Foguete

Um foguete (do italiano: rocchetto, lit. 'bobina/carretel') é um veículo que usa propulsão a jato para acelerar sem usar o ar circundante. Um motor de foguete produz impulso por reação ao escapamento expelido em alta velocidade. Os motores de foguete funcionam inteiramente com propelente transportado dentro do veículo; portanto, um foguete pode voar no vácuo do espaço. Os foguetes funcionam com mais eficiência no vácuo e sofrem perda de empuxo devido à pressão oposta da atmosfera.

Foguetes de múltiplos estágios são capazes de atingir velocidade de escape da Terra e, portanto, podem atingir altitude máxima ilimitada. Comparados aos motores que respiram ar, os foguetes são leves e potentes e capazes de gerar grandes acelerações. Para controlar seu vôo, os foguetes dependem de impulso, aerofólios, motores de reação auxiliares, empuxo suspenso, rodas de impulso, deflexão do fluxo de exaustão, fluxo de propulsor, rotação ou gravidade.

Foguetes para uso militar e recreativo datam pelo menos do século XIII na China. O uso científico, interplanetário e industrial significativo não ocorreu até o século 20, quando os foguetes eram a tecnologia que possibilitava a Era Espacial, incluindo a colocação dos pés na Lua. Os foguetes são agora usados para fogos de artifício, mísseis e outros armamentos, assentos ejetáveis, veículos de lançamento de satélites artificiais, voos espaciais humanos e exploração espacial.

Foguetes químicos são o tipo mais comum de foguete de alta potência, normalmente criando uma exaustão de alta velocidade pela combustão de combustível com um oxidante. O propelente armazenado pode ser um simples gás pressurizado ou um único combustível líquido que se dissocia na presença de um catalisador (monopropelente), dois líquidos que reagem espontaneamente em contato (propelentes hipergólicos), dois líquidos que devem ser inflamados para reagir (como o querosene (RP1) e oxigênio líquido, usado na maioria dos foguetes de propelente líquido), uma combinação sólida de combustível com oxidante (combustível sólido), ou combustível sólido com oxidante líquido ou gasoso (sistema propelente híbrido). Os foguetes químicos armazenam uma grande quantidade de energia de forma facilmente liberada e podem ser muito perigosos. No entanto, um projeto, testes, construção e uso cuidadosos minimizam os riscos.

Histórico

Na China, os foguetes movidos a pólvora evoluíram na China medieval durante a dinastia Song, no século XIII. Eles também desenvolveram uma forma inicial de lançador de foguetes múltiplos durante esse período. Os mongóis adotaram a tecnologia chinesa de foguetes e a invenção se espalhou através das invasões mongóis ao Oriente Médio e à Europa em meados do século XIII. De acordo com Joseph Needham, a marinha Song utilizou foguetes em um exercício militar datado de 1245. A propulsão de foguetes de combustão interna é mencionada em uma referência a 1264, registrando que o 'rato-de-terra', uma espécie de fogo de artifício, assustou a Imperatriz-Mãe Gongsheng em uma festa realizada em sua homenagem por seu filho, o Imperador Lizong. Posteriormente, os foguetes foram incluídos no tratado militar Huolongjing, também conhecido como Manual Fire Drake, escrito pelo oficial de artilharia chinês Jiao Yu em meados do século XIV. Este texto menciona o primeiro foguete multiestágio conhecido, o 'dragão de fogo saindo da água' (Huo long chu shui), que se acredita ter sido usado pela marinha chinesa.

Foguetes medievais e modernos foram usados militarmente como armas incendiárias em cercos. Entre 1270 e 1280, Hasan al-Rammah escreveu al-furusiyyah wa al-manasib al-harbiyya (O Livro da Equitação Militar e Dispositivos de Guerra Engenhosos), que incluía 107 pólvoras. receitas, 22 delas de foguetes. Na Europa, Roger Bacon mencionou fogos de artifício feitos em várias partes do mundo no Opus Majus de 1267. Entre 1280 e 1300, o Liber Ignium deu instruções para a construção de dispositivos semelhantes aos fogos de artifício baseados em segunda mão. contas. Konrad Kyeser descreveu foguetes em seu tratado militar Bellifortis por volta de 1405.

O nome "foguete" vem do italiano rocchetta, que significa "bobina" ou "pequeno fuso", devido à semelhança no formato com a bobina ou carretel usado para segurar a linha de uma roca. Leonhard Fronsperger e Conrad Haas adotaram o termo italiano para o alemão em meados do século XVI; "foguete" aparece em inglês no início do século XVII. Artis Magnae Artilleriae pars prima, uma importante obra moderna sobre artilharia de foguetes, de Casimir Siemienowicz, foi impressa pela primeira vez em Amsterdã em 1650.

Os foguetes Mysoreanos foram os primeiros foguetes com carcaça de ferro bem-sucedidos, desenvolvidos no final do século 18 no Reino de Mysore (parte da atual Índia) sob o governo de Hyder Ali.

O foguete Congreve foi uma arma britânica projetada e desenvolvida por Sir William Congreve em 1804. Este foguete foi baseado diretamente nos foguetes Mysoreanos, usou pólvora compactada e foi usado nas Guerras Napoleônicas. Eram aos foguetes Congreve que Francis Scott Key se referia, quando escreveu sobre os 'foguetes'. brilho vermelho" enquanto mantido em cativeiro em um navio britânico que sitiava o Forte McHenry em 1814. Juntas, as inovações de Mysore e britânicas aumentaram o alcance efetivo dos foguetes militares de 100 para 2.000 jardas (91 para 1.829 m).

O primeiro tratamento matemático da dinâmica da propulsão de foguetes deve-se a William Moore (1813). Em 1814, Congreve publicou um livro no qual discutia o uso de múltiplos aparelhos de lançamento de foguetes. Em 1815, Alexander Dmitrievich Zasyadko construiu plataformas de lançamento de foguetes, que permitiam o disparo de foguetes em salvas (6 foguetes por vez) e dispositivos de lançamento de armas. William Hale em 1844 aumentou muito a precisão da artilharia de foguetes. Edward Mounier Boxer melhorou ainda mais o foguete Congreve em 1865.

William Leitch propôs pela primeira vez o conceito de usar foguetes para permitir voos espaciais humanos em 1861. A descrição do voo espacial de foguetes de Leitch foi fornecida pela primeira vez em seu ensaio de 1861, “A Journey Through Space”, que foi publicado mais tarde. em seu livro A Glória de Deus nos Céus (1862). Konstantin Tsiolkovsky mais tarde (em 1903) também concebeu esta ideia e desenvolveu extensivamente um corpo de teoria que forneceu a base para o desenvolvimento subsequente de voos espaciais.

