Como Funcionam os Foguetes

O Princípio da Retropropulsão

O movimento de um foguete é outra aplicação interessante da terceira lei de Newton e do princípio do momento linear. O foguete expele um jato de gases quentes de sua cauda; esta é a força de ação. O jato de gases exerce, por sua vez, uma força sobre o foguete, impelindo-o para frente; é a força de reação. Neste caso, o processo é chamado tecnicamente de retropropulsão, o qual é obtido nos foguetes atuais através da conversão de uma forma de energia em outra num processo químico chamado combustão.

Os motores dos foguetes trabalham utilizando uma mistura de compostos, ou reagentes, químicos. Um propelente é um material cujo consumo pode envolver ou não uma reação química. Ele pode ser um gás, líquido, plasma ou, antes de ocorrer a reação química, um sólido. O termo propelente de foguete é também usado pelo fato de que muitos foguetes também incorporam um oxidante ao seu sistema de combustível. Um motor de foguete pode usar propelente sólido, líquido ou uma mistura de ambos.

Substâncias que possuem a habilidade de “oxidar” outras substâncias são conhecidas como oxidantes, ou agentes de oxidação. Em outras palavras, o oxidante remove elétrons da substância.

Substâncias que têm a habilidade de “reduzir” outras substâncias são chamadas redutores, ou agentes de redução. Ou seja, o redutor transfere elétrons para a substância.

Reações de Redox (oxi-redução) incluem todos os processos químicos nos quais átomos têm seu número de oxidação alterado, como, por exemplo, a combustão do carbono para formar o dióxido de carbono. A palavra redox vem dos conceitos de redução e oxidação. Estes dois termos aparecem juntos, pois numa reação química, qualquer um dos dois não pode ocorrer sem a presença do outro; elétrons perdidos por um composto devem ser ganhos por um outro.

A combustão de propelentes num foguete é um exemplo de reação de redox. Ela é iniciada entre o combustível e o oxidante na câmara de combustão, gerando energia no processo e produzindo um gás aquecido. Este gás sofre expansão, pressionando de forma desigual as paredes da câmara, provocando uma força de reação sobre o foguete. Esta força recebe o nome de empuxo, T, que é definido como:

onde o momento linear do gás, q, é dado por q = m v, sendo m a massa do gás e v a sua velocidade de exaustão. A razão m/t, com t sendo o tempo de combustão dos propelentes é a razão de variação de massa,

Assim, o empuxo é o resultado do desequilíbrio das forças de pressão atuando dentro do motor. Essas forças estão em equilibro radialmente à direção do vetor empuxo, mas não axialmente; a componente do empuxo devida ao momento linear do gás tem origem na força que age sobre a parte superior da câmara de combustão, porém ela não é balanceada por uma força oposta na outra extremidade do motor. Os gases produzidos na reação de combustão são acelerados a velocidades supersônicas por meio de uma tubeira, ou bocal, do tipo convergente-divergente (De Laval), localizada na cauda do foguete. Ao passar pela tubeira, o gás assume a forma de um jato em alta velocidade, mas com pressão e temperatura menores, já que a energia térmica é convertida em energia cinética. A figura 1 apresenta um diagrama esquemático do processo descrito acima.

Figura 1

Uma outra fonte de empuxo é gerada pelo desequilíbrio das forças de pressão normais à seção divergente da tubeira. Na figura 1 vemos a pressão externa (patm) distribuída sobre uma típica câmara de empuxo, também chamada de envelope-motor. Quando essas forças de pressão são somadas, todas elas se anulam, exceto aquelas que atuam diretamente sobre a saída da tubeira, chamada divergente. Combinando os empuxos devidos ao momento linear e à pressão obtemos a equação de empuxo do foguete:

onde ve é a velocidade de exaustão (ejeção) dos gases pela tubeira, po é a pressão no divergente e Ao é a área do divergente.

Velocidade de Propulsão do Foguete

Um foguete pode obter um grande empuxo de duas maneiras: (1) consumindo uma grande quantidade de propelente lentamente ou (2) consumindo uma pequena quantidade de propelente rapidamente. O impulso específico, Isp, é o parâmetro do motor que indica o empuxo obtido pelo consumo de uma determinada quantidade de propelente. Analogamente, podemos dizer que o impulso específico de um sistema de propulsão é o impulso (variação no momento linear) por unidade propelente. Matematicamente:

Dimensionalmente, o impulso específico é dado na unidade de tempo. O significado disto é o seguinte: se um propelente tem um impulso específico de, digamos, 300 segundos, então a combustão de 1kg de propelente produzirá um empuxo de (a) 3kN em 1 segundo de combustão ou (b) 9,81N em 300 segundos de combustão.

