Foguete Espacial

Um foguete   espacial é   uma máquina que se desloca expelindo atrás de si um jato de gás a   alta   velocidade,   o   foguete,   então, desloca-se   no   sentido   contrário   com velocidade   tal   que,   multiplicada   pela massa do foguete, tem o mesmo valor da velocidade   do   gás   expelido   multiplicada pela massa total do gás. 

Por extensão, o veículo que possui motor ou   motores   de   propulsão   deste   tipo   é denominado foguete ou míssil.

  Normalmente,   o   seu   objetivo   é   enviar objetos (especialmente satélites  artificiais e sondas espaciais)  e/ou naves espaciais e homens ao espaço.

Um   foguete   é   constituído   por   uma estrutura, um motor de propulsão e uma carga útil. A estrutura serve para abrigar os tanques de combustível e oxidante (oxigênio puro ou outro composto com o mesmo efeito) e a carga útil. Chama-se também "foguete" ao motor de propulsão apenas. 

Existem várias formas de forçar os gases de escape   para   fora   do   foguete   com   energia suficiente   para   conseguir   propulsionar   o foguete   para   frente   (i.e.,   vários   tipos   de motores   de foguete).   O   tipo   mais   comum, que   inclui   todos   os   foguetes   espaciais   que existem atualmente e que voaram até hoje, são   os   chamados   foguetes   químicos,   que funcionam   libertando   a   energia   química contida   no   seu   combustível   através   de processo   de   queima   desse   combustível dentro de uma câmara chamada de Câmara de Combustão. Estes foguetes necessitam de transportar também um oxidante para poder queimar   o   combustível  mesmo   em   regiões sem ar,   fora  da  atmosfera.  Como  resultado dessa  queima  é   produzida  uma  mistura  de 

gases  muito  quentes   e   em  alta   preção.   Esta  mistura   de   gases   sobre   aquecidos   é   depois 

liberada por um bocal de escape, também conhecida como Tubeira de Laval, Tubo de Bell ou simplesmente   tubeira,   direcionando   o   gás   em   expansão   para   trás,   e   assim   conseguir propulsionar o foguete para a frente.

Existem no entanto outros tipos de motor, por exemplo os motores nucleares térmicos, que sobre aquecem um gás até altas temperaturas através de uma reação nuclear controlada. Esse gás é depois expandido na tubeira tal como nos foguetes químicos. Este tipo de foguete foi desenvolvido e testado nos Estados Unidos durante a década de 60 do século passado, mas nunca chegou a ser utilizado. Os gases expelidos por este tipo de foguete são radioativos (nos modelos mais antigos desses motores), o que desaconselha o seu uso dentro da atmosfera terrestre, mas podem ser utilizados fora dela. Este tipo de foguete tem a vantagem de permitir eficiências muito superiores às dos foguetes químicos convencionais, uma vez que permitem acelerar os gases de escape a velocidades muito superiores. Atualmente é a Rússia que se destaca no desenvolvimento dos motores nucleares térmicos, recuperando o antigo programa espacial soviético.

Historia

A origem do foguete é provavelmente oriental. A primeira notícia que se tem do seu uso é do ano 1232, na China, onde foi inventada a pólvora usada a princípio em fogos de artifício como entretenimento, e mais tarde usado para uso bélico ofensivo.

Existem  relatos  do  uso  de   foguetes   chamados flechas  de   fogo   voadoras no século  XIII,   na defesa da capital da província chinesa de Henan devido a constantes invasões mongólicas na fronteira ocidental do Império.

Os foguetes foram introduzidos na Europa pelos árabes,  tornando a ser usado em conflitos europeus logo após a Guerra dos Cem Anos.

Durante   os   séculos XV e XVI foi   utilizado   como   arma incendiária. Posteriormente, com o aprimoramento da artilharia, o foguete bélico desapareceu até ao século XIX,   e   foi   utilizado   novamente   durante   as Guerras Napoleônicas.

Os foguetes do coronel inglês William Congreve foram usados na Espanha durante o sítio de Cádiz (1810), na primeira guerra   Carlista (1833 - 1840)   e   durante   a Guerra do Marrocos (1860).