O British Royal Flying Corps projetou um foguete guiado durante a Primeira Guerra Mundial. Archibald Low declarou: “...em 1917, a Experimental Works projetou um foguete eletricamente dirigido... Os experimentos com foguetes foram conduzidos sob minhas próprias patentes com a ajuda de Cdr. Brock. A patente "Melhorias em Foguetes" foi criado em julho de 1918, mas não foi publicado até fevereiro de 1923 por razões de segurança. Os controles de disparo e orientação podem ser com ou sem fio. O efluxo do foguete de propulsão e orientação emergiu da cobertura defletora no nariz.

Em 1920, o professor Robert Goddard, da Universidade Clark, publicou propostas de melhorias para a tecnologia de foguetes em Um Método para Alcançar Altitudes Extremas. Em 1923, Hermann Oberth (1894–1989) publicou Die Rakete zu den Planetenräumen (O foguete para o espaço planetário). Os foguetes modernos surgiram em 1926, quando Goddard conectou um bocal supersônico (de Laval) a uma câmara de combustão de alta pressão. Esses bicos transformam o gás quente da câmara de combustão em um jato de gás mais frio, hipersônico e altamente direcionado, mais que dobrando o empuxo e aumentando a eficiência do motor de 2% para 64%. O uso de propulsores líquidos em vez de pólvora reduziu bastante o peso e aumentou a eficácia dos foguetes.

Em 1921, o laboratório soviético de pesquisa e desenvolvimento Gas Dynamics Laboratory começou a desenvolver foguetes de propelente sólido, o que resultou no primeiro lançamento em 1928, que voou aproximadamente 1.300 metros. Esses foguetes foram usados em 1931 para o primeiro uso bem-sucedido de foguetes no mundo para decolagem de aeronaves assistida por jato e se tornaram os protótipos do lançador de foguetes Katyusha, que foi usado durante a Segunda Guerra Mundial.

Em 1929, o filme alemão de ficção científica de Fritz Lang, Mulher na Lua, foi lançado. Ele mostrou o uso de um foguete de vários estágios e também foi pioneiro no conceito de plataforma de lançamento de foguete (um foguete em pé contra um prédio alto antes do lançamento ser lentamente colocado no lugar) e o relógio de contagem regressiva para lançamento de foguete. O crítico de cinema do The Guardian, Stephen Armstrong, afirma que Lang “criou a indústria de foguetes”. Lang se inspirou no livro de 1923, The Rocket into Interplanetary Space, de Hermann Oberth, que se tornou o conselheiro científico do filme e mais tarde uma figura importante na equipe que desenvolveu o foguete V-2. O filme foi considerado tão realista que foi banido pelos nazistas quando chegaram ao poder, por medo de revelar segredos sobre os foguetes V-2.

Em 1943 começou a produção do foguete V-2 na Alemanha. Foi projetado pelo Centro de Pesquisa do Exército de Peenemünde, com Wernher von Braun atuando como diretor técnico. O V-2 tornou-se o primeiro objeto artificial a viajar para o espaço cruzando a linha Kármán com o lançamento vertical do MW 18014 em 20 de junho de 1944. Doug Millard, historiador espacial e curador de tecnologia espacial no Science Museum, Londres, onde um V -2 é exibido no salão principal de exposições e afirma: “O V-2 foi um salto quântico de mudança tecnológica. Chegamos à Lua usando a tecnologia V-2, mas esta foi uma tecnologia desenvolvida com recursos enormes, incluindo alguns particularmente sombrios. O programa V-2 era extremamente caro em termos de vidas, com os nazistas usando trabalho escravo para fabricar esses foguetes. Paralelamente ao programa alemão de mísseis guiados, foguetes também foram utilizados em aeronaves, seja para auxiliar na decolagem horizontal (RATO), na decolagem vertical (Bachem Ba 349 "Natter") ou para alimentá-los (Me 163, veja a lista de mísseis guiados da Alemanha na Segunda Guerra Mundial). Os Aliados & #39; os programas de foguetes eram menos tecnológicos, contando principalmente com mísseis não guiados, como o foguete soviético Katyusha na função de artilharia e o projétil antitanque bazuca americano. Estes usavam propelentes químicos sólidos.

Os americanos capturaram um grande número de cientistas alemães de foguetes, incluindo Wernher von Braun, em 1945, e os trouxeram para os Estados Unidos como parte da Operação Paperclip. Após a Segunda Guerra Mundial, os cientistas usaram foguetes para estudar as condições de grande altitude, por radiotelemetria de temperatura e pressão da atmosfera, detecção de raios cósmicos e outras técnicas; observe também o Bell X-1, o primeiro veículo tripulado a quebrar a barreira do som (1947). De forma independente, no programa espacial da União Soviética, a pesquisa continuou sob a liderança do designer-chefe Sergei Korolev (1907–1966).

Durante a Guerra Fria, os foguetes tornaram-se extremamente importantes militarmente com o desenvolvimento dos modernos mísseis balísticos intercontinentais (ICBMs). A década de 1960 viu um rápido desenvolvimento da tecnologia de foguetes, particularmente na União Soviética (Vostok, Soyuz, Proton) e nos Estados Unidos (por exemplo, o X-15). Os foguetes passaram a ser usados para a exploração espacial. Os programas tripulados americanos (Project Mercury, Project Gemini e mais tarde o programa Apollo) culminaram em 1969 com a primeira aterragem tripulada na Lua – utilizando equipamento lançado pelo foguetão Saturno V.

Tipos

Configurações do veículo

Os veículos-foguete são frequentemente construídos no arquetípico modelo alto e fino de 'foguete'. forma que decola verticalmente, mas na verdade existem muitos tipos diferentes de foguetes, incluindo:

• minúsculos modelos como foguetes de balão, foguetes de água, foguetes ou pequenos foguetes sólidos que podem ser comprados em uma loja de hobby
• mísseis
• foguetes espaciais como o enorme Saturno V usado para o programa Apollo
• carros de foguete
• moto de foguete
• aeronave movido a foguetes (incluindo a descolagem assistida de foguetes de aeronaves convencionais – RATO)
• trenós de foguete
• trens de foguete
• torpedos de foguete
• Pacotes de jato com motor de foguete
• sistemas de escape rápidos, como assentos de ejeção e sistemas de escape de lançamento
• sondas espaciais

Projeto

O projeto de um foguete pode ser tão simples quanto um tubo de papelão cheio de pólvora negra, mas criar um foguete ou míssil eficiente e preciso envolve a superação de uma série de problemas difíceis. As principais dificuldades incluem o resfriamento da câmara de combustão, o bombeamento do combustível (no caso do combustível líquido) e o controle e correção da direção do movimento.

Componentes

Os foguetes consistem em um propulsor, um local para colocar o propelente (como um tanque de propelente) e um bocal. Eles também podem ter um ou mais motores de foguete, dispositivos de estabilização direcional (como aletas, motores vernier ou gimbals de motor para vetorização de empuxo, giroscópios) e uma estrutura (normalmente monocoque) para manter esses componentes juntos. Foguetes destinados ao uso atmosférico de alta velocidade também possuem uma carenagem aerodinâmica, como um cone de nariz, que geralmente sustenta a carga útil.

