O que é uma Propulsão de Foguete?
A propulsão do foguete (português brasileiro) ou foguetão (português europeu) se dá quando as substâncias químicas (hipergólicas ou não) são misturadas na válvula de ignição entrando em processo de combustão (espontânea no caso das hipergólicas ou forçadas nos outros casos), impulsionando o foguete.
Motores de foguete se tornam mais eficientes em altas velocidades, devido ao efeito Oberth.
Considerações sobre foguetes
O termo foguete[desambiguação necessária] (em Portugal: foguetão) é usado indistintamente para qualquer tipo de motor que não utilize o ar para a queima do combustível propelente, seja pólvora, combustíveis sólidos, combustíveis líquidos ou até mesmo nucleares.
As unidades propulsoras acionadas por combustível líquido, recebem a nomenclatura técnica de mecanismo de foguete (Nomenclatura adotada no Brasil pelo CTA e pelo ITA). As unidades propulsoras acionadas por queima de combustível sólido recebem o nome de motores de foguetes. No entanto, existe uma generalização quanto à aplicação dos termos, que foram resumidos para simplesmente foguete.
Nos Estados 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 foguete Delta-IV
Princípio de funcionamento do motor de foguete: os gases expelidos pelo bocal (tubeira) provocam um movimento para cima por reação.
O princípio de funcionamento do motor de foguete baseia-se na terceira lei de Newton, a lei da ação 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 um gás em combustão. A queima do gás irá produzir pressão em todas as direções. A câmara não se moverá em nenhuma direção pois as forças nas paredes opostas da câmara irão se anular.
Se introduzirmos um bocal na 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 por reação à pressão exercida pelos gases em combustão na câmara de combustão do motor. Por isto este tipo de motor é chamado de propulsão por reação assim ele tem como subir e ir para o espaço.
Ao contrário de um motor a jato, ele vem com seu próprio oxidante e pode operar sem suprimento de ar. Os motores de foguete têm sido amplamente utilizados em voos espaciais, onde sua grande potência e capacidade de operar no vácuo são essenciais, mas também são usados para mover mísseis, aviões e carros.
A força que atua sobre o foguete na direção do movimento (impulso) é gerada porque a combustão do combustível no interior do foguete exerce enorme pressão nas paredes da câmara de combustão, exceto pelas aberturas pelas quais os gases escapam, atrás dela.
A força desequilibrada criada na parede frontal da câmara de combustão impulsiona o foguete para a frente. A magnitude do empuxo depende da massa e velocidade do gás de exaustão. Os motores de foguete podem usar combustíveis sólidos ou líquidos, ou mesmo ambos, em uma configuração híbrida, o que é realmente necessário para voos espaciais, pois cada tipo de combustível fornece características desejáveis (combustíveis sólidos têm maior capacidade de empuxo de produção, mas sua combustão pode ser difícil de controlar , que pode causar desequilíbrios na subida e até mesmo jogar o foguete para fora de sua órbita prevista; líquido é o contrário: tem menos empuxo por unidade de volume, mas pode ser mais controlado por injeção na combustão, além de ser altamente tóxico e corrosivo ( que causaria problemas com o seu armazenamento), pode revelar-se essencial para este fim.
O motor é composto por uma carcaça e combustível, com um sistema de ignição para iniciar a combustão e uma câmara central para garantir uma combustão completa e uniforme. Os motores de combustível líquido são mais complicados porque o combustível e o oxidante são armazenados separadamente e depois misturados na câmara de combustão. O oxigênio líquido e o hidrogênio são os combustíveis mais comuns.
O impulso
O padrão de comparação para um propulsor ou sistema de propulsão é chamado de pulso específico ou Isp. Este conceito expressa a propulsão disponível por segundo fornecida por unidade de massa propulsora consumida.
O impulso específico é medido em segundos e está relacionado com a velocidade média das partículas ejetadas pela equação {\displaystyle v=g\,Isp}{\displaystyle v=g\,Isp}. Portanto, um Isp de 102 segundos equivale a uma velocidade de 1 km/s. Quanto maior o impulso específico, menor a massa de combustível necessária para qualquer nível de propulsão.
Para vencer a gravidade, deve haver um sistema de propulsão alto muito acima do peso do artefato. Os principais sistemas de propulsão que podem ser utilizados neste caso são os chamados foguetes químicos, que podem utilizar combustíveis líquidos e sólidos, foguetes nucleares (experimentais) que utilizam tecnologia mais sofisticada, e foguetes iônicos que emitem íons (geralmente xenônio) em altas velocidades .
Foguetes químicos queimam para produzir gases de escape, então eles devem ter seu próprio suprimento de oxigênio.
Os foguetes nucleares podem funcionar através de dois tipos de reações, fissão nuclear ou fusão nuclear.