Podemos definir a velocidade de propulsão do foguete, V, como sendo:

onde mi é a massa inicial do foguete e mf a massa final do foguete e loge é o logarítimo natural. As massas inicial e final de um foguete estão relacionadas às massas de seus componentes individuais da seguinte maneira:

onde onde mst é a massa do veículo em kg excluindo o propelente e a carga útil, isto é sua massa estrutural, mpr é a massa de propelente necessária em kg e mul é a massa da carga útil, definida como qualquer equipamento, sistema ou ser vivo que desejamos transportar até o espaço para realizar uma missão específica. A razão mi/mf recebe o nome de razão de massa do foguete.

A velocidade de propulsão é determinada no momento do lançamento, quando os reservatórios de propelente do foguete estão cheios. Se a ação da gravidade não tivesse efeito sobre o veículo, e este não consumisse seus reservatórios, aquela seria a velocidade de vôo. Entretanto, à medida que os propelentes são queimados, o peso do foguete torna-se menor, significando que o peso que o motor deve impulsionar é cada vez menor. Como resultado, temos que a aceleração do veículo aumenta gradativamente a partir do lançamento. Neste caso, se também pudéssemos eliminar a massa estrutural, poderíamos atingir uma grande velocidade final de propulsão. De fato, esta eliminação de peso pode ser conseguida durante o vôo, através de uma técnica denominada separação de estágios (staging).

Um foguete multiestágios consiste, geralmente, em um certo número de foguetes acoplados uns sobre os outros que são descartados seqüencialmente à medida que seus propelentes são consumidos. Assim, cada estágio inicia seu movimento com uma velocidade inicial igual à velocidade final do estágio anteriormente descartado. Exemplos de foguetes multiestágios são mostrados na figura 2.

Figura 2

Os satélites artificiais são colocados em órbita da Terra com a ajuda de foguetes multiestágios. O lançamento de um satélite ou espaçonave consiste em uma fase propulsiva (powered flight), na qual a carga é elevada acima da atmosfera e acelerada à velocidade orbital pelo foguete lançador. Esta fase é encerrada com o acionamento, ou ignição (burnout), do último estágio do veículo e separação da coifa, ou cone, principal quando tem início, então, o vôo inercial (free flight). Nesta fase do vôo, o satélite e seu conjunto de motores estão submetidos, numa primeira aproximação, à força gravitacional da Terra apenas. À medida que ele se afasta da superfície, contudo, sua trajetória é afetada pela atração de outros corpos celestes, como o Sol e a Lua. Uma representação esquemática do lançamento de um satélite por um foguete de dois estágios é mostrada na figura 3.

Figura 3

O foguete é impulsionado durante as fases de lançamento e de propulsão. Entretanto, é nesta última fase, com duração de apenas alguns minutos, que a orientação do vetor empuxo deve ser controlada por seu sistema de guiamento. O objetivo principal de um sistema de controle em um foguete é estabelecer ações de controles sobre ele, através da determinação de seus parâmetros de vôo, de modo que ele possa se deslocar segundo uma certa trajetória, consumindo um mínimo de energia de seu sistema de propulsão e permitindo a colocação de sua carga útil em órbita. A atitude, ou direção de vôo, do veículo é controlada em relação a três eixos principais: vertical, lateral e longitudinal, todos perpendiculares entre si e mostrados na figura 4. O vertical é chamado de eixo de guinada, o lateral de eixo de arfagem e o longitudinal de eixo de balanço, ou rolamento. Se o foguete tiver de permanecer estabilizado segundo uma certa trajetória, dispositivos em seu interior devem ser capazes de detectar, medir e corrigir erros de guinada e arfagem no sentido de manter o nariz do foguete sempre apontado para a direção da trajetória.

