Ciência de Foguetes Simplificada

Rocket é um motor que queima combustível armazenado em um gás de alta velocidade e alta temperatura que sai de um veículo através de uma tomada limitada. Uma vez que o gás se move para baixo em alta velocidade, o veículo transportador reage movendo-se para cima nas mesmas altas velocidades. Por outro lado, também podemos descrever um foguete como um veículo cilíndrico com um bico pontiagudo usado para viajar para o espaço. Os veículos incluem mísseis ou naves espaciais que usam um foguete como motor.Fog

uetes são uma invenção importante, e eles desempenham vários papéis na formação do nosso mundo como vivemos hoje. Foguetes são a razão pela qual os cientistas podem monitorar o espaço para manter nosso planeta seguro. Aqui estão vários usos de foguetes: 

Usos Militares

Foguetes são usados como transportadores de várias ogivas para vários destinos inimigos. Quando os foguetes são combinados com ogivas, seu nome muda para o que é comumente referido como mísseis. Transportar ogivas usando foguetes é seguro para os militares, pois podem ser controlados remotamente. A função militar é um uso controverso dada a natureza destrutiva das ogivas transportadas por foguetes.Pesquisa Espacial

Astronautas usam foguetes para transportar instrumentos para áreas além da superfície da Terra para registrar vários elementos de pesquisa que os cientistas planejam estudar.Foguetes ajudam a colocar naves espaciais na órbita

Os foguetes são preferidos explicitamente para esta função por causa de suas altas velocidades que marcham a alta velocidade da órbita, como discutiremos mais tarde.Fog

uetes trabalham usando um simples princípio científico chamado terceira lei de movimento. Isaac Newton veio com as leis de movimento, e a terceira e última dessas leis afirmam que deve haver uma reação igual na direção oposta para cada ação. Este princípio significa que se você empurrar algo para a frente, você também se move para trás na mesma velocidade.

Como isso está relacionado com foguetes, você pergunta? Vamos entrar nisso.

Motores de foguetes queimam um tipo especial de combustível que falaremos daqui a pouco. Quando o combustível queima, produz um gás quente da traseira do foguete a uma velocidade muito alta. Como o gás sai em altas velocidades indo para baixo, qual é a direção mais provável que o foguete vai tomar? Claro, você adivinhou direito; ele vai se mover para cima a uma taxa igual à velocidade do gás indo para cima.

A força que faz com que o motor do foguete se mova na direção oposta do gás quente é chamada de impulso, e o foguete continua queimando mais combustível para produzir o mesmo efeito várias depois, dando ao foguete o impulso para a frente várias depois até chegar ao seu destino. Os impulsos repetidos também ajudam o foguete a superar a atração gravitacional e a resistência do ar.

Mas como um foguete sabe para onde está indo? Tem um piloto? Antes de foguetes serem lançados da Terra, os cientistas de foguetes calculam uma rota predeterminada que o foguete tomará. O curso é calculado em relação à posição do sol e da lua. Outros planetas também podem ter um pouco de efeito, mas é muito mínimo. Antes de vermos como os foguetes são lançados, vamos entender até onde os foguetes chegaram.

Hoje, os conceitos usados em foguetes remontam ao século I d.D. Um engenheiro matemático, Heron de Alexandria, criou um dispositivo que fez uma bola girar usando bicos emissores de vapor. Depois dessa festa de Heron, as coisas na história dos foguetes ficaram em silêncio até o século XIII, quando as pessoas começaram a fazer foguetes de pólvora usados em armas como flechas.

Talvez a parte mais significativa da história dos foguetes tenha sido a publicação de Investigating Space With Reaction Devices por Konstantin Tsiolkovsky. Esta publicação detalhou a dinâmica de como os foguetes funcionavam. Mais tarde, em 1942, a Alemanha faz outro marco quando lança com sucesso seu míssil baseado em foguetes e o pousa no alvo a uma velocidade de mais de 4000 mph.

O sucesso da Alemanha no lançamento de seu míssil fez com que os EUA e a U.S.S.R iniciassem seus programas espaciais, e em 1957, a Rússia foi capaz de usar um foguete para transportar e lançar o Sputnik 1, que foi o primeiro satélite do mundo ao espaço, e em 1969, a América lançou a Apollo 11, o foguete que agraciou a Lua pela primeira vez.

Aprendemos o que é um foguete, a ciência por trás de como os foguetes funcionam, e passamos por uma breve história de foguetes. Você deve estar curioso para saber como um foguete lança, certo? Mas antes de entrarmos em como os foguetes são lançados, vamos primeiro aprender a energia que impulsiona foguetes, sim?