Nos   finais   do século   XIX e   princípios   do século   XX, apareceram os primeiros cientistas que viram o foguete como   um   sistema   para   propulsionar veículos aeroespaciais   tripulados.   Entre   eles   destacam-se   o russo   Konstantin   Tsiolkovsky,   o   alemão   Hermann 

Oberth  e o americano Robert  Hutchings  Goddard,  e,  mais   tarde os   russos Sergei  Korolev e Valentin Gruchensko e o alemão Wernher von Braun.

Os foguetes construídos por Goddard, embora pequenos, já tinham todos os princípios dos modernos foguetes, como orientação por giroscópios, por exemplo.

Os alemães,   liderados   por Wernher   von   Braun,   desenvolveram durante   a Segunda  Guerra  Mundial os   foguetes V-1 e V-2 ,   que foram   a   base   para   as   pesquisas   sobre   foguetes   dos Estados Unidos   e   da  URSS  no  pós-guerra.   Ambas   as   bombas  nazistas, usadas   para   bombardear   Paris   e   Londres no   final   da   guerra, podem ser  mais  bem definidas  como míssil.  A  rigor,  a  V-1 não chega a ser um foguete, mas um míssil que voa com propulsão de avião a jato.

Inicialmente   foram   desenvolvidos   foguetes   especificamente destinados   para   uso   militar,   normalmente   conhecidos   como mísseis  balísticos  intercontinentais.  Os programas espaciais  que os americanos e os russos colocaram em marcha basearam-se em foguetes projetados com finalidades próprias para a astronáutica, derivados   destes   foguetes   de   uso  militar.   Particularmente   os foguetes  usados no programa espacial   soviético eram derivados do R.7, míssil  balístico, que acabou sendo usado para lançar as missões Sputnik.

Destacam-se, pelo   lado   americano,   o   Astrobee, o Vanguard,   o Redstone,   o Atlas,   o Agena, o Thor-Agena,   o Atlas-Centaur,   a   série Delta, os Titan e Saturno (entre os quais o Saturno V   -  o  maior   foguete  de  todos  os tempos,   que   tornou   possível o programa Apollo),  e,  pelo  lado soviético, os foguetes designados pelas letras A, B, C, D e G (estes dois últimos tiveram um papel semelhante   aos   Saturnos   americanos), denominados Proton.

Outros   países   que   construíram   foguetes, num   programa   espacial   próprio,   são   a França, o Reino Unido (que o abandonou), e ainda China, Japão, Índia e o Brasil assim como o consórcio europeu que constituiu a Agência   Espacial   Européia   (ESA)   que construiu e lançou o foguete Ariane.

Principio de funcionamento

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 sentido contrário", ou seja, se você empurra um objeto em uma direção esse objeto te empurra com a mesma força na direção contraria.

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.

Como no espaço exterior não há oxigênio para queimar com o combustível, o foguete deve levar armazenado em tanques não só o propelente (combustível),  mas também o oxidante (comburente).

A magnitude do empuxo produzido (expressão que designa a força produzida pelo motor de foguete)  depende da massa e da velocidade dos gases expelidos pelo bocal.  Logo, quanto maior   a   temperatura  dos  gases  expelidos,  maior  o  empuxo.  Assim,   surge  o  problema  de proteger a câmara de combustão e o bocal das altas temperaturas produzidas pela combustão. Uma maneira engenhosa de fazer isto é usar um fino jato do próprio propelente usado pelo foguete nas paredes do motor, para formar um isolante térmico e refrigerar o motor.

Tipos de foguete

Quanto ao tipo de combustível usado, existem três tipos de foguete:

Foguete de combustível líquido -  em que o propelente e o oxidante estão armazenados em tanques fora da câmara de combustão e são bombeados e misturados na câmara onde entram em combustão. Apesar de ter uma construção complicada, esse tipo de motor de foguete é o mais  utilizado em foguetes modernos devido à capacidade de controlar  quanto empuxo o motor vai  gerar alem de ser possível  escolher desligar  o motor em caso de segurança.  Os motores da bomba V-2  eram desse tipo,  queimando álcool  etanol  e  oxigênio   líquido.  Nos motores   atuai   o   combustível   mais comum   é   o   hidrogênio   e   oxigênio líquido,   embora   existam   projetos desenvolvendo  motores   que   utilizem combustíveis  mais   baratos   e   seguros que   o   hidrogênio   líquido   (que   é altamente   explosivo   e   difícil   de armazenar). 