Além desses componentes, os foguetes podem ter vários outros componentes, como asas (aviões-foguete), pára-quedas, rodas (carros-foguete) e até mesmo, em certo sentido, uma pessoa (cinto do foguete). Os veículos frequentemente possuem sistemas de navegação e sistemas de orientação que normalmente usam navegação por satélite e sistemas de navegação inercial.

Motores

Os motores de foguete empregam o princípio da propulsão a jato. Os motores de foguete que alimentam os foguetes vêm em uma grande variedade de tipos diferentes; uma lista abrangente pode ser encontrada no artigo principal, Motor Rocket. A maioria dos foguetes atuais são foguetes movidos quimicamente (geralmente motores de combustão interna, mas alguns empregam um monopropulsor em decomposição) que emitem gases de escape quentes. Um motor de foguete pode usar propelentes gasosos, propulsores sólidos, propulsores líquidos ou uma mistura híbrida de sólidos e líquidos. Alguns foguetes usam calor ou pressão fornecido por uma fonte diferente da reação química do(s) propulsor(es), como foguetes a vapor, foguetes térmicos solares, motores de foguetes térmicos nucleares ou foguetes pressurizados simples, como foguetes de água ou propulsores de gás frio. Com propelentes combustíveis, uma reação química é iniciada entre o combustível e o oxidante na câmara de combustão, e os gases quentes resultantes aceleram para fora de um bocal (ou bocais) de motor de foguete na extremidade voltada para trás do foguete. A aceleração desses gases através do motor exerce força ("impulso") na câmara de combustão e no bocal, impulsionando o veículo (de acordo com a Terceira Lei de Newton). Na verdade, isso acontece porque a força (área de pressão vezes) na parede da câmara de combustão é desequilibrada pela abertura do bico; este não é o caso em nenhuma outra direção. O formato do bocal também gera força ao direcionar os gases de exaustão ao longo do eixo do foguete.

Propelente

Propelente de foguete é a massa armazenada, geralmente em alguma forma de tanque ou invólucro de propelente, antes de ser usada como massa propulsora que é ejetada de um motor de foguete na forma de um jato fluido para produzir empuxo. Para foguetes químicos, muitas vezes os propelentes são combustíveis como hidrogênio líquido ou querosene queimados com um oxidante como oxigênio líquido ou ácido nítrico para produzir grandes volumes de gás muito quente. O oxidante é mantido separado e misturado na câmara de combustão ou vem pré-misturado, como acontece com os foguetes sólidos.

Às vezes, o propelente não é queimado, mas ainda sofre uma reação química e pode ser um 'monopropelente' tais como hidrazina, óxido nitroso ou peróxido de hidrogênio que podem ser decompostos cataliticamente em gás quente.

Alternativamente, pode ser usado um propulsor inerte que pode ser aquecido externamente, como em foguetes a vapor, foguetes térmicos solares ou foguetes térmicos nucleares.

Para foguetes menores e de baixo desempenho, como propulsores de controle de atitude, onde o alto desempenho é menos necessário, um fluido pressurizado é usado como propulsor que simplesmente escapa da espaçonave através de um bico propulsor.

Falácia do foguete pêndulo

O primeiro foguete de combustível líquido, construído por Robert H. Goddard, diferia significativamente dos foguetes modernos. O motor do foguete estava na parte superior e o tanque de combustível na parte inferior do foguete, com base na crença de Goddard de que o foguete alcançaria estabilidade "pendurado" do motor como um pêndulo em vôo. No entanto, o foguete saiu do curso e caiu a 184 pés (56 m) de distância do local de lançamento, indicando que o foguete não era mais estável do que aquele com o motor do foguete na base.

Usos

Foguetes ou outros dispositivos de reação semelhantes que carreguem seu próprio propulsor devem ser usados quando não houver outra substância (terra, água ou ar) ou força (gravidade, magnetismo, luz) que um veículo possa empregar de forma útil para a propulsão, como no espaço. Nestas circunstâncias, é necessário transportar todo o propulsor a ser utilizado.

No entanto, eles também são úteis em outras situações:

Militar

Algumas armas militares utilizam foguetes para lançar ogivas até seus alvos. Um foguete e sua carga juntos são geralmente chamados de míssil quando a arma possui um sistema de orientação (nem todos os mísseis usam motores de foguete, alguns usam outros motores, como jatos) ou como um foguete se não for guiado. Mísseis antitanque e antiaéreos usam motores de foguete para atingir alvos em alta velocidade a um alcance de vários quilômetros, enquanto mísseis balísticos intercontinentais podem ser usados para lançar múltiplas ogivas nucleares a milhares de quilômetros, e mísseis antibalísticos tentam detê-los.. Foguetes também foram testados para reconhecimento, como o foguete Ping-Pong, que foi lançado para vigiar alvos inimigos; no entanto, os foguetes de reconhecimento nunca foram amplamente utilizados nas forças armadas.

Ciência e pesquisa

Foguetes de sondagem são comumente usados para transportar instrumentos que fazem leituras de 50 quilômetros (31 mi) a 1.500 quilômetros (930 mi) acima da superfície da Terra. As primeiras imagens da Terra vistas do espaço foram obtidas a partir de um foguete V-2 em 1946 (voo #13).

Os motores de foguete também são usados para impulsionar trenós-foguete ao longo de um trilho em velocidades extremamente altas. O recorde mundial para isso é Mach 8,5.

Voo espacial

Foguetes maiores normalmente são lançados a partir de uma plataforma de lançamento que fornece suporte estável até alguns segundos após a ignição. Devido à sua alta velocidade de exaustão - 2.500 a 4.500 m/s (9.000 a 16.200 km/h; 5.600 a 10.100 mph) - os foguetes são particularmente úteis quando são necessárias velocidades muito altas, como velocidade orbital de aproximadamente 7.800 m/s (28.000 km/h; 17.000 mph). As naves espaciais entregues em trajetórias orbitais tornam-se satélites artificiais, que são usados para muitos fins comerciais. Na verdade, os foguetes continuam a ser a única forma de lançar naves espaciais em órbita e além dela. Eles também são usados para acelerar rapidamente naves espaciais quando elas mudam de órbita ou saem de órbita para pousar. Além disso, um foguete pode ser usado para suavizar uma aterrissagem brusca de pára-quedas imediatamente antes do pouso (ver retrofoguete).

Resgate

Foguetes foram usados para impulsionar um cabo até um navio atingido, para que uma bóia de calções pudesse ser usada para resgatar os que estavam a bordo. Foguetes também são usados para lançar sinalizadores de emergência.

Alguns foguetes tripulados, notadamente o Saturn V e o Soyuz, possuem sistemas de escape de lançamento. Este é um foguete pequeno, geralmente sólido, que é capaz de puxar a cápsula tripulada para longe do veículo principal em direção à segurança a qualquer momento. Esses tipos de sistemas foram operados diversas vezes, tanto em testes quanto em vôo, e operados corretamente em todas as vezes.

