A Evolução dos Foguetes Espaciais: Tecnologia e Combustíveis

O funcionamento de um foguete

O funcionamento de um foguete é baseado nos princípios da física e, especialmente, na terceira lei de Newton, que afirma: "Para toda ação, há uma reação igual e oposta". Vamos entender os principais conceitos que permitem um foguete sair do chão e chegar ao espaço.

1. Propulsão: Ação e Reação

• Os foguetes funcionam expelindo gases com grande velocidade para baixo, o que gera uma reação para cima, impulsionando o foguete. Esse processo ocorre no motor do foguete, onde o combustível (geralmente uma combinação de combustíveis líquidos e oxidantes) é queimado.

• A queima do combustível cria uma grande quantidade de gases quentes que são expelidos pela parte de trás do foguete. Isso cria uma força chamada empuxo (ou força de propulsão) que empurra o foguete para frente.

2. Fases de um Lançamento

Um lançamento de foguete geralmente ocorre em várias fases, conforme o foguete sobe e vai ficando mais leve, com o combustível sendo consumido. Aqui estão as etapas principais:

a) Decolagem e Primeiros Estágios

• No início, o foguete começa a ser impulsionado pela queima do combustível. Para vencer a gravidade e sair da Terra, o foguete precisa atingir uma velocidade mínima conhecida como velocidade de escape.

• Durante a subida inicial, o foguete utiliza seus estágios iniciais para gerar empuxo. Foguetes maiores, como o Saturno V ou o Falcon 9, têm vários estágios que são descartados à medida que o combustível é consumido, o que torna o foguete mais leve.

b) Queima do Combustível e Ascensão

• O combustível no motor é queimado, gerando uma enorme pressão que empurra os gases para fora do foguete. Com isso, a força de empuxo vai se acumulando até que o foguete ultrapasse a atmosfera da Terra.

• Enquanto o foguete sobe, ele vai desacelerando a aceleração devido ao aumento da resistência do ar (na atmosfera) e à diminuição da gravidade, mas ele ainda precisa de muita energia para continuar a trajetória.

c) Fase de Descarte de Estágios

• Após a queima do combustível de um estágio, esse estágio é descarregado para reduzir o peso do foguete e permitir que o próximo motor tenha mais eficiência. Isso acontece porque, sem o combustível, o foguete se torna mais leve e precisa de menos energia para continuar sua viagem.

d) Chegada à órbita ou ao Espaço

• Quando o foguete atinge uma altitude suficientemente alta, ultrapassa a linha de Kármán, que está a cerca de 100 km de altura, entrando no espaço. Para atingir órbitas ao redor da Terra, o foguete precisa atingir uma velocidade orbital (aproximadamente 28.000 km/h), que permite que ele continue em movimento sem cair de volta para a Terra.

3. Gravidade e Resistência do Ar

• O foguete precisa vencer duas forças principais durante seu trajeto:

  1. Gravidade: A Terra puxa o foguete para baixo, então ele precisa de força suficiente para superar essa atração gravitacional.

  2. Resistência do ar (arrasto): Quando o foguete começa sua ascensão, ele enfrenta a resistência do ar, que tenta retardar sua velocidade. Para minimizar esse efeito, foguetes têm formas aerodinâmicas e atingem altitudes mais altas onde o ar é mais rarefeito.

4. Estágios de Um Foguete

• A maioria dos foguetes é composta por vários estágios. Cada estágio tem motores e combustível, e cada um é descartado ao ser consumido. Com cada estágio que é descartado, o foguete se torna mais leve, o que facilita a aceleração. Esse design torna o lançamento mais eficiente e viável para alcançar o espaço.

5. Finalidade do Foguete: Chegar à Órbita ou ao Espaço Profundo

• Se o objetivo for colocar um satélite em órbita, o foguete continuará em uma trajetória para alcançar uma velocidade suficiente para permanecer na órbita. Se o objetivo for enviar uma missão para outro planeta ou para além da órbita terrestre, o foguete atingirá a velocidade necessária para escapar da gravidade da Terra (velocidade de escape) e viajar pelo espaço.

Resumo do Processo:

1. Queima do combustível gera gases de alta pressão e velocidade.

2. Esses gases são expelidos para baixo.

3. A reação oposta empurra o foguete para cima.

4. O foguete passa por diferentes estágios até atingir o espaço.

5. Se for uma missão orbital, o foguete continua sua trajetória a uma velocidade suficiente para se manter em órbita.

Esse processo de ação e reação, combinado com a física de propulsão e a redução do peso do foguete ao longo do lançamento, é o que permite que um foguete consiga sair da Terra e chegar ao espaço!