Para discutir os combustíveis de foguetes, discutiremos os tipos de foguetes que temos hoje, uma vez que os foguetes são categorizados com base no tipo de combustível que eles usam. Hoje, existem quatro tipos de foguetes:

• Foguetes de combustível sólido
• Foguetes de combustível líquido
• Foguetes íons
• Foguetes de plasma

Aqui está uma análise de cada um dos foguetes para ajudá-lo a entender a energia usada pelos foguetes.Foguetes de combustível sólido

Os combustíveis de foguetes sólidos usam propulsores sólidos e estão entre os primeiros combustíveis a serem descobertos. Eles foram usados principalmente para fazer armas pequenas, embora após pesquisas posteriores, os cientistas descobriram que eles poderiam usá-los para alimentar grandes foguetes e por um período mais prolongado.

Foguetes de combustível sólido são monopropellantes, o que significa que eles não requerem um oxidante externo para queimar o combustível. A ciência básica da combustão afirma que para qualquer coisa queimar, deve haver um agente oxidante. Por exemplo, os jatos têm entradas de ar, que fornecem oxigênio para os motores acenderem o combustível e impulsionarem o jato. Os foguetes monopropellantes, no entanto, não requerem entradas de ar para queimar os combustíveis.

Em vez disso, os combustíveis sólidos são uma combinação de muitos produtos químicos em uma mistura. Entre esses produtos químicos estão oxidantes que queimam o combustível para produzir gás quente que impulsiona os foguetes. Alguns dos produtos químicos usados para fazer combustíveis de foguete sólido incluem dinitramida de amônio, nitrato de potássio e perclorato de amônio. Para que os combustíveis sólidos funcionem, eles devem ser colocados na câmara de combustão do foguete, onde é incendiado.

A maior desvantagem dos combustíveis sólidos é que uma vez que o combustível começa a queimar, ele não pode explodir, o que significa que o combustível queimará continuamente sem controle até que ele acabe. Essa falta de controle leva à necessidade de usar grandes quantidades de combustível sólido, que é ao mesmo tempo caro e pode usar muito do espaço limitado proporcionado pelo foguete. Outra desvantagem dos combustíveis sólidos é o risco de o el se esgotar antes que o foguete atinja seu destino desejado. Além disso, a nitroglicerina, um dos compostos usados para fazer combustíveis sólidos, evapora rapidamente.

Por outro lado, propulsores sólidos são relativamente fáceis de armazenar e manusear do que suas contrapartes líquidas. Eles também são mais baratos e são preferidos sempre que grandes impulsos são necessários. Alguns dos famosos foguetes que usaram combustível sólido incluem a série Proton russa (Proton 8K82K e Proton-M), European Ariane 5, Space Shuttle, US Atlas V e H-I do Japão.

Foguete de combustível líquido

Foguetes de combustível líquido usam propulsores líquidos. Propulsores líquidos são, como diz a palavra, líquidos. Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados e podem ser monopropellantes (lembre-se monopropellant de combustíveis sólidos?), ou Bipropellant, ou ainda mais raramente, tripropelante. Alguns dos produtos químicos usados para fazer propulsores líquidos incluem tetroxida dinitrogen combinada com hidrazina, oxigênio líquido e hidrogênio líquido. Estes produtos químicos são leves e fáceis de transportar, e, portanto, reduzem o peso do foguete.

Os engenheiros de foguetes confiam em combustíveis líquidos porque eles têm alta densidade e têm um alto impulso específico. Os engenheiros adoram a alta densidade e o alto impulso específico porque facilitam o uso de turbobombas centrífugas mais leves para mover o combustível dos tanques de combustível do foguete para as câmaras de combustão. As turbobombas aumentam a pressão do combustível na câmara de combustão.

Além de sua alta densidade e impulso específico, os propulsores líquidos são úteis porque são fáceis de controlar. Ao contrário dos propulsores sólidos que você não pode controlar quando eles começam a queimar, os propulsores líquidos são fáceis de controlar e só queimam quando necessário para queimar. Essa capacidade de controle torna mais fácil para os astronautas controlar a velocidade do foguete e ligar e desligar o foguete para controlar o uso de combustível.

Uma grande desfaçate para os propulsores líquidos é que os engenheiros têm que projetar um sistema de tubulação separado das câmaras de armazenamento do líquido para chegar às câmaras de combustão. Aperfeiçoar este design é particularmente difícil, já que o objetivo de criar um foguete é torná-lo o mais leve possível.
Alguns dos foguetes que usam propulsores líquidos incluem o V-2 alemão, o Space X Falcon 9 e o Atlas ICBM

Foguete Ion
Os foguetes íons estão funcionais desde 1998, e usam energia eletrônica de células solares. As células solares convertem a luz solar em energia elétrica e são dez vezes mais rápidas que os foguetes tradicionais que usam combustíveis químicos. No entanto, o impulso produzido por foguetes íons é fraco e não pode levantar o foguete do solo. Os engenheiros de foguetes devem, consequentemente, encontrar uma maneira alternativa de levantar o foguete do solo.