Este foi o caso quando o Sistema de Garantia de Segurança (nomenclatura soviética) retirou com sucesso a cápsula L3 durante três dos quatro lançamentos fracassados do foguete lunar soviético, veículos N1 3L, 5L e 7L. Nos três casos, a cápsula, embora desenroscada, foi salva da destruição. Apenas os três foguetes N1 mencionados acima tinham Sistemas de Garantia de Segurança funcionais. O excelente veículo, 6L, tinha estágios superiores fictícios e, portanto, nenhum sistema de escape, dando ao propulsor N1 uma taxa de sucesso de 100% para saída de um lançamento fracassado.

Uma fuga bem-sucedida de uma cápsula tripulada ocorreu quando a Soyuz T-10, em missão à estação espacial Salyut 7, explodiu na plataforma.

Assentos ejetáveis com propulsão por foguete sólido são usados em muitas aeronaves militares para impulsionar a tripulação para longe de um veículo em segurança quando o controle de vôo é perdido.

Hobby, esporte e entretenimento

Um modelo de foguete é um pequeno foguete projetado para atingir baixas altitudes (por exemplo, 100–500 m (330–1.640 pés) para um modelo de 30 g (1,1 oz)) e ser recuperado por diversos meios.

De acordo com o Código de Segurança da Associação Nacional de Foguetes (nar) dos Estados Unidos, os modelos de foguetes são construídos em papel, madeira, plástico e outros materiais leves. O código também fornece diretrizes para uso do motor, seleção do local de lançamento, métodos de lançamento, posicionamento do lançador, projeto e implantação do sistema de recuperação e muito mais. Desde o início da década de 1960, uma cópia do Código de Segurança de Modelos de Foguetes foi fornecida com a maioria dos kits e motores de modelos de foguetes. Apesar de sua associação inerente com substâncias extremamente inflamáveis e objetos com ponta pontiaguda viajando em alta velocidade, os modelos de foguetes historicamente provaram ser um hobby muito seguro e foram creditados como uma fonte significativa de inspiração para crianças que eventualmente se tornarão cientistas e engenheiros.

Os amadores constroem e pilotam uma grande variedade de modelos de foguetes. Muitas empresas produzem kits e peças de modelos de foguetes, mas devido à sua simplicidade inerente, alguns hobbyistas são conhecidos por fabricar foguetes a partir de quase tudo. Foguetes também são usados em alguns tipos de fogos de artifício profissionais e de consumo. Um foguete de água é um tipo de modelo de foguete que usa água como massa de reação. O recipiente de pressão (o motor do foguete) geralmente é uma garrafa plástica de refrigerante usada. A água é expelida por um gás pressurizado, normalmente ar comprimido. É um exemplo da terceira lei do movimento de Newton.

A escala dos foguetes amadores pode variar desde um pequeno foguete lançado no próprio quintal até um foguete que atingiu o espaço. Os foguetes amadores são divididos em três categorias de acordo com o impulso total do motor: baixa potência, média potência e alta potência.

Foguetes de peróxido de hidrogênio são usados para alimentar jet packs e têm sido usados para movimentar carros, e um carro-foguete detém o recorde histórico (embora não oficial) de corridas de arrancada.

Corpulent Stump é o foguete não comercial mais poderoso já lançado com motor Aerotech no Reino Unido.

Voo

Os lançamentos para voos espaciais orbitais, ou para o espaço interplanetário, são geralmente a partir de um local fixo no solo, mas também seriam possíveis a partir de uma aeronave ou nave.

As tecnologias de lançamento de foguetes incluem todo o conjunto de sistemas necessários para lançar um veículo com sucesso, não apenas o veículo em si, mas também os sistemas de controle de disparo, centro de controle de missão, plataforma de lançamento, estações terrestres e estações de rastreamento necessárias para um lançamento bem-sucedido. ou recuperação ou ambos. Estes são frequentemente referidos coletivamente como o “segmento terrestre”.

Os veículos de lançamento orbital geralmente decolam verticalmente e depois começam a inclinar-se progressivamente, geralmente seguindo uma trajetória de rotação gravitacional.

Uma vez acima da maior parte da atmosfera, o veículo inclina o jato do foguete, apontando-o principalmente na horizontal, mas um pouco para baixo, o que permite ao veículo ganhar e manter a altitude enquanto aumenta a velocidade horizontal. À medida que a velocidade aumenta, o veículo ficará cada vez mais horizontal até que, na velocidade orbital, o motor seja desligado.

Todos os veículos atuais estágio, ou seja, descartam hardware a caminho da órbita. Embora tenham sido propostos veículos capazes de alcançar a órbita sem preparação, nenhum foi construído e, se fosse movido apenas por foguetes, as necessidades de combustível exponencialmente crescentes de tal veículo tornariam a sua carga útil minúscula ou inexistente. A maioria dos veículos de lançamento atuais e históricos "gastam" seu hardware descartado, normalmente permitindo que ele caísse no oceano, mas alguns recuperaram e reutilizaram hardware descartado, seja por pára-quedas ou por pouso propulsivo.

Ao lançar uma espaçonave em órbita, um "dogleg " é uma curva guiada e motorizada durante a fase de subida que faz com que a trajetória de vôo de um foguete se desvie de uma linha reta. caminho. Um dogleg é necessário se o azimute de lançamento desejado, para atingir a inclinação orbital desejada, seguir a trajetória terrestre sobre terra (ou sobre uma área povoada, por exemplo, a Rússia geralmente lança sobre terra, mas sobre áreas despovoadas), ou se o foguete for tentando alcançar um plano orbital que não atinge a latitude do local de lançamento. Doglegs são indesejáveis devido à necessidade de combustível extra a bordo, causando carga mais pesada e redução do desempenho do veículo.

Ruído

A exaustão do foguete gera uma quantidade significativa de energia acústica. À medida que o escapamento supersônico colide com o ar ambiente, ondas de choque são formadas. A intensidade do som dessas ondas de choque depende do tamanho do foguete, bem como da velocidade de exaustão. A intensidade sonora de foguetes grandes e de alto desempenho pode potencialmente matar a curta distância.

O ônibus espacial gerou 180 dB de ruído em torno de sua base. Para combater isso, a NASA desenvolveu um sistema de supressão de som que pode fluir água a taxas de até 900.000 galões por minuto (57 m³/s) na plataforma de lançamento. A água reduz o nível de ruído de 180 dB para 142 dB (o requisito do projeto é 145 dB). Sem o sistema de supressão de som, as ondas acústicas seriam refletidas na plataforma de lançamento em direção ao foguete, vibrando a sensível carga útil e a tripulação. Estas ondas acústicas podem ser tão graves que podem danificar ou destruir o foguete.

