Rocket
Características gerais e princípios de operação
O foguete difere dos motores turbo-jato e outros motores “respiradores de ar” na medida em que todo o jato de escape consiste nos produtos de combustão gasosa dos “propulsores” transportados a bordo. Tal como o motor turbo-jacto, o foguete desenvolve impulso pela ejecção de massa para trás a muito alta velocidade.
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O princípio físico fundamental envolvido na propulsão dos foguetes foi formulado por Sir Isaac Newton. De acordo com sua terceira lei de movimento, o foguete experimenta um aumento do momento proporcional ao momento levado no escape,
onde M é a massa do foguete, ΔvR é o aumento da velocidade do foguete em um curto intervalo de tempo, Δt, m° é a taxa de descarga de massa no escape, ve é a velocidade efetiva do escape (quase igual à velocidade do jato e tomada em relação ao foguete), e F é a força. A quantidade m°ve é a força propulsora, ou impulso, produzida no foguete pela exaustão do propulsor,
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Impulso rápido pode ser feito grande usando uma alta taxa de descarga de massa ou alta velocidade de exaustão. O emprego de altos m° consome rapidamente o abastecimento de combustível (ou requer um grande abastecimento), e por isso é preferível procurar valores altos de ve. O valor de ve é limitado por considerações práticas, determinadas pela forma como o escape é acelerado no bico supersônico e qual a fonte de energia disponível para o aquecimento do propulsor.
A maior parte dos foguetes derivam a sua energia na forma térmica através da combustão de propulsores de fase condensada a uma pressão elevada. Os produtos gasosos de combustão são esgotados através do bico que converte a maior parte da energia térmica em energia cinética. A quantidade máxima de energia disponível é limitada àquela fornecida pela combustão ou por considerações práticas impostas pela alta temperatura envolvida. São possíveis maiores energias se outras fontes de energia (por exemplo, aquecimento eléctrico ou por microondas) forem utilizadas em conjunto com os propulsores químicos a bordo dos foguetes, e são possíveis energias extremamente elevadas quando o escape é acelerado por meios electromagnéticos.
A velocidade de escape efectiva é a figura de mérito para a propulsão dos foguetes porque é uma medida de impulso por unidade de massa de propulsor consumida – ou seja,
Valores de ve estão na faixa de 2.000-5.000 metros (6.500-16.400 pés) por segundo para propulsores químicos, enquanto valores duas ou três vezes que são reclamados para propulsores aquecidos eletricamente. Valores acima de 40.000 metros (131.000 pés) por segundo são previstos para sistemas que utilizam aceleração eletromagnética. Nos círculos de engenharia, nomeadamente nos Estados Unidos, a velocidade de escape efectiva é amplamente expressa em unidades de segundos, o que é referido como impulso específico. Os valores em segundos são obtidos dividindo as velocidades de escape efectivas pelo factor constante 9,81 metros por segundo ao quadrado (32,2 pés por segundo ao quadrado).
Numa missão típica de rocha química, em qualquer lugar entre 50 a 95% ou mais da massa da descolagem é propulsor. Isto pode ser colocado em perspectiva pela equação da velocidade de queima (assumindo voo sem gravidade e sem arrasto),
Nesta expressão, Ms/Mp é a razão entre o sistema de propulsão e a massa da estrutura para a massa propulsora, com um valor típico de 0,09 (o símbolo ln representa o logaritmo natural). Mp/Mo é a razão entre a massa do propulsor e a massa da estrutura, com um valor típico de 0,90. Um valor típico de ve para um sistema de hidrogênio-oxigênio é 3.536 metros (11.601 pés) por segundo. A partir da equação acima, a relação entre a massa da carga útil e a massa de decolagem (Mpay/Mo) pode ser calculada. Para uma órbita baixa da Terra, vb é cerca de 7.544 metros (24.751 pés) por segundo, o que exigiria que Mpay/Mo fosse 0,0374. Em outras palavras, seria necessário um sistema de decolagem de 1.337.000 kg (2.948.000 libras) para colocar 50.000 kg (110.000 libras) em uma órbita baixa ao redor da Terra. Este é um cálculo otimista porque a equação (4) não leva em conta o efeito da gravidade, arrasto ou correções direcionais durante a subida, o que aumentaria notavelmente a massa de decolagem. Da equação (4) é evidente que existe uma troca direta entre Ms e Mpay, de modo que todos os esforços são feitos para projetar uma massa estrutural baixa, e Ms/Mp é uma segunda figura de mérito para o sistema de propulsão. Enquanto as várias relações de massa escolhidas dependem fortemente da missão, as cargas úteis dos foguetes geralmente representam uma pequena parte da massa de descolagem.
Uma técnica chamada de múltipla encenação é usada em muitas missões para minimizar o tamanho do veículo de descolagem. Um veículo de lançamento carrega um segundo foguete como carga útil, para ser disparado após a queima da primeira etapa (que é deixada para trás). Desta forma, os componentes inertes da primeira etapa não são transportados até a velocidade final, sendo a segunda etapa de impulso aplicada mais eficazmente à carga útil. A maioria dos vôos espaciais utiliza pelo menos dois estágios. A estratégia é estendida a mais etapas em missões que exigem velocidades muito elevadas. As missões lunares tripuladas Apollo dos EUA utilizaram um total de seis estágios.
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As características únicas dos foguetes que os tornam úteis incluem o seguinte:
1. Os foguetes podem operar tanto no espaço como na atmosfera da Terra.
2. Eles podem ser construídos para fornecer um impulso muito alto (um moderno impulsionador de espaço pesado tem um impulso de descolagem de 3.800 kilonewtons (850.000 libras).
3. O sistema de propulsão pode ser relativamente simples.
4. O sistema de propulsão pode ser mantido num estado pronto a disparar (importante em sistemas militares).
5. Pequenos foguetes podem ser disparados a partir de uma variedade de plataformas de lançamento, desde caixas de embalagem até lançadores de ombro e aeronaves (não há recuo).
Estas características explicam não só porque todos os recordes de velocidade e distância são estabelecidos pelos sistemas de foguetes (ar, terra, espaço), mas também porque os foguetes são a escolha exclusiva para o vôo espacial. Eles também levaram a uma transformação da guerra, tanto estratégica como táctica. De fato, o surgimento e o avanço da tecnologia moderna de foguetes pode ser atribuído ao desenvolvimento de armas durante e desde a Segunda Guerra Mundial, com uma parte substancial sendo financiada através de iniciativas de “agências espaciais” como os programas Ariane, Apollo e ônibus espaciais.