Foguetes de plasma
Foguetes de plasma são conhecidos em conversas científicas como Variável Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR). Estes foguetes funcionam acelerando o plasma produzido tirando elétrons negativos de átomos de hidrogênio dentro de um campo magnético e expulsando-os do motor. Estes foguetes são anunciados como mais rápidos e podem chegar a Marte mais rápido do que outros tipos de foguetes. Sua sustentabilidade ainda está sendo testada, e mais informações sobre eles estarão disponíveis em breve.

Os cientistas consideram muitas coisas antes de lançar um foguete. Algumas das considerações que eles fazem incluem:

• A carga do foguete
• O destino da carga
• O Tempo
• Proximidade com o equador
• A proximidade do local de lançamento de comodidades sociais e residências
• Hora do dia

A lista acima é apenas um destaque e é destinada a direcioná-lo para algumas das considerações que os cientistas fazem antes de lançar um foguete.Os multi-estágios de um lançamento de foguete bem sucedido:

Antes de discutirmos as várias etapas, vamos responder a essa pergunta frequentemente feita: O que é encenação?

A encenação de foguetes é o processo através do qual os engenheiros organizam diferentes partes de um foguete. O arranjo de motores de foguetes determina como eles sairão da nave em vários estágios.

A encenação eficaz também garante que, à medida que o foguete lança peças que não são mais úteis, ele se torna mais leve, e os motores subsequentes dão ao foguete o impulso necessário para passar pela atmosfera e viajar na velocidade certa para corresponder aos requisitos de velocidade da órbita. Dependendo da função do foguete, os cientistas colocam tantas peças destacáveis quanto o número de estágios que esperam que o veículo se submeta antes de chegar ao seu destino final. No entanto, quanto mais o número de estágios de um foguete tem, mais complicado ele é, e mais a probabilidade de sua falha.

À medida que os cientistas fazem foguetes, o combustível dos foguetes carrega cerca de 90-94% do peso total do foguete, e os outros 6-10% são compartilhados entre os materiais de construção do foguete e a carga útil (discutiremos qual carga em alguns parágrafos). Isso significa que o material usado para fazer foguetes deve ser extremamente leve, e os astronautas devem garantir que a carga que eles transportam usando um foguete seja igualmente leve.

Existem quatro maneiras diferentes de encenação, como discutimos abaixo:

Encenação em Série

A encenação em série ocorre quando os cientistas empilham estágios em cima um do outro. Neste tipo de encenação, o palco que vai queimar primeiro é colocado como o mais baixo, enquanto a etapa final é mais próxima do topo. Os foguetes lunares Saturno V eram bons exemplos de foguetes que usavam encenações em série.

Encenação Paralela

Em encenação paralela, os cientistas colocam estágios de reforço único ou múltiplo conectados ao sustentador principal. Todos os motores iniciam a combustão no início da viagem, e quando os motores presos gastam totalmente seu combustível, o motor principal continua queimando para transportar a carga para a órbita. Os estágios destacáveis são usados como propulsores e caem assim que ficam sem combustível. A encenação paralela pode ser combinada com a encenação em série no mesmo veículo.
Alguns dos foguetes que usam o método de preparação paralela incluem lançadores como Titan III e Delta II

Palco e meio

Um estágio e meio envolve o uso do motor principal e outro que atua como o propulsor. Como esperado de todas as etapas de booster, o sistema de estágio e meio anexados cai depois que todo o seu combustível é gasto. Exemplos de foguetes que usaram um palco e meio incluem o Atlas e o Atlas Agena.

Encenação Única

Este método de encenação ainda está em pesquisa, e seu principal sonho é ter foguetes que não requerem múltiplos estágios para funcionar. Como dissemos acima, quanto mais estágios um veículo tem, mais complicado ele é, e mais as chances de seu fracasso. Como tal, quando os cientistas descobrem uma maneira de realizar o método de encenação única, eles evitarão um risco considerável e terão estágios menores para lidar ao lançar foguetes.
Agora que entendemos os diferentes métodos de preparação, vamos mergulhar nos múltiplos estágios de um lançamento de foguete.

Estágios de um lançamento de foguete

Foguetes são lançados em vários estágios, e cada etapa tem seu papel único a desempenhar. Os vários motores que queimarão para lançar um foguete com sucesso são empilhados um sobre o outro e se desprendem quando sua utilidade termina. Portanto, este desprendimento significa que, à medida que o foguete lança motores usados, ele se torna mais leve e, consequentemente, usa menos combustível. Também é digno de entender que cada motor é independente dos outros. Esta independência proporciona aos engenheiros foguetes a oportunidade de personalizar cada motor para o propósito que ele serve. Otimização significa tornar o motor mais adaptado à pressão atmosférica predominante ou à atração gravitacional em cada estágio.