O ruído geralmente é mais intenso quando um foguete está próximo ao solo, já que o ruído dos motores irradia para longe do jato, além de ser refletido no solo. Este ruído pode ser reduzido um pouco por meio de trincheiras de chamas nos telhados, pela injeção de água ao redor do jato e pela deflexão do jato em ângulo.

Para foguetes tripulados, vários métodos são usados para reduzir a intensidade do som para os passageiros e, normalmente, a colocação dos astronautas longe dos motores do foguete ajuda significativamente. Para os passageiros e tripulantes, quando um veículo fica supersônico, o som é cortado, pois as ondas sonoras não conseguem mais acompanhar o veículo.

Física

Operação

O efeito da combustão do propelente no motor do foguete é aumentar a energia interna dos gases resultantes, utilizando a energia química armazenada no combustível. À medida que a energia interna aumenta, a pressão aumenta e um bico é usado para converter essa energia em energia cinética direcionada. Isso produz impulso contra o ambiente para o qual esses gases são liberados. A direção ideal do movimento do escapamento é na direção que causa empuxo. Na extremidade superior da câmara de combustão, o fluido gasoso quente e energético não pode avançar e, portanto, empurra para cima contra o topo da câmara de combustão do motor do foguete. À medida que os gases de combustão se aproximam da saída da câmara de combustão, eles aumentam de velocidade. O efeito da parte convergente do bocal do motor do foguete no fluido de alta pressão dos gases de combustão é fazer com que os gases acelerem a alta velocidade. Quanto maior a velocidade dos gases, menor a pressão do gás (princípio de Bernoulli ou conservação de energia) atuando naquela parte da câmara de combustão. Em um motor adequadamente projetado, o fluxo atingirá Mach 1 na garganta do bocal. Nesse ponto a velocidade do fluxo aumenta. Além da garganta do bocal, uma parte de expansão do motor em forma de sino permite que os gases que estão se expandindo empurrem essa parte do motor do foguete. Assim, a parte em forma de sino do bico fornece impulso adicional. Expressando de forma simples, para cada ação há uma reação igual e oposta, de acordo com a terceira lei de Newton, com o resultado de que os gases que saem produzem a reação de uma força no foguete, fazendo com que ele acelere o foguete.

Em uma câmara fechada, as pressões são iguais em cada direção e não ocorre aceleração. Se for fornecida uma abertura no fundo da câmara, então a pressão já não actua sobre a secção em falta. Esta abertura permite que o escapamento escape. As pressões restantes dão um impulso resultante no lado oposto à abertura, e são essas pressões que empurram o foguete.

O formato do bico é importante. Considere um balão impulsionado pelo ar que sai de um bico cônico. Nesse caso, a combinação da pressão do ar e do atrito viscoso é tal que o bocal não empurra o balão, mas é puxado por ele. Usar um bico convergente/divergente proporciona mais força, pois o escapamento também o pressiona à medida que se expande para fora, quase dobrando a força total. Se o gás propulsor for continuamente adicionado à câmara, então estas pressões podem ser mantidas enquanto o propelente permanecer. Observe que, no caso de motores de propelente líquido, as bombas que movem o propelente para a câmara de combustão devem manter uma pressão maior que a da câmara de combustão – normalmente da ordem de 100 atmosferas.

Como efeito colateral, essas pressões no foguete também atuam no escapamento na direção oposta e aceleram esse escapamento a velocidades muito altas (de acordo com a Terceira Lei de Newton). A partir do princípio da conservação do momento, a velocidade de exaustão de um foguete determina quanto aumento de momento é criado para uma determinada quantidade de propelente. Isso é chamado de impulso específico do foguete. Como um foguete, propulsor e escapamento em vôo, sem quaisquer perturbações externas, podem ser considerados como um sistema fechado, o momento total é sempre constante. Portanto, quanto mais rápida for a velocidade líquida do escapamento em uma direção, maior será a velocidade que o foguete pode atingir na direção oposta. Isto é especialmente verdadeiro porque a massa do corpo do foguete é normalmente muito menor do que a massa total final do escapamento.

Forças em um foguete em voo

O estudo geral das forças em um foguete faz parte do campo da balística. As naves espaciais são estudadas posteriormente no subcampo da astrodinâmica.

Os foguetes voadores são afetados principalmente pelo seguinte:

• Thrust do motor (s)
• Gravidade de corpos celestes
• Arraste se movendo na atmosfera
• Elevador; geralmente efeito relativamente pequeno, exceto para aeronaves movidas por foguete

Além disso, a inércia e a pseudoforça centrífuga podem ser significativas devido à trajetória do foguete em torno do centro de um corpo celeste; quando velocidades altas o suficiente na direção e altitude corretas são alcançadas, uma órbita estável ou velocidade de escape é obtida.

Essas forças, com uma cauda estabilizadora (a empenagem) presente, a menos que sejam feitos esforços deliberados de controle, naturalmente farão com que o veículo siga uma trajetória aproximadamente parabólica chamada curva de gravidade, e essa trajetória é frequentemente usado pelo menos durante a parte inicial de um lançamento. (Isso é verdade mesmo se o motor do foguete estiver montado no nariz.) Os veículos podem, assim, manter um ângulo de ataque baixo ou até zero, o que minimiza a tensão transversal no veículo lançador, permitindo um veículo lançador mais fraco e, portanto, mais leve.

Arrastar

O arrasto é uma força oposta à direção do movimento do foguete em relação a qualquer ar através do qual ele esteja se movendo. Isso diminui a velocidade do veículo e produz cargas estruturais. As forças de desaceleração para foguetes em movimento rápido são calculadas usando a equação de arrasto.

O arrasto pode ser minimizado por um nariz cônico aerodinâmico e pelo uso de um formato com alto coeficiente balístico (o formato de foguete "clássico" - longo e fino) e pela manutenção do ângulo do foguete de ataque o mais baixo possível.

Durante um lançamento, à medida que a velocidade do veículo aumenta e a atmosfera fica mais rarefeita, há um ponto de arrasto aerodinâmico máximo chamado max Q. Isso determina a resistência aerodinâmica mínima do veículo, já que o foguete deve evitar entortar sob essas forças.

Impulso líquido

Um motor de foguete típico pode lidar com uma fração significativa de sua própria massa em propelente a cada segundo, com o propulsor saindo do bocal a vários quilômetros por segundo. Isso significa que a relação empuxo-peso de um motor de foguete, e muitas vezes de todo o veículo, pode ser muito alta, em casos extremos acima de 100. Isso se compara a outros motores de propulsão a jato que podem exceder 5 para alguns dos melhores motores.

Pode-se mostrar que o empuxo líquido de um foguete é:

Fn= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =m:: veNão. F_{n] {m}};v_{e}}

onde:

m:: = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ={displaystyle {dot {m}}=,}fluxo propelente (kg/s ou lb/s)

ve= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Não. v_{e}=,}a velocidade de escape eficaz (m/s ou ft/s)

A velocidade de escape eficaz ve{displaystyle v_{e}} é mais ou menos a velocidade que a exaustão deixa o veículo, e no vácuo do espaço, a velocidade de escape eficaz é muitas vezes igual à velocidade de escape média real ao longo do eixo de impulso. No entanto, a velocidade de escape eficaz permite várias perdas, e notavelmente, é reduzida quando operada dentro de uma atmosfera.

