Motores propulsão dos foguetes

Motores propulsão dos foguetes

COMO FUNCIONA UM FOGUETE

Empuxo e foguetes movidos a combustível sólido

A "força" de um motor de foguete é chamada de empuxo. O empuxo é medido em "libras de empuxo" nos Estados Unidos e em Newtons (N) no sistema métrico (4,45 N de empuxo equivalem a 1 libra de empuxo). Uma libra de empuxo (4,45 N) é a quantidade que seria necessária para manter um objeto de 0,45 kg estacionário contra a força da gravidade da Terra (a aceleração da gravidade, em aproximação grosseira, é de 10 metros por segundo a cada segundo (10 m/s2), ou 36 km/h por segundo. Se você estivesse flutuando no espaço com um saco de bolas de beisebol e atirasse uma bola por segundo à velocidade de 36 km/h, elas estariam gerando o equivalente a quase uma libra de empuxo, ou 4,45 N. Se você atirasse as bolas a 72 km/h geraria quase 9 N de empuxo. Se você as arremessasse a 3.600 km/h (talvez atirando-as por meio de uma máquina), você estaria gerando perto de 45 N de empuxo, e assim por diante.

Um dos problemas curiosos que os foguetes têm é que os objetos que o motor deverá lançar na realidade têm um peso, e o foguete tem que carregar esse peso junto. Então, digamos que você deseje gerar 45 N de empuxo por uma hora, lançando uma bola de beisebol a cada segundo a uma velocidade de 3.600 km/h. Isso significa que você tem que começar com 3.600 bolas de meio quilo (são 3.600 segundos em uma hora), ou 1.800 kg de bolas. Uma vez que você só pesa 50 kg em seu traje espacial, pode ver que o peso de seu "combustível" é muito mais alto que o peso da carga a bordo (você). Na realidade, o combustível pesa 36 vezes mais que a carga a bordo. E isso é muito comum. Essa é a razão porque você tem de ter um foguete gigantesco para lançar uma pessoa no espaço - é necessário carregar muito combustível.

Ônibus espacial

Você pode ver a equação do peso muito claramente no ônibus espacial. Se você já teve a oportunidade de ver o lançamento do ônibus espacial, sabe que existem 3 partes:

a nave espacial

o grande tanque externo

os dois propulsores de foguetes sólidos (SRBs)

A nave espacial pesa 75 mil quilos vazia, o tanque externo pesa 35.500 quilos vazio e os 2 propulsores dos foguetes sólidos pesam 84 mil quilos cada um vazios. Mas é necessário carregá-los de combustível. Cada SRB armazena 500 mil quilos de combustível. O tanque externo armazena 541 mil litros de oxigênio líquido (617 mil quilos) e 1.500.000 litros de hidrogênio líquido (102.500 quilos). O veículo completo - ônibus espacial, tanque externo, propulsores dos foguetes sólidos e todo o combustível - tem o peso total de 2.000.000 quilos no lançamento. 2.000.000 quilos para obter 75 mil quilos em órbita é uma bela diferença. Para ser justo, o ônibus espacial também pode transportar uma carga útil de 29.500 quilos (até 4,5 x 18 metros de dimensão), mas ainda assim é uma grande diferença. O combustível pesa quase 20 vezes mais que o ônibus espacial.

Todo esse combustível está sendo lançado pela parte traseira do ônibus espacial a uma velocidade de quase 9.600 km/h (as velocidades usuais para foguetes vão de 8 mil a 16 mil km/h). Os SRBs queimam por aproximadamente 2 minutos e geram cerca de 15.000.000 de N de empuxo cada um no lançamento. Os 3 motores principais (que usam o combustível no tanque externo) queimam por aproximadamente 8 minutos, gerando quase 1.700.000 N de empuxo cada um durante a combustão.

Foguetes de combustível sólido: mistura de combustívelOs motores para foguetes movidos a combustível sólido foram os primeiros motores criados pelo homem. Inventados há centenas de anos na China,  têm sido muito usados desde então. A frase a respeito do "fulgor vermelho do foguete" mencionada no Hino Nacional dos Estados Unidos (escrito em 1800) refere-se a pequenos foguetes militares movidos a combustível sólido usados para lançar bombas ou dispositivos incendiários. Como você pode ver, os foguetes já são usados há muito tempo.