Aqui estão alguns passos que os foguetes passam para lançar com sucesso:

1)Estágio Primário

O principal é o primeiro e mais importante estágio de lançamento de um foguete e também é chamado de palco "0". Nesta fase, o motor queima combustível para fornecer o primeiro impulso. O impulso deve ser forte o suficiente para impulsionar o foguete em uma alta velocidade que o leva para o céu. O impulso também deve ser forte, pois deve ser suficiente para carregar o peso pesado do foguete, que inclui o primeiro motor. Quando o primeiro motor fica sem combustível, ele se desprende do foguete e dispara um pequeno explosivo ligado ao segundo motor, que assume e impulsiona ainda mais a espaçonave. O primeiro motor queima e cai de volta à Terra. O desprendimento do primeiro motor do resto do foguete é referido como Main Engine Cut Off (MECO).

Por mais simples que possa parecer, o primeiro estágio tem que superar muitos obstáculos antes de queimar com sucesso.

O arrasto aumenta à medida que o foguete ganha velocidade:

Arrastar-se em foguetes é a resistência que o foguete tem que superar à medida que vai para o céu. Para entender arrastar em uma linguagem simples, suponha que você está correndo em uma pista. Se você estiver correndo em um dia calmo quando o vento se move lentamente, você usará menos esforço para correr. Por outro lado, se você está correndo contra um vento forte, correr torna-se um pouco mais difícil. Além disso, quanto mais rápido você correr, mais resistência você tem. Se você na baixa velocidade que você corre pode obter atrito do ar, imagine um veículo que viaja a velocidades de até 16200 Km/h. O foguete deve enfrentar muita resistência, não é?

O lançamento é mais áspero no primeiro estágio:

A força gravitacional (comumente referida como força G) é maior na atmosfera inferior em comparação com atmosferas mais altas. Há também vibração de alta frequência a considerar e o enorme peso que o foguete carrega.

O estágio primário determina o sucesso ou o fracasso de um lançamento de foguetes:

Para que um foguete penetre através do arrasto causado pela atmosfera e alcance com sucesso o MAXQ, o impulso inicial deve ser forte o suficiente para transportar o foguete através de tudo isso. Se um pequeno erro de cálculo acontecer na fase primária, então todo o projeto está fadado a falhar.

2)Os Estágios Superiores

O foguete já está se movendo no céu em alta velocidade e já perdeu algum peso na forma do primeiro motor queimado. Portanto, isso significa que o motor nesta fase tem uma tarefa relativamente mais fácil de executar em comparação com o motor de primeiro estágio.
O único propósito deste estágio é colocar o foguete na velocidade orbital. Esta é a velocidade necessária para se alinhar com o movimento de outros objetos espaciais como planetas e outros. O foguete deve se mover em alta velocidade que contra-a força gravitacional.

A falha em alcançar as altas velocidades necessárias para superar a atração gravitacional significará que o foguete é puxado de volta para o solo pela gravidade. O importante a notar aqui é que quanto mais perto o foguete estiver da superfície da Terra, maior será o efeito de atração gravitacional e maior a velocidade necessária para superá-lo.

Antes que o motor do estágio secundário se esvai, o seguinte deve acontecer:

• O veículo deve alcançar a ausência de peso
• Obtenha uma classificação de impulso específica mais alta
• Mova-se mais rápido
• O movimento do veículo torna-se estável

O motor usado no estágio secundário também se desprende do foguete em um processo chamado Segundo Motor Cortado (SECO). No entanto, os restos do motor não podem voltar à Terra (a menos que o foguete seja modelado para ser reutilizado como discutiremos mais tarde), mas permaneçam no espaço, orbitando em torno de outros corpos ao infinito. Estes destacamentos de foguetes usados fazem parte do que é chamado de detritos espaciais ou lixo espacial.

Foguetes são enviados principalmente para o espaço para entregar uma carga útil. A carga é qualquer carga transportada usando um foguete, e pode incluir instrumentos de pesquisa, satélites, armas e pessoas, entre outras cargas. Mas o que acontece com os foguetes depois que entregam a carga?

Tradicionalmente, foguetes usados caem na superfície da Terra e em uma órbita e começam a oscilar junto com o planeta. Outras vezes, o foguete se desintegra e evapora quando encontra altas temperaturas. Com o último avanço, no entanto, os foguetes não devem ser destruídos após um uso único. Foguetes recentes como o Falcon mais recente da SpaceX podem ser parcialmente reutilizados para transportar cargas futuras.