A taxa de fluxo de propelente através de um motor de foguete é muitas vezes variada deliberadamente durante um vôo, para fornecer uma maneira de controlar o empuxo e, portanto, a velocidade do veículo. Isto, por exemplo, permite a minimização das perdas aerodinâmicas e pode limitar o aumento das forças G devido à redução da carga do propelente.

Impulso total

Impulso é definido como uma força que atua sobre um objeto ao longo do tempo, que na ausência de forças opostas (gravidade e arrasto aerodinâmico), altera o momento (integral de massa e velocidade) do objeto. Como tal, é o melhor indicador de classe de desempenho (massa de carga útil e capacidade de velocidade terminal) de um foguete, em vez de impulso de decolagem, massa ou “potência”. O impulso total de um foguete (estágio) queimando seu propulsor é:

Eu...= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =∫ ∫ FD)Não. I=int Fdt

Quando há empuxo fixo, isso é simplesmente:

Eu...= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =F)- Sim.

O impulso total de um foguete de múltiplos estágios é a soma dos impulsos dos estágios individuais.

Impulso específico

Como pode ser visto na equação de empuxo, a velocidade efetiva do escapamento controla a quantidade de empuxo produzida a partir de uma determinada quantidade de combustível queimado por segundo.

Uma medida equivalente, o impulso líquido por unidade de peso do propelente expulso, é chamado de impulso específico, Eu...Sp- Sim., e esta é uma das figuras mais importantes que descreve o desempenho de um foguete. É definido tal que está relacionado com a velocidade de escape eficaz por:

ve= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Eu...Sp)) g0Não. v_{e}=I_{sp}cdot g_{0}}

onde:

Eu...Sp- Sim. tem unidades de segundos

g0Não. g_{0}} é a aceleração na superfície da Terra

Assim, quanto maior o impulso específico, maior o impulso líquido e o desempenho do motor. Eu...Sp- Sim. é determinado pela medição enquanto testa o motor. Na prática, as velocidades de escape eficazes de foguetes variam, mas podem ser extremamente altas, ~4500 m/s, cerca de 15 vezes a velocidade do nível do mar do som no ar.

Delta-v (equação do foguete)

A capacidade delta-v de um foguete é a mudança total teórica na velocidade que um foguete pode atingir sem qualquer interferência externa (sem arrasto aéreo, gravidade ou outras forças).

Quando ve{displaystyle v_{e}} é constante, o delta-v que um veículo de foguete pode fornecer pode ser calculado a partir da equação de foguete Tsiolkovsky:

? ? v= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =veI⁡ ⁡ m0m1Não. Delta v =v_{e}ln {frac {m_{0}}{m_{1}}}}

onde:

m0Não. m_{0}} é a massa total inicial, incluindo propelente, em kg (ou lb)

m1Não. m_{1}} é a massa total final em kg (ou lb)

ve{displaystyle v_{e}} é a velocidade de escape eficaz em m/s (ou ft/s)

? ? v{displaystyle Delta v } é o delta-v em m/s (ou ft/s)

Quando lançado da Terra, o delta-vs prático para um único foguete que transporta cargas úteis pode ser de alguns km/s. Alguns projetos teóricos possuem foguetes com delta-vs acima de 9 km/s.

O delta-v necessário também pode ser calculado para uma manobra específica; por exemplo, o delta-v para lançamento da superfície da Terra para a órbita baixa da Terra é de cerca de 9,7 km/s, o que deixa o veículo com uma velocidade lateral de cerca de 7,8 km/s a uma altitude de cerca de 200 km. Nesta manobra, cerca de 1,9 km/s são perdidos em arrasto aéreo, arrasto gravitacional e ganho de altitude.

A razão m0m1Não. {m_{0}}{m_{1}}}} é às vezes chamado de razão de massa.

Proporções de massa

Quase toda a massa de um veículo lançador consiste em propelente. A razão de massa é, para qualquer “queima”, a razão entre a massa inicial e a massa final do foguete. Sendo todo o resto igual, uma alta relação de massa é desejável para um bom desempenho, pois indica que o foguete é leve e, portanto, tem melhor desempenho, essencialmente pelas mesmas razões que o baixo peso é desejável em carros esportivos.

Os foguetes, como grupo, têm a maior relação empuxo-peso de qualquer tipo de motor; e isso ajuda os veículos a atingirem altas proporções de massa, o que melhora o desempenho dos voos. Quanto maior a relação, menor será a massa do motor necessária para transportar. Isso permite transportar ainda mais propelente, melhorando enormemente o delta-v. Alternativamente, alguns foguetes, como para cenários de resgate ou corrida, carregam relativamente pouco propelente e carga útil e, portanto, precisam apenas de uma estrutura leve e, em vez disso, alcançam altas acelerações. Por exemplo, o sistema de escape Soyuz pode produzir 20 g.

As relações de massa alcançáveis dependem altamente de muitos fatores, como o tipo de propulsor, o projeto do motor que o veículo utiliza, as margens de segurança estrutural e as técnicas de construção.

As proporções de massa mais altas são geralmente alcançadas com foguetes líquidos, e esses tipos são geralmente usados para veículos de lançamento orbitais, uma situação que exige um alto delta-v. Os propulsores líquidos geralmente têm densidades semelhantes à da água (com as notáveis exceções do hidrogênio líquido e do metano líquido), e esses tipos são capazes de usar tanques leves e de baixa pressão e normalmente operar turbobombas de alto desempenho para forçar o propelente na câmara de combustão.

Algumas frações de massa notáveis são encontradas na tabela a seguir (algumas aeronaves são incluídas para fins de comparação):

Preparação

Até agora, a velocidade necessária (delta-v) para atingir a órbita não foi alcançada por nenhum único foguete porque o propulsor, o tanque, a estrutura, a orientação, as válvulas e os motores, e assim por diante, exigem uma determinada porcentagem mínima de decolagem. massa que é grande demais para o propelente que carrega atingir aquele delta-v transportando cargas úteis razoáveis. Como o estágio único até a órbita ainda não foi viável, os foguetes orbitais sempre têm mais de um estágio.

Por exemplo, o primeiro estágio do Saturn V, carregando o peso dos estágios superiores, foi capaz de atingir uma proporção de massa de cerca de 10 e alcançou um impulso específico de 263 segundos. Isso dá um delta-v de cerca de 5,9 km/s, enquanto o delta-v de cerca de 9,4 km/s é necessário para atingir a órbita com todas as perdas permitidas.