A idéia por trás de um simples foguete movido a combustível sólido não tem segredos. O que você deseja é criar alguma coisa que queime bem rápido, mas sem explodir. Como você já deve saber, a pólvora explode. A pólvora é feita de 75% de nitrato, 15% de carbono e 10% de enxofre. Com relação a um motor de foguete, você não quer que ele exploda - e sim que a potência seja liberada de maneira uniforme em um determinado período. Portanto, é possível alterar a mistura para 72% de nitrato, 24% de carbono e 4% de enxofre. Nesse caso, no lugar da pólvora, consegue-se um simples combustível para foguetes. Esse tipo de mistura queimará muito rapidamente, e não irá explodir se for carregada adequadamente. Veja abaixo um corte transversal característico:

Foguete alimentado por combustível sólido

I Imediatamente antes e depois da ignição

No lado esquerdo, você tem o foguete antes da ignição. O combustível sólido é mostrado em verde. Ele é cilíndrico, com um tubo furado no meio. Quando você acende o combustível, ele queima ao longo da parede do tubo. Ao queimar, começa pelo lado externo em direção à carcaça até que todo o combustível tenha sido queimado. Em um motor de foguete-modelo ou em uma minúscula garrafa-foguete, a combustão pode durar um segundo ou menos. Em um SBR do ônibus espacial contendo perto de 500.000 quilos de combustível, a combustão demora aproximadamente 2 minutos.

Foguetes de combustível sólido: configuração do canalQuando você lê a respeito dos foguetes de combustível sólido avançados como a carga auxiliar para foguetes movidos a combustível sólido do ônibus espacial (em inglês), freqüentemente lê coisas do tipo:

A mistura do propelente em cada motor de SRB consiste em per clorato de amônia (oxidante, 69,6%, por peso), alumínio (combustível, 16%), óxido de ferro (um catalisador, 0,4%), um polímero (uma liga que mantém a mistura unida, 12,04%) e um agente de cura de epóxi (1,96%). O propelente é uma perfuração em formato de estrela de 11 pontas no segmento do motor à frente e uma perfuração de cone truncado duplo em cada segmento da popa e clausura mento da popa. Essa configuração fornece alto empuxo na ignição e depois reduz o empuxo em aproximadamente um terço 50 segundos após a decolagem, para evitar a sobrecarga do veículo durante a pressão dinâmica máxima.

Este parágrafo discute não apenas a mistura de combustível como também a configuração do canal furado no centro do combustível. A "perfuração em formato de estrela de 11 pontas" pode se parecer com isto:

A idéia é aumentar a área da superfície do canal, ampliando assim a área de combustão e, conseqüentemente, o empuxo. À medida que o combustível queima, o formato se iguala, formando um círculo. No caso dos SRBs, ele fornece ao motor alto empuxo inicial e baixo empuxo na metade do vôo.

Os motores de foguetes movidos a combustível sólido têm 3 vantagens importantes:

simplicidade

baixo custo

segurança

Eles também apresentam 2 desvantagens:

o empuxo não pode ser controlado

uma vez que a ignição foi feita, o motor não pode ser parado nem reiniciado

As desvantagens são que os foguetes movidos a combustível sólido são úteis para tarefas de curto período (como mísseis) ou para sistemas de propulsão auxiliar. Quando há a necessidade de controlar o motor, você deve usar um sistema de combustível líquido.

Princípio de funcionamento do motor de foguete

Motor de foguete

Princípio de funcionamento do motor de foguete: os gases expelidos pelo bocal provocam um movimento para cima por reação

O princípio de funcionamento do motor de foguete baseia-se na terceira lei de Neton, 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.

Impulso

O critério comparativo dos propelentes, ou sistemas propulsores se chama Impulso Específico, ou Isp. Este conceito indica a força propulsora disponível por segundo, fornecida por unidade de massa de propelente consumido.

O Impulso específico é medido em segundos e está relacionado à velocidade média das partículas ejetadas, através da equação . Assim, um Isp de 102 segundos equivale a uma velocidade de 1 km/segundo. Quanto mais alto o impulso específico, menor a massa de combustível necessária para qualquer nível específico de força propulsora.

Para se vencer a gravidade é necessário um sistema de alta força propulsora e que seja muitíssimo acima do peso do artefato. Os principais sistemas propulsores que se pode utilizar neste caso são os chamados foguetes químicos, que podem utilizar combustível líquido e sólido, os foguetes nucleares (experimentais) que utilizam uma tecnologia mais complexa, e os foguetes iônicos que emitem íons (normalmente de xenônio) a altas velocidades.

Os foguetes químicos produzem escapamento por meio de combustão, portanto, devem ter seu próprio suprimento de oxigênio. Os foguetes nucleares podem funcionar por dois tipos de reação, fissão nuclear, ou fusão nuclear.

Propulsão por combustível sólido

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

Um exemplo entre muitos, é a mistura de perclorato de amônio e poliisobutano, utilizados em alguns mísseis terra-ar. Este combustível apesar de seguro e simples, produz um Isp baixo, além da exigência de uma estrutura muito mais pesada e resistente para a câmara de combustão.

Por ser combustível sólido, o único controle possível é a taxa da queima, e esta é determinada pela granulometria do propelente ou da forma da câmara de combustão.

