Foguete

Como Funciona o Foguete

O termo foguete aplica-se a um motor que impulsiona um veículo expelindo gases de combustão por queimadores situados em sua parte traseira. Difere de um motor a jato por transportar seu próprio oxidante, o que lhe permite operar na ausência de um suprimento de ar. Os motores de foguetes vêm sendo utilizados amplamente em vôos espaciais, nos quais sua grande potência e capacidade de operar no vácuo são essenciais, mas também podem ser empregados para movimentar mísseis, aeroplanos e automóveis.

O princípio básico para a propulsão de foguetes é a terceira lei de Newton – para cada ação há uma reação igual e oposta -, cujo efeito pode ser observado em uma mangueira de água: quando a água escapa com força pelo bocal, a mangueira é impulsionada para trás. Reduzindo-se o diâmetro de saída, esse empuxo será ainda mais forte. No foguete, quando os gases queimados escapam em um jato forte através de um bocal comprimido, o engenho é impulsionado na direção oposta. A magnitude do empuxo depende da massa e da velocidade dos gases expelidos.

Os motores de foguetes podem utilizar combustível sólido ou líquido. Os combustíveis sólidos contém um oxidante intimamente misturado. O motor consiste em um invólucro e no combustível, com um sistema de ignição para dar início à combustão e uma cavidade central para assegurar uma queima completa e por igual. Os motores de combustível líquido são mais complexos, já que o combustível e o oxidante são armazenados separadamente e depois misturados na câmara de combustão, mas são mais controláveis do que os motores de combustível sólido. O oxigênio e o hidrogênio liqüefeitos são os combustíveis líquidos mais comuns.

O foguete de vários estágios

A maior parte da estrutura dos veículos espaciais é destinada ao transporte de combustível e oxidante. Acontece que uma boa quantidade desse propelente é consumida no menor trecho da viagem: aquele feito dentro dos limites da atmosfera terrestre. De fato, é durante esse percurso que é consumida considerável quantidade de energia, principalmente para levantar do solo um veículo com o peso de milhares de toneladas.

Assim, vencido esse trecho, o foguete passa a carregar um peso inútil correspondente à estrutura destinada, no início, ao transporte daquele combustível. Este fato faz logo pensar num sistema que permita abandonar parte dessa estrutura. Recorre-se então ao sistema de foguete de vários estágios: o veículo é subdividido em dois, três e até quatro elementos, tendo cada um a propriedade de se destacar do restante do foguete assim que o combustível por ele armazenado chega ao fim.

 

Princípio de Funcionamento de Veículos Propulsados a Motor Foguete

Os veículos propulsados a motor foguete, baseiam-se no princípio da ação e reação, para movimentar-se.

O motor foguete gera uma força reatora devido à expulsão de gases em altas velocidades e perda de massa, gerando uma variação de sua quantidade de movimento traduzida na forma desta força reatora denominada empuxo.

Esta força é, para um motor foguete representada pela seguinte equação:

O motor foguete gera uma força reatora devido à expulsão de gases em altas velocidades e perda de massa, gerando uma variação de sua quantidade de movimento traduzida na forma desta força reatora denominada empuxo.

Esta força é, para um motor foguete representada pela seguinte equação:

onde:

F – Empuxo (N)

Ve – Velocidade de ejeção dos gases (m/s)

dm/dm – Vazão mássica dos gases de combustão (Kg/s)

Pe Pressão na saída do motor (N/m2)

Pa Pressão ambiente (N/m2)

Ae Área da secção transversal na saída do motor (m2)

A performance de um motor foguete é medida por um parâmetro denominado impulso específico e é definido pela seguinte equação:

onde

Isp – Impulso específico (s)

g0 – Aceleração gravitacional ( 9,81 m/s2)

A tabela abaixo apresenta alguns valores típico de impulsos específicos para alguns tipos de motores:

TIPO DE MOTOR FOGUETE	IMPULSO ESPECÍFICO (S)	APLICAÇÃO	“STATUS”
motor com propelente sólido (pólvora negra)	60 a 100	Fogos de artifício, espaçomodelismo	Operacional (arcaico)
motor com propelente sólido compósito ou base dupla	150 a 280	mísseis, veículos lançadores, foguetes experimentais	Operacional
motor com propelente líquido	250 a 350	mísseis, veículos lançadores, foguetes experimentais e espaçonaves	Operacional
motor com propelente híbrido (sólido + líquido)	200 a 300	mísseis, veículos lançadores, foguetes experimentais e espaçonaves	Experimental
motor nuclear (reator de fissão)	600 a 1000	espaçonaves	Experimental

Baseado no princípio da conservação da quantidade de movimento, a equação da velocidade de um veículo propulsado a motor foguete, livre de qualquer ação de força externa (arrasto aerodinâmico, forças gravitacionais, etc), é representada por:

onde:

V – Velocidade do veículo (m/s)

m0 – massa inicial do veículo (Kg)

mf – massa final do veículo (Kg)

obs.: ln ( ) é o logarítimo natural

Outro parâmetro importante neste estudo é o impulso total fornecido por um motor foguete. O impulso total é representado pel seguinte equação:

onde:

IT – Impulso total (N.s)

tq – Tempo de funcionamento do motor foguete

Elementos Básicos de um Foguete

Um foguete é constituído básicamente pelos seguintes elementos básicos:

• Carga Útil;
• Reservatório de Propelente;
• Câmara de Combustão;
• Tubeira (Bocal DeLaval).