Tipos de Combustível utilizado

Os foguetes podem usar diferentes tipos de combustível, e a escolha do tipo depende do design do foguete, da missão a ser realizada e dos objetivos específicos, como alcançar a órbita, enviar uma carga útil para o espaço profundo ou realizar um lançamento tripulado. Em termos gerais, os combustíveis dos foguetes podem ser classificados em combustível líquido e combustível sólido. Abaixo, explico os principais tipos de combustível usados, além da quantidade utilizada em lançamentos típicos.

1. Combustível Líquido

O combustível líquido é o mais utilizado em foguetes modernos, devido à sua alta eficiência e controle preciso do empuxo. Esses foguetes geralmente usam uma combinação de combustível líquido e oxidante líquido.

Tipos de combustível líquido mais comuns:

• Combustível: RP-1 (querosene refinado)

  • Oxidante: Oxigênio líquido (LOX - Liquid Oxygen)

  • Exemplo de foguete: Saturno V, Falcon 9.

  • Características: O RP-1 é uma forma de querosene altamente refinado, e é frequentemente usado com oxigênio líquido como oxidante. Essa combinação oferece uma boa eficiência para os foguetes e é relativamente segura em comparação com outros combustíveis líquidos. É usado em muitos foguetes, como o Falcon 9 da SpaceX.

• Combustível: Hidrogênio líquido

  • Oxidante: Oxigênio líquido (LOX)

  • Exemplo de foguete: Space Shuttle, Delta IV Heavy.

  • Características: O hidrogênio líquido é um combustível extremamente eficiente, com uma alta densidade energética. Ele é usado em foguetes que precisam de alta eficiência e muito empuxo. No entanto, é difícil de armazenar, já que o hidrogênio precisa ser mantido a temperaturas extremamente baixas (-253°C).

• Combustível: Metano líquido

  • Oxidante: Oxigênio líquido (LOX)

  • Exemplo de foguete: Starship (SpaceX).

  • Características: O metano é mais eficiente que o RP-1 e é mais fácil de manusear do que o hidrogênio líquido. Além disso, o metano pode ser produzido em Marte, o que torna essa combinação interessante para futuras missões espaciais interplanetárias.

Quantidade de combustível utilizado em um lançamento típico:

• Um foguete como o Falcon 9, por exemplo, usa cerca de 500.000 kg de combustível (RP-1 e LOX) para o lançamento. A quantidade de combustível depende do tamanho do foguete e da missão que está sendo realizada.

2. Combustível Sólido

Os foguetes de combustível sólido usam uma mistura de combustível e oxidante no estado sólido. Esses foguetes são geralmente mais simples, mais baratos e podem ser armazenados por longos períodos sem degradação. No entanto, eles não são tão fáceis de controlar quanto os foguetes de combustível líquido, já que uma vez que o combustível sólido começa a queimar, ele não pode ser interrompido até ser consumido.

Tipos de combustível sólido mais comuns:

• Mistura de pó de alumínio e peróxido de amônio (ou outros compostos como o clorato de potássio).

  • Exemplo de foguete: Boosters do Space Shuttle.

  • Características: Combustíveis sólidos são simples e fornecem grande empuxo de forma contínua. O combustível sólido é usado principalmente em boosters auxiliares ou para missões mais simples, onde não é necessário um controle tão preciso da propulsão.

Quantidade de combustível utilizado em um foguete de combustível sólido:

• O foguete Space Shuttle, por exemplo, utilizava dois boosters de combustível sólido com 500.000 kg de combustível sólido em cada booster. Juntos, os dois boosters somavam 1 milhão de kg de combustível sólido.

3. Combustível Hipergólico

Os combustíveis hipergólicos são aqueles que reagem espontaneamente quando entram em contato com o oxidante. Eles são usados principalmente em foguetes menores ou em estágios finais, como para manobras orbitais ou para controle de atitude em satélites.

Tipos de combustível hipergólico mais comuns:

• Combustível: Hidrazina ou seus derivados (como a monometilhidrazina - MMH)

• Oxidante: Tetraóxido de nitrogênio (N2O4)

  • Exemplo de foguete: Sistemas de propulsão de satélites, estágios superiores.

  • Características: Embora esses combustíveis sejam mais tóxicos e menos eficientes do que os líquidos com oxigênio, eles têm a vantagem de serem altamente confiáveis e podem ser armazenados por longos períodos.

Quantidade de combustível utilizado em lançamentos de combustível hipergólico:

• Foguetes e estágios menores com combustível hipergólico usam quantidades muito menores de combustível em comparação com foguetes de combustível líquido ou sólido. Por exemplo, um estágio superior de foguete pode usar apenas alguns milhares de quilos de combustível hipergólico para ajustar sua órbita ou realizar manobras.

