Mandamos Foguetes para o espaço!

Por: Marcos Diego Lopes

Essa história começou a ser desenvolvida no início do século XX, com o estudo de viabilizar viagens espaciais. Três homens o americano Robert Goddard, o alemão Hermann Oberth e o russo Kostantin Tsiolkovsky. Apesar de terem a mesma idéia de mandar foguetes ao espaço, eles nunca se encontraram e foram ignorados pela comunidade científica da época.

Em 1926, Goddard testou o primeiro motor de foguete movido a combustível líquido. O motor usava gasolina e oxigênio líquido.

Figura 1:Goddard e seu foguete. Fonte: www.techtudo.com.br

Logo em 1929, Oberth explicou como foguetes poderia escapar a força gravitacional da Terra. 

Já Tsiolkovsky, foi um cientista russo pioneiro no estudo dos foguetes e da cosmonáutica. Foi um dos principais representantes do movimento filosófico russo conhecido como Cosmismo, surgido no início do século XX. Tsiolkovsky foi o primeiro a calcular que a velocidade de escape da Terra para órbita era de 8 km/segundo e que para atingir esta, era necessário um foguete de múltiplos estágios utilizando oxigênio líquido e hidrogênio líquido como propelentes.

Porém, só em 1942, um aluno de Oberth, o alemão  Werhner Von Braun conseguiu desenvolver o primeiro foguete com objetivos militares na segunda guerra mundial. O Foguete V2 – alemão (cujo nome código era A4), e funcionava basicamente com álcool e oxigênio líquido.

  

Figura 2: Foguete alemão V2. Fonte: http://www.warphotostore.com/

Os foguetes de propulsão química são os meios mais utilizados para colocar objetos na órbita terrestre.

Definindo propulsão, como sendo a forma que se pode acelerar ou alterar o repouso de um corpo, através de energias internas, transportando os combustíveis (armazenados em tanques).

Para que aconteça a propulsão química, deve haver  a interação de um combustível e um oxidante, formando o propelente que irá liberar energia decorrente da sua queima.

A reação química dos propelentes transforma a energia contida nas ligações químicas das moléculas dos propelentes em energia cinética da matéria ejetada (produtos da combustão). A temperatura dessas reações varia, geralmente, entre 2.000 e 4.000ºC e os produtos são ejetados através de uma tubeira, ou bocal, em velocidades supersônica que variam de 1.800 a 4.300 m/s.

Os diversos processos de propulsão química se classificam conforme os propelentes sejam sólidos, líquidos, gasosos ou híbridos.

Propulsão Sólido

Os propelente sólidos são produtos químicos, na forma de uma massa sólida das mais variadas configurações e de diversos tamanhos, que produzem gases em alta pressão.

Um propelente sólido deve possuir obrigatoriamente combustível (resinas orgânicas, polímeros...) e oxidante (nitratos, percloratos...), contudo alguns componentes podem ser adicionados para melhorar as características da queima: 

- Compostos Químicos combinados (nitro-celulose ou nitroglicerina);

- Aditivos Inibidores (controlar processo de produção, taxa de combustão, etc.);

Além da forma geométrica do núcleo que permite restringir a superfície de combustão variando o comportamento e o empuxo do motor durante a queima;

Propelentes Líquidos

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 de combustão, produz os gazes da queima que são expelidos em altíssima velocidade pelo bocal, impulsionando o foguete.

Diversos tipos de pares propelentes são utilizados com vantagens e desvantagens relativos. As principais vantagens se encontram no controle da ignição e a câmara de combustão é leve.

Um dos propelentes clássico que se utiliza é a hidrazina (N2H4), que se decompõe em presença de um catalisador, produzindo nitrogênio, hidrogênio e amônia e elevando a temperatura do sistema acima de 800ºC (utilizados em micropropulsores) ou hidrogênio líquido que são os combustíveis (utilizado em propulsores de maior porte) se juntando ao oxigênio líquido (função de oxidante).

Figura 3: Propulsão Líquida e Sólida. Fonte: http://media.escola.britannica.com.br

Propulsão Gasosa

É a forma mais simples de se obter empuxo. Normalmente é constituída por um reservatório contendo gás armazenado a alta pressão, que é liberado para a atmosfera. Portanto, seu funcionamento independe de reação química. É extremamente simples e confiável, porém com relação peso/empuxo bastante desfavorável. Só é utilizado em casos bem específicos.

Propulsão híbrida

É o foguete em que propelente e oxidante estão em câmaras separadas e em estados diferentes: líquido/sólido ou gasoso/sólido. É o meio-termo entre a propulsão sólida e a propulsão líquida. A SpaceShipOne (a primeira nave espacial particular) utiliza este tipo de propulsão.

Figura 4: foguete SpaceShipOne. Fonte: http://www.qualidadeaeronautica.com.br

É importante que os propelentes atendam algumas características desejáveis como, segundo Porto (2007) deverão:

a) Alta liberação de energia química leva a alta performance e por conseqüência a altos valores de temperatura de chama e impulso específico;

b) Baixo peso molecular dos produtos da combustão é desejável por aumentar o valor do Impulso específico;

c) O propelente precisa ser estável por um longo período de tempo e não deve deteriorar-se quimicamente ou fisicamente durante a estocagem;

d) Alta densidade do propelente sólido permite o uso de uma câmara de menor volume e logo uma câmara mais leve;

e) O propelente não pode ser afetado pelas condições atmosféricas;

f) O propelente deve ter sua temperatura de auto-ignição  relativamente alta e ser estável ao impacto;

g) O propelente deve apresentar alta resistência mecânica em particular as de tração, compressão e cisalhamento, qualidades adesivas e módulo de elasticidade e alongamento;

h) Um coeficiente de expansão térmica que combine com o material da câmara ira minimizar a movimentação relativa entre os dois componentes e a tensão térmica do propelente estocado;

i) A composição do propelente deve ser quimicamente inerte durante a estocagem e operação.

REFERÊNCIAS

Artigo: PORTO, Bruno Ferreira. TEORIA, METODOLOGIA DE PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE MOTORES FOGUETE A PROPELENTE SÓLIDO E FOGUETES EXPERIMENTAIS, Curitiba – 2007;

http://www.lcp.inpe.br/Plone/LCP/linhas-de-pesquisa/propulsao-1<09-2014>;

http://www.cdcc.sc.usp.br/cda/sessao-astronomia/seculoxx/textos/foguetes-e-satelites.htm <09-2014>;

www.astro.iag.usp.br <09-2014>;