Empuxo e foguetes movidos a combustível sólido

A "força" de um motor de foguete é chamada de empuxo. O empuxo é medido em "libras de empuxo" nos Estados Unidos e em newtons (N) no sistema métrico internacional (4,45 N de empuxo equivalem a 1 libra de empuxo). Uma libra de empuxo (4,45 N) é a quantidade que seria necessária para manter um objeto de 0,45 kg estacionário, ou seja, fazendo oposição à força da gravidade da Terra (a aceleração da gravidade, em aproximação grosseira, é de 10 metros por segundo a cada segundo (10 m/s²), ou 36 km/h por segundo. Se você estivesse flutuando no espaço com um saco de bolas de beisebol e atirasse uma bola por segundo à velocidade de 36 km/h, elas estariam gerando o equivalente a quase uma libra de empuxo, ou 4,45 N. Se você atirasse as bolas a 72 km/h geraria quase 9 N de empuxo. Se você as arremessasse a 3.600 km/h (talvez atirando-as por meio de uma máquina), você estaria gerando perto de 45 N de empuxo, e assim por diante.

Um dos problemas curiosos que os foguetes têm é que os objetos que o motor deverá lançar na realidade têm um peso, e o foguete tem que carregar esse peso junto. Então, digamos que você deseje gerar 45 N de empuxo por uma hora, lançando uma bola de beisebol a cada segundo a uma velocidade de 3.600 km/h. Isso significa que você tem que começar com 3.600 bolas de meio quilograma (pois são 3.600 segundos em uma hora), ou 1.800 kg de bolas. Uma vez que você só tem 50 kg em seu traje espacial, pode ver que a massa de seu "combustível" é muito mais alta que a massa da carga a bordo (você). Na realidade, o combustível pesa 36 vezes mais que a carga a bordo. E isso é muito comum. Essa é a razão porque você tem de ter um foguete gigantesco para lançar uma pessoa no espaço - é necessário carregar muito combustível.

Ônibus espacial

Você pode ver a equação da massa muito claramente no ônibus espacial. Se você já teve a oportunidade de ver o lançamento do ônibus espacial, sabe que existem 3 partes:

• o ônibus espacial
• o grande tanque externo
• os dois propulsores de foguetes sólidos (SRBs)

O ônibus espacial tem 75 mil kg vazio, o tanque externo tem 35.500 kg vazio e os 2 propulsores dos foguetes sólidos têm 84 mil kg cada um vazios. Mas é necessário carregá-los de combustível. Cada SRB armazena 500 mil kg de combustível. O tanque externo armazena 541 mil litros de oxigênio líquido (617 mil kg) e 1.500.000 litros de hidrogênio líquido (102.500 kg). O veículo completo - ônibus espacial, tanque externo, propulsores dos foguetes sólidos e todo o combustível - tem a massa total de 2.000.000 kg no lançamento. 2.000.000 kg para colocar 75 mil kg em órbita é uma bela diferença. Para ser justo, o ônibus espacial também pode transportar uma carga útil de 29.500 kg (até 4,5 x 18 metros de dimensão), mas ainda assim é uma grande diferença. O combustível tem quase 20 vezes mais massa que o ônibus espacial [fonte: Manual de operação do ônibus espacial]. 

Todo esse combustível está sendo lançado pela parte traseira do ônibus espacial a uma velocidade de quase 9.700 km/h (as velocidades usuais para foguetes vão de 8 mil a 16 mil km/h). Os SRBs queimam por aproximadamente 2 minutos e geram cerca de 15.000.000 N de empuxo cada um no lançamento. Os 3 motores principais (que usam o combustível no tanque externo) queimam por aproximadamente 8 minutos, gerando quase 1.700.000 N de empuxo cada um durante a combustão.

Foguetes de combustível sólido: mistura de combustível

Os motores para foguetes movidos a combustível sólido foram os primeiros motores criados pelo homem. Inventados há centenas de anos na China,  têm sido muito usados desde então. A frase a respeito do "fulgor vermelho do foguete" mencionada no Hino Nacional dos Estados Unidos (escrito em 1800) refere-se a pequenos foguetes militares movidos a combustível sólido usados para lançar bombas ou dispositivos incendiários. Como você pode ver, os foguetes já são usados há muito tempo.

A idéia por trás de um simples foguete movido a combustível sólido não tem segredos. O que você deseja é criar alguma coisa que queime bem rápido, mas sem explodir. Como você já deve saber, a pólvora explode. A pólvora é feita de 75% de nitrato, 15% de carbono e 10% de enxofre. Com relação a um motor de foguete, você não quer que ele exploda - e sim que a potência seja liberada de maneira uniforme em um determinado período. Portanto, é possível alterar a mistura para 72% de nitrato, 24% de carbono e 4% de enxofre. Nesse caso, no lugar da pólvora, consegue-se um simples combustível para foguetes. Esse tipo de mistura queimará muito rapidamente, e não irá explodir se for carregada adequadamente. Veja abaixo um corte transversal característico:

Foguete alimentado por combustível sólido imediatamente antes e depois da ignição

No lado esquerdo, você tem o foguete antes da ignição. O combustível sólido é mostrado em verde. Ele é cilíndrico, com um tubo furado no meio. Quando você acende o combustível, ele queima ao longo da parede do tubo. Ao queimar, começa pelo lado interno em direção à carcaça até que todo o combustível tenha sido queimado. Em um pequeno modelo de motor de foguete ou em uma minúscula garrafa-foguete, a combustão pode durar um segundo ou menos. Em um SBR do ônibus espacial contendo perto de mais de 500.000 quilos de combustível, a combustão demora aproximadamente 2 minutos.

Foguetes de combustível sólido: configuração do canal

Quando você lê a respeito dos foguetes de combustível sólido avançados como a os foguetes movidos a combustível sólido do ônibus espacial (em inglês), freqüentemente lê coisas do tipo:

A mistura do propelente em cada motor de SRB consiste em perclorato de amônia (oxidante, 69,6%, por peso), alumínio (combustível, 16%), óxido de ferro (um catalisador, 0,4%), um polímero (uma liga que mantém a mistura unida, 12,04%) e um agente de cura de epóxi (1,96%). O propelente é um orifício em formato de estrela de 11 pontas no segmento do motor à frente e uma perfuração de cone truncado duplo em cada segmento da popa e clausura da popa. Essa configuração fornece alto empuxo na ignição e depois de 50 segundos da decolagem reduz o empuxo em aproximadamente um terço, para evitar a sobrecarga do veículo durante a pressão dinâmica máxima (fonte: NASA). 

Este parágrafo discute não apenas a mistura de combustível como também a configuração do canal furado no centro do combustível. O "orifício em formato de estrela de 11 pontas" pode se parecer com isto:

A idéia é aumentar a área da superfície do canal, ampliando assim a área de combustão e, conseqüentemente, o empuxo. À medida que o combustível queima, o formato se iguala, formando um círculo. No caso dos SRBs, é fornecido ao motor alto empuxo inicial e baixo empuxo na metade do vôo.

Os motores de foguetes movidos a combustível sólido têm 3 vantagens importantes:

• simplicidade
• baixo custo
• segurança

Eles também apresentam 2 desvantagens:

• o empuxo não pode ser controlado
• uma vez que a ignição foi feita, o motor não pode ser parado nem reiniciado

As desvantagens significam que os foguetes movidos a combustível sólido são úteis para tarefas de curto período (como mísseis) ou para sistemas de propulsão auxiliar. Quando há a necessidade de controlar o motor, você deve usar um sistema de combustível propelente líquido. A seguir, aprenderemos sobre essas e outras possibilidades.