Este problema é frequentemente resolvido por preparação – o foguete elimina o excesso de peso (geralmente tanque vazio e motores associados) durante o lançamento. O cenário é serial, onde os foguetes acendem após o estágio anterior ter caído, ou paralelo, onde os foguetes queimam juntos e depois se desprendem quando queimam.

As velocidades máximas que podem ser alcançadas com a preparação são teoricamente limitadas apenas pela velocidade da luz. No entanto, a carga útil que pode ser transportada diminui geometricamente com cada estágio extra necessário, enquanto o delta-v adicional para cada estágio é simplesmente aditivo.

Aceleração e relação impulso-peso

Da segunda lei de Newton, a aceleração, umNão., de um veículo é simplesmente:

um= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Fnm- Sim. {F_{n}}{m}}}

Onde? m é a massa instantânea do veículo e FnNão. F_{n}} é a força líquida atuando no foguete (principalmente empurrado, mas o arrasto aéreo e outras forças podem desempenhar uma parte).

À medida que o propelente restante diminui, os veículos-foguete tornam-se mais leves e sua aceleração tende a aumentar até que o propulsor se esgote. Isso significa que grande parte da mudança de velocidade ocorre no final da queima, quando o veículo está muito mais leve. No entanto, o impulso pode ser acelerado para compensar ou variar, se necessário. Descontinuidades na aceleração também ocorrem quando os estágios queimam, muitas vezes começando com uma aceleração mais baixa a cada novo estágio acionado.

As acelerações máximas podem ser aumentadas projetando o veículo com uma massa reduzida, geralmente alcançada por uma redução na carga de combustível e no tanque e nas estruturas associadas, mas obviamente isso reduz o alcance, o delta-v e o tempo de queima. Ainda assim, para algumas aplicações para as quais os foguetes são usados, um pico de aceleração elevado aplicado por um curto período de tempo é altamente desejável.

A massa mínima do veículo consiste em um motor de foguete com combustível e estrutura mínimos para transportá-lo. Nesse caso, a relação empuxo-peso do motor do foguete limita a aceleração máxima que pode ser projetada. Acontece que os motores de foguete geralmente têm relações impulso-peso verdadeiramente excelentes (137 para o motor NK-33; alguns foguetes sólidos têm mais de 1000), e quase todos os veículos de alto g empregam ou empregaram foguetes.

As altas acelerações que os foguetes possuem naturalmente significam que os veículos-foguete são muitas vezes capazes de decolagem vertical e, em alguns casos, com orientação e controle adequados dos motores, também de pouso vertical. Para que essas operações sejam realizadas é necessário que os motores do veículo forneçam mais do que a aceleração gravitacional local.

Energia

Eficiência energética

A densidade de energia de um propelente de foguete típico costuma ser cerca de um terço da dos combustíveis hidrocarbonetos convencionais; a maior parte da massa é um oxidante (muitas vezes relativamente barato). No entanto, na decolagem, o foguete possui uma grande quantidade de energia no combustível e no oxidante armazenados no veículo. É claro que é desejável que o máximo possível da energia do propelente resulte na energia cinética ou potencial do corpo do foguete.

A energia do combustível é perdida na resistência do ar e da gravidade e é usada para o foguete ganhar altitude e velocidade. No entanto, grande parte da energia perdida acaba no escapamento.

Em um dispositivo de propulsão química, a eficiência do motor é simplesmente a razão entre a potência cinética dos gases de escape e a potência disponível a partir da reação química:

? ? c= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =12m:: ve2? ? comb)uS)Eu...onPchem{displaystyle eta} _{c}={frac {{1}{2}}{dot {m}}v_{e}^{2}}{eta _{combustion}P_{chem}}

100% de eficiência dentro do motor (eficiência do motor ? ? c= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =100.% % {displaystyle eta} _{c}=100%}) significaria que toda a energia térmica dos produtos de combustão é convertida em energia cinética do jato. Isso não é possível, mas os bicos de proporção de alta expansão quase adiabáticos que podem ser usados com foguetes vêm surpreendentemente próximos: quando o bico expande o gás, o gás é refrigerado e acelerado, e uma eficiência energética de até 70% pode ser alcançada. A maior parte do resto é a energia térmica no esgotamento que não é recuperado. A alta eficiência é uma consequência do fato de que a combustão do foguete pode ser realizada a temperaturas muito altas e o gás é finalmente liberado a temperaturas muito mais baixas, e assim dando boa eficiência do Carnot.

No entanto, a eficiência do motor não é toda a história. Em comum com os outros motores baseados em jato, mas particularmente em foguetes devido às suas altas e tipicamente fixas velocidades de escape, veículos de foguete são extremamente ineficientes a baixas velocidades, independentemente da eficiência do motor. O problema é que a baixas velocidades, o escape carrega uma enorme quantidade de energia cinética traseira. Este fenômeno é chamado de eficiência propulsiva (? ? p{displaystyle eta _{p}}).

No entanto, à medida que a velocidade aumenta, a velocidade de escape resultante diminui e a eficiência energética geral do veículo aumenta, atingindo um pico de cerca de 100% da eficiência do motor quando o veículo se desloca exatamente à mesma velocidade em que o escape é emitido.. Neste caso, o escapamento idealmente pararia no espaço atrás do veículo em movimento, retirando energia zero e, pela conservação da energia, toda a energia acabaria no veículo. A eficiência cai novamente em velocidades ainda mais altas, à medida que o escapamento acaba se deslocando para a frente – ficando atrás do veículo.

Destes princípios pode-se mostrar que a eficiência propulsiva ? ? p{displaystyle eta _{p}} para um foguete que se move em velocidade uNão. com uma velocidade de escape cNão. é:

? ? p= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2uc1+(uc)2{displaystyle eta} _{p}={frac {2{frac {u}{c}}}{1+({frac {u}{c}})^{2}}}}

E a eficiência energética geral (instantânea) ? ? - Sim. é:

? ? = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? p? ? c{displaystyle eta} =eta _{p}eta _{c}}

Por exemplo, da equação, com um ? ? c{displaystyle eta _{c}} de 0,7, um foguete voando em Mach 0,85 (que a maioria das aeronaves cruzeiro em) com uma velocidade de escape de Mach 10, teria uma eficiência energética global prevista de 5,9%, enquanto um motor jato convencional, moderno e de respiração a ar atinge mais perto de 35% de eficiência. Assim, um foguete precisaria cerca de 6x mais energia; e permitir que a energia específica do propelente do foguete seja em torno de um terço do combustível aéreo convencional, aproximadamente 18x mais massa de propelente precisaria ser transportada para a mesma jornada. É por isso que os foguetes raramente são usados para a aviação geral.