4. Combustível Nuclear (futuro)

Embora atualmente não sejam usados em foguetes convencionais, foguetes nucleares estão sendo estudados para futuras missões espaciais mais longas (como viagens a Marte). Esses foguetes funcionariam usando a fissão nuclear para gerar calor e criar propulsão, uma tecnologia ainda em desenvolvimento.

Resumo da Quantidade de Combustível por Lançamento

Aqui está uma visão geral das quantidades de combustível para alguns foguetes típicos:

• Falcon 9: Aproximadamente 500.000 kg de combustível (RP-1 e LOX).

• Space Shuttle: Aproximadamente 1 milhão de kg de combustível sólido nos boosters.

• Saturno V (Apollo): Cerca de 2.000.000 kg de combustível (RP-1 e LOX, mais hidrogênio líquido para o estágio superior).

• Foguetes menores (como Atlas e Delta): Cerca de 100.000 kg a 300.000 kg de combustível, dependendo do tamanho e da missão.

Essas quantidades podem variar de acordo com a missão específica, como enviar satélites para órbitas baixas ou realizar missões espaciais mais longas. O uso do combustível também depende da eficiência dos motores e do número de estágios de cada foguete.

Principais Foguetes já lançados no espaço

A história da exploração espacial é marcada por alguns foguetes muito significativos, que permitiram avanços importantes na ciência e na tecnologia. Aqui estão alguns dos principais foguetes que foram lançados:

1. V-2 (ou A-4) – Alemanha, 1944

• Importância: Primeiro foguete de longo alcance utilizado em uma missão espacial. Desenvolvido por Wernher von Braun durante a Segunda Guerra Mundial, foi o primeiro foguete a alcançar a fronteira do espaço (uma altitude superior a 100 km).

• Impacto: Preparou o caminho para a exploração espacial moderna, além de ser um precursor do programa espacial dos EUA e da URSS.

2. Foguetes Saturno V – EUA, 1967-1973

• Importância: O Saturno V foi o foguete que levou os astronautas à Lua durante as missões Apollo. Com 110 metros de altura, é o maior foguete já lançado até hoje.

• Impacto: A missão Apollo 11, em 1969, levou Neil Armstrong e Buzz Aldrin a pisarem na Lua. Sem o Saturno V, o programa Apollo não teria sido possível.

3. Foguete R-7 (Sputnik) – União Soviética, 1957

• Importância: Lançou o primeiro satélite artificial, o Sputnik 1, que marcou o início da corrida espacial. Ele também foi a base para o lançamento de missões tripuladas mais tarde, incluindo o voo do primeiro ser humano no espaço, Yuri Gagarin, em 1961.

• Impacto: A vitória soviética no lançamento do Sputnik 1 iniciou a corrida espacial entre os EUA e a URSS.

4. Space Shuttle (Ônibus Espacial) – EUA, 1981-2011

• Importância: Um foguete reutilizável que transportava astronautas e cargas para o espaço. Ao contrário de foguetes descartáveis, o Space Shuttle podia ser usado múltiplas vezes, o que foi uma grande inovação para a exploração espacial.

• Impacto: Contribuiu para a construção da Estação Espacial Internacional (ISS) e realizou missões de manutenção de satélites e telescópios.

5. Falcon 9 – SpaceX, 2010-presente

• Importância: Um foguete reutilizável desenvolvido pela empresa SpaceX, que mudou o paradigma da exploração espacial comercial. Ele é capaz de retornar à Terra e ser reutilizado para vários lançamentos.

• Impacto: Reduziu significativamente os custos de lançamento e permitiu um aumento na frequência de missões espaciais, além de ser fundamental para o fornecimento da ISS e para futuras missões à Lua e Marte.

6. Soyuz – União Soviética/ Rússia, 1967-presente

• Importância: Foguete confiável para missões tripuladas, especialmente após o fim do programa do ônibus espacial. Ele é usado até hoje para levar astronautas à Estação Espacial Internacional.

• Impacto: Um dos foguetes mais longevos e confiáveis, sendo um símbolo da engenharia espacial soviética/russa.

7. Atlas, Titan e Delta – EUA, décadas de 1950-2000

• Importância: Uma série de foguetes que ajudaram os Estados Unidos a lançar satélites e missões espaciais, incluindo os primeiros satélites de comunicação e missões de exploração planetária.

• Impacto: Estes foguetes estabeleceram a infraestrutura para missões de longa duração e sondas interplanetárias.

Esses foguetes marcaram a evolução da tecnologia de lançamento e abriram as portas para muitas descobertas sobre o espaço. Hoje, com o avanço das tecnologias, novas gerações de foguetes continuam a ser desenvolvidas, como o Starship da SpaceX, que promete ser ainda mais ambicioso.