A propulsão a combustível sólido
Grosso modo, um combustível sólido pode ser definido basicamente como uma espoleta de pó comprimido em que a carga é uma mistura de combustível seco e um oxidante, que também é seco, mas enriquecido com oxigênio.
Um exemplo é uma mistura de perclorato de amônio e poliisobutano, usada em alguns mísseis terra-ar. Este combustível, embora seguro e simples, produz menor Isp e requer uma estrutura de câmara de combustão mais pesada e mais forte.
Por ser um combustível sólido, o único controle possível é a taxa de queima, que depende do tamanho da partícula do propelente ou do formato da câmara de combustão.
A propulsão de combustível líquido
Motor de foguete V2.
Os equipamentos que utilizam combustíveis líquidos apresentam muitas vantagens em relação aos combustíveis sólidos. As funções e a estrutura interna dos dois são muito diferentes. No caso da propulsão a combustível líquido, o propulsor e o oxidante são armazenados em um recipiente fora da câmara de combustão. Quando misturados na câmara, inflamam-se e são expelidos pelo bocal em altíssima velocidade, empurrando a peça de trabalho.
As principais vantagens são:
A ignição pode ser interrompida.
A ignição pode ser reativada.
A ignição pode ter aceleração e desaceleração.
O controle de ignição pode ser executado com precisão.
Câmara de combustão extremamente leve, permitindo maior carga útil do motor.
As principais desvantagens são:
O sistema possui peças móveis, válvulas, etc.
Para a eficácia do controle refinado, o nível de sofisticação técnica é muito alto.
Devido ao nível de complexidade, o sistema é propenso a falhas e possíveis defeitos inesperados.
De um modo geral, eles não são tão seguros quanto as unidades de combustível sólido.
Os combustíveis líquidos mais comuns usados para impulsionar artefatos são hidrazina e hidrogênio líquido, que são bombeados para a câmara de combustão separadamente do oxigênio. A hidrazina é usada principalmente para pequenas correções de trajetória por micro-hélices. O hidrogênio líquido é usado em propulsores maiores.
A propulsão a combustível híbrido
É um foguete onde o propulsor e o oxidante estão em diferentes câmaras e em diferentes estados: líquido/sólido ou gás/sólido. É o meio termo entre a propulsão sólida e a propulsão líquida. Atualmente, está em versão beta em países como os EUA e o Brasil. A SpaceShipOne (a primeira espaçonave privada) usa esse método de propulsão.
A propulsão nuclear
A propulsão nuclear é um processo que envolve materiais de alta tecnologia e controle de reações. Ainda é usado apenas experimentalmente e é um grande risco para o meio ambiente. O Instituto de Tecnologia de Massachusetts pesquisa motores para propulsão nuclear desde a década de 1960.
O processo de fussão, no qual um núcleo pesado contendo pilhas de urânio absorve nêutrons e se divide em dois fragmentos de aproximadamente a mesma massa. Essa reação libera muita energia e muitos nêutrons que colidem com outros núcleos pesados e causam sua fissão. A repetição desse processo cria uma reação em cadeia na qual bilhões de núcleos são fissionados em uma fração de segundo. O combustível é então bombeado através de perfurações no núcleo, superaquecido e expelido através de bicos, ganhando extrema velocidade e produzindo um jato muito rápido que aciona a peça, esse jato é extremamente radioativo, portanto seu uso na Terra é proibido.
A fusão
Para a mesma quantidade (massa) de combustível nuclear, o processo de propulsão de fusão produz relativamente (teoricamente) 2 milhões de vezes mais energia do que a fissão.
Tanto quanto se sabe, os sistemas que utilizam a fusão nuclear não foram testados na prática. As possibilidades são apenas teóricas, as simulações são realizadas virtualmente. Estes sugerem que um artefato alimentado por fusão nuclear, por exemplo, convertendo dois átomos de hidrogênio em hélio, deveria usar baterias propulsoras. Estas serão pequenas bombas de fusão que serão acionadas em uma câmara blindada cercada por um forte campo magnético. O plasma criado pela explosão em velocidades muito altas será direcionado para o bocal e criará uma grande aceleração da peça de trabalho. Assim como a propulsão por fissão, a fusão também seria proibida na Terra.
Antimatéria e gravidade
Supõe-se que o foguete utilizará a energia liberada pela reação entre matéria e antimatéria para atingir sua propulsão. Quanto à propulsão gravitacional, deve-se entender que o espaço está repleto de ondas gravitacionais e, assim como o ambiente aquático em que navega um submarino, uma espaçonave poderá impulsionar essas ondas da direção de sua popa. Velocidade, não com hélices, mas com scramjets. Em teoria, essas espaçonaves também poderiam usar a repulsão gravitacional, ou gravidade, para manobras orbitais, desde que haja corpos celestes próximos, fornecendo movimento para suas respostas.
