Como funcionam os foguetes?

Atualmente estamos presenciando uma nova era em lançamentos de foguetes, não é mais algo raro, é comum vermos até em TV’s abertas notícias de seus lançamentos, mas, nem sempre foi assim. Com a sofisticação dos motores e o estudo de novas áreas voltadas ao ramo, mandar um foguete para o espaço está ficando cada vez mais comum e, digamos que, mais simples. Mas, você já parou para pensar em como eles funcionam?

 

Um pouco de história…

A origem dos foguetes é datada do ano de 1232, na China, onde foi inventada a pólvora. Durante os séculos XV e XVI, foi utilizado como arma incendiária. Só 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.

           Robert Hutchings Goddard e o primeiro voo de foguete propelido a combustível líquido (gasolina e oxigênio), lançado em 16 de março de 1926, em Auburn, em Massachusetts.

 

Entendendo seu funcionamento…

Um foguete, ao ser disparado para o espaço, funciona exatamente como um balão de aniversário. Uma vez cheio, o ar é liberado e então, o balão se desloca no sentido contrário ao da saída do ar. Isso ocorre devido aos foguetes funcionarem baseados na Terceira Lei de Newton, a lei da ação e reação. Essas forças atuantes são iguais em intensidade (módulo) e direção, todavia, tem sentidos contrários.

Analogamente aos balões, que precisam do ar como seu combustível para serem impulsionados, os foguetes também precisam de um combustível. O combustível utilizado por eles é denominado propelente, este é descarregado constantemente na câmara de combustão e são expelidos para trás na abertura traseira do foguete. No entanto, para que a queima do propelente ocorra é necessária a presença de um oxidante – neste caso, oxigênio. A presença de oxigênio é bem rara no espaço, por isso, é imprescindível levar o oxigênio consigo, afim de possibilitar a queima de combustível. Essa expulsão do combustível resulta no deslocamento do foguete para frente.

 

Tendo em vista então que os veículos de transporte espacial adquirem a energia necessária para o seu movimento a partir de um sistema de motor de foguete, isso permite o desenvolvimento de grandes velocidades com a transformação da energia química de seus propulsores em energia cinética.

Mas, qual a velocidade necessária para que um foguete saia da Terra? Bem, quem iniciou o estudo deste tema foi Isaac Newton, por volta de 1660. Ele discutiu o disparo de um grande canhão do topo de uma montanha e previu que se uma fantástica velocidade de disparo de 8 km/seg. pudesse ser algum dia atingida, a bala do canhão circundaria a Terra (como ilustrado na figura abaixo). A partir de então, os estudos sobre lançamentos de satélites foram sendo desenvolvidos até chegar em modelos complexos e rebuscados como os atuais.

Hoje, denominamos a velocidade necessária para sair do planeta Terra, como velocidade de escape, sendo essa, cerca de 11,2 km/seg. Para que essa velocidade altíssima seja alcançada, é preciso muito estudo e análise, principalmente das forças atuantes no lançamento desses veículos.

Fonte: https://i.ytimg.com/vi/zDs5NuUpeEI/hqdefault.jpg

 

Analisando a força sob um foguete…

Quando um foguete se move através da atmosfera terrestre, ele gera no corpo uma força aerodinâmica. Dependendo do sistema referencial pode-se dividir essa força em dois componentes. A respeito do vetor velocidade, as forças resultantes são: força de sustentação e a força de arrasto (força aerodinâmica devido à resistência do ar, que se opõe ao avanço de um corpo).

Voltemos a imaginar agora a analogia com o balão citada acima, quando o ar é expelido do balão irá produzir pressão em todas as direções. Como há uma abertura traseira no balão, por onde escapa o ar, internamente haverá um desequilíbrio de pressão. 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 do balão produzirá empuxo, pois não há pressão no lado de baixo (onde está a abertura).

Assim, o balão, analogamente com 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.

A magnitude do empuxo produzido (expressão que designa a força produzida pelo motor de foguete) depende da massa e da velocidade dos gases expelidos pela abertura do foguete. Logo, quanto maior a temperatura dos gases expelidos, maior o empuxo. Assim, surge o problema de proteger a câmara de combustão e a abertura traseira 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.

A figura abaixo ilustra de uma maneira sucinta as partes internas de um foguete.

 

Fonte: https://petcivilufjf.files.wordpress.com/2012/08/histc3b3ria-dos-foguetes1.jpg

 

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 da NASA, deve ampliar-se. Os Ônibus Espaciais decolam como um foguete convencional, mas pousam como aviões, graças à sua aerodinâmica especial.

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 a compressão necessária para a combustão pelo ar que entra pela frente, impulsionado pela própria velocidade do veículo no ar. A NASA testou com sucesso um motor deste tipo em 2004. O foguete, chamado X-43A, foi levado à altitude de 12 000 metros por um avião B-52, e lançado na ponta de um foguete Pegasus à altitude de 33 000 metros. Ele atingiu a velocidade recorde de 11 000 quilômetros por hora.

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. Ou ainda a ideia de construir um foguete em forma de vela que seria acelerado pelo vento solar, o que permitiria maior velocidade e viagens a distâncias maiores.

Não da para negar que estamos no caminho certo para o avanço nesta área, a cada dia novas pesquisas são elaboradas e novos testes são feitos. E você, gostou do tema? Quem sabe não seja uma boa área para os seus estudos!

 

Referências

FERREIRA, A. B. H. Novo Dicionário da Língua Portuguesa. 2ª edição. Rio de Janeiro. Nova Fronteira. 1986. p. 793.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Foguete_espacial  <<Acesso em 11 de janeiro de 2018>>

https://www.ufrgs.br/astronomia/ << Acesso em 17 de janeiro de 2018>>

https://wp.ufpel.edu.br/pibidfisica/files/2013/03/OS-ASPECTOS-F%C3%8DSICOS-E-MATEM%C3%81TICOS-DO-LAN%C3%87AMENTO-DO-FOGUETE-DE-GARRAFA-PET.pdf <<Acesso em 12 de janeiro de 2018>>

https://www.lockheedmartin.com/us/news/press-releases/2014/may/0522-ss-cls.html <<Acesso em 18 de janeiro de 2018>>