Figura 4

Tipos de Motores

Um motor de foguete a propelente líquido é geralmente concebido para fornecer um empuxo constante e, portanto, operar com pressão na câmara de combustão fixa. Os foguetes que utilizam sistemas de propulsão a propelentes líquidos são formados pelos seguintes componentes: (i) uma ou mais câmaras de empuxo, (ii) sistema de alimentação de propelentes e (iii) sistema de controle. O objetivo do sistema de alimentação, ou escoamento, é a transferência dos propelentes de seus reservatórios para a câmara de combustão. Basicamente, há dois modos principais de realizar tal tarefa, mostrados nas figuras 5(a) e 5(b).

Figura 5a

Figura 5b

No sistema alimentado por pressão (a), os propelentes são empurrados em direção da câmara por um gás inerte (p. ex., hélio) sob alta pressão. O empuxo obtido por um tal sistema é determinado pelo nível de escoamento de propelente controlado pelo dispositivo regulador de pressão do gás. Para empuxos pequenos (4,5-4.500 N) e de curta duração (10ms), como acontece nos foguetes de manobra, este sistema é o mais recomendado. No sistema alimentado por turbobombas (b), os propelentes são direcionados para a câmara através de bombas, cuja função é aumentar a pressão dos propelentes. Gases aquecidos são produzidos pelo redirecionamento de uma parte dos propelentes até um gerador em separado, que consiste em uma pequena câmara, onde sofrem combustão. Em geral, a bomba e a turbina são montadas juntas formando um conjunto chamado turbobomba. Este sistema é recomendado para empuxos grandes e de longa duração.

O foguete a propelente sólido, conhecido como SRM (Solid Rocket Motor), constitui um sistema relativamente simples, como se vê pela figura 6.

Figura 6

Um SRM típico consiste dos seguintes elementos:

1. Ignitor

• Dispositivo responsável pelo fornecimento de energia suficiente para o início da combustão do propelente sólido.

2. Envelope-Motor

• Vazo de pressão que contém o propelente sólido e retém a pressão de combustão.

• É fabricado de titânio, ligas de alta resistência ou fibra de vidro bobinada.

3. Saia de Empuxo

• Conecta o envelope-motor à estrutura do foguete.

• Transfere a carga de empuxo para o veículo.

4. Grão

• Contém combustível e oxidante granulados presos a uma matriz aglutinante de borracha.

• Combustíveis típicos: metais pulverizados.

• Oxidantes típicos: perclorato de amônia e nitrato de amônia

• Aglutinante típico: polibutadieno

5. Câmara de Combustão

• É um orifício de escape para os gases provenientes da queima do propelente.

• O propelente, quando ignitado, queima de maneira homogênea, contínua e controlada.

• Fornece a área superficial para a combustão do propelente; quanto maior a área, maior a pressão da câmara e o nível de empuxo.

• O formato da câmara (estrela, cilíndrico, etc.) determina a área de queima durante o tempo de combustão.

6. Tubeira

• Controla a expansão dos gases provenientes da câmara.

• É fabricada de materiais resistentes ao calor e à corrosão, como carbono/carbono e carbono fenólico.

• Os principais parâmetros são: razão de expansão e meio-ângulo de cone.

7. Isolante Interno

• Protege o envelope-motor das altas temperaturas de combustão.

• Possui baixa condutividade térmica para reduzir transferência de calor para a estrutura do veículo.

• É formado por material ablativo, o qual dissipa o calor.

O conceito de foguete a propelente híbrido, ou seja, aquele que utiliza uma combinação dos propelentes sólido e líquido, surgiu na década de 1930 na Alemanha. Este tipo de motor trabalha com oxidantes líquidos e combustíveis sólidos. O arranjo do grão é similar ao de um foguete a propelente sólido; entretanto, nenhuma combustão acontece diretamente sobre a superfície daquele em virtude da falta do oxidante. Ao invés disso, o combustível é aquecido, decomposto e vaporizado, de modo que é o vapor liberado que reage com o oxidante líquido, porém longe da superfície do grão. O flúor líquido, o peróxido de hidrogênio, o trifluoreto de cloro e o tetraóxido de nitrogênio podem ser utilizados como oxidantes, enquanto que os combustíveis mais recomendados são os hidrocarbonetos sólidos, o alumínio em pó e o metal híbrido do berílio.

Unidades de Medida:

• Força: newton (N)
• Velocidade: metros por segundo (m/s)
• Massa: quilograma (kg)
• Tempo: segundo (s)

Fonte:

Propulsão e Controle de Veículos Aeroespaciais, Emerson F. C. Paubel, EDUFSC, 2002.