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quarta-feira, 7 de junho de 2017

Reação de empuxo

Os foguetes funcionam baseados na Lei de Newton, a lei da ação e reação. Eles consistem, basicamente, em um projétil que leva combustível - sólido ou líquido - no seu interior. Esse combustível é queimado progressivamente na câmara de combustão, gerando gases quentes que se expandem.

Os gases, por sua vez, são expelidos para trás por um bocal (abertura na traseira) e, ao mesmo tempo, ocorre uma reação na parede interna da câmara oposta ao bocal (veja a imagem abaixo). Essa reação - à qual damos o nome de empuxo - e a expulsão dos gases empurram o foguete para frente.


Os foguetes de combustível líquido geralmente usam hidrogênio e oxigênio líquidos como comburentes, para permitir a queima do combustível, pois no espaço exterior não há oxigênio.

Comburente é a substância que, ao combinar-se com outra, permite a combustão desta (muitas vezes utiliza-se, como sinônimo, o termo oxidante). A mistura é dosada por válvulas e feita na câmara de combustão.

Para poder entrar em órbita, é preciso que um foguete possa atingir cerca de 28.440 km/h, a fim de escapar da gravidade terrestre, que o puxa sempre para baixo. Essa é a velocidade necessária para que um corpo fique em órbita da Terra: cerca de 7,9 km/s (ou 28.440 km/h). Por conta disso, os satélites artificiais são colocados em órbita com uma velocidade suficiente para compensar a força de atração terrestre.

Quando, contudo, o objetivo é lançar uma nave no espaço, ela deve escapar em definitivo da atração da Terra e entrar no espaço exterior. Para tanto, precisa de uma velocidade maior do que a utilizada nos satélites: 11,2 km/s de velocidade (o que chamamos de velocidade de escape).

Para conseguir essas altas velocidades, o foguete deve ser o mais leve possível. Mas, como os foguetes levam toneladas de estruturas metálicas, combustível e equipamentos adicionais, seus planejadores utilizam uma solução adicional: a construção em vários estágios.

Foguete Saturn V, que levou as naves Apollo até a Lua. Eram foguetes maiores que os atuais ônibus espaciais e operavam com três estágios. Os motores do primeiro estágio podem ser vistos aqui. Através do controle dos 5 bocais, podemos direcionar o movimento do foguete, obtendo um vetor resultante na direção do movimento desejado.

Estágios
Os estágios se resumem a, basicamente, dois ou mais foguetes, colocados um em cima do outro. Assim, quando o foguete do estágio inferior queima todo o seu combustível, ele se desacopla do conjunto e aciona o segundo estágio, permitindo que o corpo restante do foguete aproveite o impulso obtido e alivie o peso considerado "peso morto", a fim de ganhar mais velocidade na subida.

O primeiro estágio é o que carrega, geralmente, a maior parte do combustível, pois os instantes iniciais da subida são os que exigem maior dispêndio de energia: a atmosfera é mais densa perto do solo (há mais atrito do foguete com o ar); a gravidade (g) é maior na região próxima à superfície terrestre; e o peso do foguete é ainda grande (pois nenhum estágio se desacoplou e ele ainda carrega todo o combustível que vai ser queimado).

Esse é o sistema usado para os grandes foguetes lançadores atuais. O foguete Saturn V (na foto acima) era um lançador de três estágios, sendo o primeiro impulsionado por querosene e os demais por hidrogênio líquido.

Outras tecnologias
Uma tecnologia mais simples - e que é vantajosa para uso militar - é a dos foguetes movidos a combustível sólido: seu funcionamento é mais simples e não demanda tempo exagerado para se preparar o lançamento.

Já as naves do tipo ônibus espacial são colocadas e mantidas em órbita com o auxílio de um conjunto misto de foguetes: foguetes externos, movidos a combustível sólido (combustível e comburentes na forma de pó, aglutinados numa pasta com um catalisador), auxiliados por motores próprios e alimentados por um tanque de combustível líquido de hidrogênio.

Dicas
Você encontrará mais informações sobre foguetes e ônibus espaciais no site do Instituto Galileu Galilei.

Referência bibliográfica
Espaço, o último desafio, de Luis Fábio S. Pucci, Editora Devon.

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