Foguete de combustível sólido -   em que   ambos,   propelente   e   oxidante, estão   já   misturados   na   câmara   de combustão   em estado   sólido.   O combustível  sólido mais  antigo utilizado era a pólvora  (que ainda é  utilizada  em  foguetes artesanais). Esse motor é de construção mais fácil que os de combustível líquido, porem são muito perigosos já que uma vês  iniciada a queima o motor não pode ser parado. O Brasil domina tecnologia de motores de combustível sólido avançados, utilizando essa tecnologia em foguetes de sondagem (que voam em baixa  altitude  sem entrar  em orbita)   e   no   projeto   do   foguete VLS-1.  Nesse  ultimo um acidente, onde   um   dos   motores   de combustível   sólido   iniciou   a queima   ainda   na   plataforma   de testes, causou a perda do foguete, da   plataforma   e   de   dezenas   de técnicos, desde então o Brasil vem desenvolvendo   os   motores   de combustível   líquido   como   um substituto mais seguro.

Foguete de combustível híbrido - em que propelente e oxidante estão em câmaras separadas e em estados diferentes: líquido/sólido ou gasoso/sólido. Atualmente encontra-se em estado de testes em países como EUA e Brasil. Pode-se utiliza uma boa variedade de combustíveis para esse sistema de motores, os mais comuns são misturas de borrachas especiais e parafinas (cera   de   vela).   Esses   motores   são   bastante   promissores,   já   que   utilizam   combustíveis relativamente  baratos   e   fáceis   de   armazenar,   combinado   a   simplicidade  dos  motores   de combustível sólido com a segurança dos motores de combustível líquido.

Quanto ao número de estágios, um foguete pode ser:

Foguete de um estágio -   neste   caso   o   foguete   é "monolítico",  ou   seja,   com um único  motor  ou  um único conjunto de motores, que queima durante todo o processo de   lançamento.  O   foguete  V-2  tinha   somente  um estagio com um único motor. 

Foguete de múltiplos estágios -   possui  múltiplos  estágios, cada um com o seu próprio conjunto de motores e tanques de combustível, que vão queimando em seqüência e sendo descartados   quando   o   combustível   acaba,   permitindo aumentar  a  capacidade de carga  do  foguete.  O Saturno-V americano  possuía   três  estágios  e  os  protótipos  do  VLS-1 

brasileiro possuía quatro estágios. A maioria dos foguetes de maior porte atuais tem entre dois estágios para os menores e três ou quatro nos maiores. 

O futuro

O foguete convencional deverá passar por alguns avanços nos próximos anos, embora ainda deva ser o maior responsável, por   muito   tempo,   pelo   envio   de astronautas e   satélites artificiais ao espaço.

A   adoção   de   veículos   reutilizáveis,   como   o   Ônibus Espacial da NASA,   deve   ampliar-se.   Os   Ônibus   Espaciais decolavam como um foguete convencional,  mas pousavam 

como aviões, graças à sua aerodinâmica   especial.   O uso  desse  tipo  de  veiculo pode ajudar também a reduzir o problema do lixo espacial.

Um   motor   revolucionário,   que   pode   fazer   avançar   a tecnologia   astronáutica,   é   o   motor Scramjet,   capaz   de 

atingir velocidades hipersônicas de até 15 vezes a velocidade do som. O motor Scramjet não possui  partes móveis,  e obtém o oxigênio necessário comprimindo o ar da atmosfera pela própria velocidade do veículo no ar, podendo assim reduzir o peso dos primeiros estágios de um veiculo espacial.

Outra possibilidade de avanço na tecnologia de motores de foguetes é o uso de propulsão nuclear,  em que  um reator  nuclear aquece  um gás  produzindo um  jato  que é  usado  para produzir empuxo. 

