann Oberth (1970).«Ways to spaceflight».Translation of the German language original "Wege zur Raumschiffahrt," (1920). Tunis, Tunisia: Agence Tunisienne de Public-Relations

[1]