Carga Útil

A carga útil é o elemento pelo qual o foguete é lançado, pode ser por exemplo um experimento científico, cargas militares (explosivos, etc) e tripulantes humanos ou animais. Esta carga útil pode ser lançada em trajetória balística, ou pode ser lançada para entrar em órbita da terra ou num trajetória interplanetária, conforme as necessidades da missão.

Reservatório de Propelente

O reservatório de propelente tem por objetivo armazenamento do propelente a ser convertido em gases de combustão. Normalmente o reservatório de propelente se confunde com a fuselagem do foguete.

Convém ressaltar que num motor foguete a propelente líquido temos distinção entre os reservatórios de propelente e câmara de combustão enquanto que num motor foguete a propelente sólido a câmara de combustão e o reservatório de propelente se confundem.

Câmara de Combustão

Na câmara de combustão temos a conversão do propelente, normalmente sólido ou líquido, em gases, por uma reação de combustão. O propelente é formado por substâncias oxidantes e redutoras. Numa câmara de combustão temos gases formados à elevadas pressões e elevadas temperaturas e baixas velocidades subsônicas, por exemplo nos motores do ônibus espacial mais especificamente nos SSME, cujo propelente é o oxigênio líquido e hidrogênio líquido, temos uma pressão da ordem de 200 atm e temperatura de 3500 oC .

Tubeira (Bocal DeLaval)

A tubeira converte e direciona os gases de combustão gerados à uma alta temperatura, alta pressão e baixa velocidade, através de uma expansão isoentrópica, num fluxo de gases à temperatura e pressão mais baixa e à elevadas velocidades supersônicas.

Na entrada da tubeira, região convergente, temos os gases de combustão numa condição próxima da estagnação, na região denominada garganta, onde temos a menor área de secção transversal, os gases atingem velocidade sônica local, número de Mach igual a um, e na região divergente temos escoamento supersônico com número de Mach maior que um.

Região	Convergente	Garganta	Divergente
Número de Mach	< 1	= 1	>1
Escoamento	Subsônico	Sônico	Supersônico

COMO FUNCIONA UM FOGUETE? COMO UMA NAVE ESPACIAL FAZ CURVA?

De uma maneira bem simples e fácil de entender, vamos explicar quais são os princípios básicos de um foguete.

Imagine uma bexiga cheia de ar e de repente soltamos o ar que esta dentro dela. Você deve ter percebido que este ar que esta dentro da bexiga sai com uma certa força e essa mesma força empurra a bexiga para o sentido contrario ao ar que esta saindo.

Bom, isso é exatamente o que ocorre com o foguete no espaço, com mísseis, aviões, etc. É o que diz a 3ª lei de Newton, a Lei da Ação e Reação. Só que no caso do foguete, ele expele os gases da combustão situados na parte traseira do mesmo que saem com uma velocidade enorme, empurrando-o para frente enquanto os gases saem para trás.

E como que uma nave espacial faz curva no espaço, já que lá não possui atmosfera para gerar atrito? Bom, aqui na terra, os aviões só conseguem fazer curva, subir e descer, porque tem varias partículas dentro da atmosfera que fornecem atrito ao avião permitindo-o fazer curvas conforme sua necessidade através de pás chamadas Aileron e Flaps (que ficam na asa do avião), Estabilizador Vertical ou Leme (que fica na parte traseira do avião) e alguns outros sistemas.

No espaço não tem atrito, então as naves espaciais precisam utilizar outro sistema para “fazer curvas” e “subir e descer”. O sistema utilizado é praticamente o mesmo que vemos em foguetes. As naves espaciais possuem grandes foguetes chamados de Sistema de Manobra Orbital (ver foto), e a partir do momento que estão no espaço e precisam fazer uma curva, eles liberam os gases que estão dentro do foguete com uma velocidade muito grande, por exemplo, se for preciso fazer uma curva para a esquerda, ela liberará gás do foguete do lado direito e vice-versa, é o que os físicos chamam de “mudança da conservação do momento”.

Diego Galeano
Maísa Caldas

Fonte: br.geocities.com/www.foguete.org/curiofisica.com.br