Esses  motores   foram   desenvolvidos   nos EUA desde os anos 60 (com motores de nome   NERVA)   e   quase   chegaram   ao estagio   de   estarem   prontos   para   uso, porem   foram   abandonados   devido   à preocupação   publica   do   uso   de   energia nuclear em foguetes. Atualmente a Rússia esta trabalhando no desenvolvimento de motores desse tipo e os EUA também têm dado   sinais   de   querer   retomar   os   seus projetos.

Como este foguete não retira energia da queima  do   combustível   e   sim  do   reator nuclear,   o   foguete   nuclear   não   precisa carregar oxigênio.  O motor nuclear pode também produzir  gases  em temperatura bem mais alta que os foguetes químicos, aumentando por tanto a velocidade de saída dos gases do motor. Esses dois fatores combinados fazem com que o foguete nuclear necessite de apenas metade do combustível de um foguete a combustão, dando assim origem a foguetes menores, mais leves, mais potentes e, portanto, mais baratos. 

Motores foguete para uso no espaço

Todos os sistemas de propulsão discutidos até agora são elaborados principalmente para uso dentro da atmosfera da Terra, permitindo que cargas de algumas centenas de quilogramas até algumas toneladas (comparadas com os vários milhares de quilogramas do  foguete em si) alcancem a órbita terrestre. 

Os principais motivos para ser necessário foguetes potentes para enviar para o espaço cargas relativamente pequenas, é o fato de a Terra possuir gravidade relativamente forte e atmosfera grossa, lançar foguetes da Lua seria muito mais fácil. 

Como vimos antes a gravidade funciona partícula e objetos com massa uns para os outros, isso incluindo pessoas, objetos e os foguetes para junto da Terra. A fim ganhar distância do planeta é necessário que o objeto se mova a uma velocidade mínima, por exemplo, para um objeto voar na órbita baixa é necessário velocidade próxima de 27000km/h. Outras distâncias exigem velocidades diferentes até que o objeto esteja longe o bastante para não ser mais afetado pela gravidade  da Terra.  No entanto  objetos  se  movendo dentro  de  uma atmosfera planetária como a  da  Terra sofrem efeito  de  resistência  do ar   (você   já  deve ter  experimentado   isso abrindo a janela de um carro em alta velocidade), sendo que essa resistência aumenta quanto maior a sua velocidade.

Dito  isso a maior  parte da capacidade de um foguete é gasta para percorrer  as primeiras dezenas de quilômetros de altura até as camadas mais altas e rarefeitas (como menos ar) da atmosfera da Terra.

Uma vez no espaço é bem mais fácil se movimentar e naves espaciais não precisão de motores tão potentes. Nesse caso, motores foguete que gastam pouco combustível para movimentar a nave espacial é mais importante (levar muito combustível para o espaço é muito caro).

Como já vimos, a capacidade de propulsão de um foguete esta ligada à quantidade de gás que é liberada e à velocidade do gás, portanto para ter um foguete que gasta pouco combustível é necessário produzir um jato de gás mais rápido.

Na atualidade os dois projetos mais avançados e utilizados em algumas sondas espaciais de teste utilizam eletricidade para produzir um jato de gás, na forma de gás eletrificado e super quente, de dezenas a varias centenas de vezes mais rápidos que o produzido por foguetes químicos. Dessa forma, mesmo com alguns quilogramas de combustível (comparado com os vários milhares de quilogramas de combustível dos foguetes químicos) esses motores podem funcionar por varias horas, até mesmo por vários meses sem parar, produzindo relativamente pouco   impulso,   mas   que   acumulado   ao   longo   do   tempo,   empurra   a   nave   a   grandes velocidades.

Nesses casos os dois modelos mais notáveis são:

Os motores iônicos: Utiliza força elétrica para acelerar o gás sem diretamente aquecer esse gás, por operar por vários meses sem parar, aumentando a velocidade da nave pouco a pouco.

Os motores a plasma (VASIMIR):  Utilizam eletricidade e microondas (como em um forno de microondas) para aquecer gás a temperaturas próximas de 1 milhão de graus Celsius. Depois direcionando esse gás para a boca do motor produzindo um jato muito rápido de gás. Um dos testes no espaço incluem, no futuro, ajudar a correção de orbita da Estação Espacial Internacional.