Como a energia vem, em última análise, do combustível, estas considerações significam que os foguetes são úteis principalmente quando é necessária uma velocidade muito alta, como ICBMs ou lançamento orbital. Por exemplo, o ônibus espacial da NASA ligou seus motores por cerca de 8,5 minutos, consumindo 1.000 toneladas de propulsor sólido (contendo 16% de alumínio) e mais 2.000.000 litros de propelente líquido (106.261 kg de combustível de hidrogênio líquido) para levantar os 100.000 kg (incluindo a carga útil de 25.000 kg) a uma altitude de 111 km e uma velocidade orbital de 30.000 km/h. Nessa altitude e velocidade, o veículo tinha uma energia cinética de cerca de 3 TJ e uma energia potencial de aproximadamente 200 GJ. Dada a energia inicial de 20 TJ, o ônibus espacial teve cerca de 16% de eficiência energética no lançamento do orbitador.

Assim, os motores a jato, com uma melhor combinação entre velocidade e velocidade de escape a jato (como turbofans), apesar de seu pior ? ? c{displaystyle eta _{c}}) - domine para uso atmosférico subsônico e supersônico, enquanto os foguetes funcionam melhor em velocidades hipersônicas. Por outro lado, foguetes servem em muitos curto alcance relativamente aplicações militares de baixa velocidade onde sua ineficiência de baixa velocidade é superada por seu impulso extremamente alto e, portanto, altas acelerações.

Efeito Oberth

Uma característica sutil dos foguetes está relacionada à energia. Um estágio de foguete, embora carregue uma determinada carga, é capaz de fornecer um determinado delta-v. Este delta-v significa que a velocidade aumenta (ou diminui) em uma determinada quantidade, independente da velocidade inicial. No entanto, como a energia cinética é uma lei quadrática da velocidade, isso significa que quanto mais rápido o foguete estiver viajando antes da queima, mais energia orbital ele ganha ou perde.

Esse fato é usado em viagens interplanetárias. Isso significa que a quantidade de delta-v para alcançar outros planetas, além daquela para atingir a velocidade de escape, pode ser muito menor se o delta-v for aplicado quando o foguete estiver viajando em altas velocidades, perto da Terra ou de outra superfície planetária.; enquanto esperar até que o foguete diminua a velocidade em altitude multiplica o esforço necessário para atingir a trajetória desejada.

Segurança, confiabilidade e acidentes

A confiabilidade dos foguetes, assim como de todos os sistemas físicos, depende da qualidade do projeto de engenharia e da construção.

Devido à enorme energia química presente nos propelentes dos foguetes (maior energia em peso que a dos explosivos, mas menor que a da gasolina), as consequências dos acidentes podem ser graves. A maioria das missões espaciais tem alguns problemas. Em 1986, após o desastre do ônibus espacial Challenger, o físico americano Richard Feynman, tendo atuado na Comissão Rogers, estimou que a chance de uma condição insegura para o lançamento do ônibus espacial era de aproximadamente 1%; mais recentemente, o risco histórico de voo por pessoa em voos espaciais orbitais foi calculado em cerca de 2% ou 4%.

Em maio de 2003, o escritório de astronautas deixou clara sua posição sobre a necessidade e a viabilidade de melhorar a segurança da tripulação para futuras missões tripuladas da NASA, indicando seu “consenso de que uma redução de ordem de magnitude no risco de vida humana durante a subida, em comparação ao ônibus espacial, é alcançável com a tecnologia atual e consistente com o foco da NASA em melhorar continuamente a confiabilidade dos foguetes.

Custos e economia

Os custos dos foguetes podem ser divididos aproximadamente em custos de propelente, custos de obtenção e/ou produção da 'massa seca' do foguete e os custos de quaisquer equipamentos e instalações de suporte necessários.

A maior parte da massa de decolagem de um foguete normalmente é propelente. No entanto, o propelente raramente é mais do que algumas vezes mais caro do que a gasolina por quilograma (em 2009, a gasolina custava cerca de US$ 1/kg [US$ 0,45/lb] ou menos) e, embora sejam necessárias quantidades substanciais, para todos, exceto os foguetes mais baratos, ele Acontece que os custos do propulsor são geralmente comparativamente pequenos, embora não completamente negligenciáveis. Com o oxigênio líquido custando US$ 0,15 por quilograma (US$ 0,068/lb) e o hidrogênio líquido US$ 2,20/kg (US$ 1,00/lb), o ônibus espacial em 2009 teve uma despesa de propelente líquido de aproximadamente US$ 1,4 milhão para cada lançamento que custou US$ 450 milhões de outras despesas (com 40% da massa de propulsores utilizados por ele são líquidos no tanque de combustível externo, 60% sólidos nos SRBs).

Mesmo que um foguete não seja um propulsor, a massa seca geralmente representa apenas entre 5 e 20% da massa total, mas esse custo domina. Para hardware com o desempenho usado em veículos de lançamento orbital, são comuns despesas de US$ 2.000 a US$ 10.000+ por quilograma de peso seco, principalmente de engenharia, fabricação e testes; as matérias-primas representam normalmente cerca de 2% das despesas totais. Para a maioria dos foguetes, exceto os reutilizáveis (motores de transporte), os motores não precisam funcionar mais do que alguns minutos, o que simplifica o projeto.

Os requisitos extremos de desempenho para foguetes que atingem a órbita estão correlacionados com o alto custo, incluindo controle de qualidade intensivo para garantir a confiabilidade, apesar dos fatores de segurança limitados permitidos por razões de peso. Componentes produzidos em pequenos números, se não forem usinados individualmente, podem evitar a amortização de P&D e custos de instalações em relação à produção em massa, na mesma medida observada na fabricação mais pedestre. Entre os foguetes de combustível líquido, a complexidade pode ser influenciada pela quantidade de hardware que deve ser leve, como os motores alimentados por pressão podem ter uma contagem de peças duas ordens de magnitude menor do que os motores alimentados por bomba, mas levam a mais peso por necessitarem de maior pressão no tanque, na maioria das vezes usado apenas em pequenos propulsores de manobra como consequência.

Para mudar os fatores anteriores para veículos de lançamento orbitais, os métodos propostos incluíram a produção em massa de foguetes simples em grandes quantidades ou em grande escala, ou o desenvolvimento de foguetes reutilizáveis destinados a voar com muita frequência para amortizar suas despesas iniciais em muitas cargas úteis. ou reduzindo os requisitos de desempenho do foguete, construindo um sistema de lançamento espacial não-foguete para parte da velocidade de órbita (ou toda ela, mas com a maioria dos métodos envolvendo algum uso de foguete).

Os custos de equipamento de apoio, custos de alcance e plataformas de lançamento geralmente aumentam com o tamanho do foguete, mas variam menos com a taxa de lançamento e, portanto, podem ser considerados como um custo aproximadamente fixo.

Foguetes em outras aplicações além do lançamento em órbita (como foguetes militares e decolagem assistida por foguete), que normalmente não necessitam de desempenho comparável e às vezes são produzidos em massa, são frequentemente relativamente baratos.

Competição privada emergente da década de 2010

Desde o início da década de 2010, surgiram novas opções privadas para a obtenção de serviços de voos espaciais, trazendo uma pressão substancial sobre os preços no mercado existente.