Propulsão por combustível líquido

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 o propelente e o oxidante são 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:

A ignição pode ser parada.

A ignição pode ser reativada.

Pode haver aceleração e desaceleração da 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 controle fino, 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 a hidrazina e o Hidrogénio líquido, que são bombeados separadamente do oxigênio para 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 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. O MIT nos Estados Unidos da América desde a década de 1960, pesquisa um motor para propulsão nuclear.

Fissão

O processo de fissão, onde um núcleo pesado, contendo pilhas de urânio, absorve um nêutron e 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 de propulsão por fusão nuclear comparativamente (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 de hidrogênio em hélio, por exemplo, deveria utilizar células propelentes. Estas seriam minúsculas bombas de fusão, que seriam ignificadas numa câmara blindada e envolta com intenso campo magnético. O plasma gerado 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.

Mecanismos de Lançamento

O lançamento de uma nave espacial, da superfície de um planeta ao espaço, requer especiais cuidados, quanto aos métodos de propulsão empregados. Geralmente falar de alta potência é de vital importância, e muitos dos métodos de propulsão acima não produzem a potência necessária para tal. A toxicidade dos gases produzidos na exaustão ou outros efeitos decorrentes podem poluir o meio ambiente local, proibindo outros métodos de propulsão. Actualmente, apenas foguetes de combustível químico (sólido e liquido),são empregues em lançamentos da Terra. A vantagem de uma nave espacial ser lançada da superfície terrestre é a possibilidade de contar com infra-estruturas de solo. Os mecanismos propostos de infra-estruturas terrestres incluem:

Elevador espacial

Curva Espacial Hipersonica

Catapulta Eletromagnética (Plataforma de carris, coil gun)

Aceleração Balística (Project HARP, ram accelerator)

Propulsão a Laser (Lightcraft)

[editar] Métodos que requerem novos princípios da Física

Adicionados aos anteriores, têm sido consideradas uma variedade de técnicas de propulsão hipotéticas que irão requerer princípios de Física inteiramente inovadores para poderem ser consideradas realizáveis. Posto isto, são na actualidade altamente especulativas:

Alcubierre drive (arp drive)

Buracos de verme

Dobra espacial

Vela diferencial

Disjunction drive

Diametric drive

Pitch drive

Bias drive

Máquinas do tempo

RS Model arp Drives

Métodos de propulsão

Método

Impulso específico(segundos)

Impulso(Netons)

Duração

Métodos de propulsão convencional

Combustível sólido

100-400

103-107

minutos

Combustível híbrido

150-420

minutos

Foguete monopropulsor

100-300

0.1-100

milésimos de segundo - minutos

Foguete bipropulsor

100-400

0.1-107

minutos

Foguete tripropulsor

250-450

minutos

Roda de impulso (apenas controle de posição)

n/a

0.001-100

indefinido

Foguete de propulsão de duplo modo

Air-augmented rocket

500-600

segundos-minutos

Liquid air cycle engine

450

segundos-minutos

Resistojet rocket

200-600

10-2-10

minutos

Arcjet rocket

400-1200

10-2-10

minutos

Hall effect thruster (HET)

800-5000

10-3-10

meses

Propulsor de íons

1500-8000

10-3-10

meses

FEEP (Field Emission Electric Propulsion)

10000-13000

10-6-10-3

semanas

Magnetoplasmadynamic thruster (MPD)

2000-10000

100

semanas

Pulsed plasma thruster (PPT)

Pulsed inductive thruster (PIT)

5000

20

meses

Variable specific impulse magnetoplasma rocket (VASIMR)

1000-30000

40-1200

dias - meses

Foguete térmico solar

700-1200

1-100

semanas

Foguete térmico nuclear

900

105

minutos

Foguete eléctrico nuclear

Utiliza um método de propulsão eléctrica

Vela solar

N/A

9 per km2 (at 1 AU)

indefinido

Mass drivers

N/A

Indefinite

segundos

Tether propulsion

N/A

1-1012

minutos

Tecnologias que requerem maior desenvolvimento da engenharia atual

Vela magnética

N/A

Indefinido

indefinido

Mini-magnetospheric plasma propulsion

N/A

indefinido

indefinido

Reator de fissão gasosa

1000-2000

103-106

Nuclear pulse propulsion (Orion drive)

2000-100,000

109-1012

meia hora

Antimatter catalyzed nuclear pulse propulsion

2000-40,000

dias-semanas

Nuclear salt-ater rocket

10,000

103-107

meia hora

Beam-poered propulsion

A propulsion method poered by beam

Foguete nuclear fotônico

5x106

1-105

anos

Efeito Biefeld-Bron (see also Lifter)

N/A

0.01-1 (currently)

semanas, provavelmente meses

Significativamente além da engenharia actual

Foguete de fusão

Bussard ramjet

Foguete de antimatéria

Redshift rocket

Comentários