• Home
  • Química
  • Astronomia
  • Energia
  • Natureza
  • Biologia
  • Física
  • Eletrônicos
  •  science >> Ciência >  >> Astronomia
    Como funcionam os motores de foguete
    HowStuffWorks 2005 Veja mais fotos de foguetes.

    Um dos empreendimentos mais incríveis que o homem já empreendeu é a exploração do espaço. Grande parte do espanto é a complexidade. A exploração do espaço é complicada porque há muitos problemas para resolver e obstáculos para superar. Você tem coisas como:

    • O vácuo do espaço
    • Problemas de gerenciamento de calor
    • A dificuldade de reentrada
    • Mecânica orbital
    • Micrometeoritos e detritos espaciais
    • Radiação cósmica e solar
    • A logística de ter banheiros em um ambiente sem gravidade

    Mas o maior problema de todos é aproveitar energia suficiente simplesmente para tirar uma espaçonave do solo. É onde motores de foguetes entre.

    Galeria de imagens de foguetes

    Os motores de foguete são, por um lado, tão simples que você pode construir e voar seus próprios foguetes modelo de forma muito barata (consulte os links na última página do artigo para obter detalhes). Por outro lado, motores de foguetes (e seus sistemas de combustível) são tão complicados que apenas três países colocaram pessoas em órbita. Neste artigo, veremos os motores de foguete para entender como eles funcionam, bem como para compreender alguma da complexidade que os rodeia.

    Quando a maioria das pessoas pensa em motores ou motores, eles pensam sobre rotação. Por exemplo, um motor alternativo a gasolina em um carro produz energia rotacional para mover as rodas. Um motor elétrico produz energia rotacional para acionar um ventilador ou girar um disco. Uma máquina a vapor é usada para fazer a mesma coisa, assim como uma turbina a vapor e a maioria das turbinas a gás.

    Os motores de foguetes são fundamentalmente diferentes. Os motores de foguetes são reação motores. O princípio básico que move um motor de foguete é o famoso princípio newtoniano de que "para cada ação há uma reação igual e oposta". Um motor de foguete está jogando massa em uma direção e se beneficiando da reação que ocorre na outra direção como resultado.

    Este conceito de "jogar massa e se beneficiar da reação" pode ser difícil de entender no início, porque não parece ser isso o que está acontecendo. Os motores de foguete parecem ser sobre chamas, ruído e pressão, não "atirar coisas". Vejamos alguns exemplos para obter uma imagem melhor da realidade:

    • Se você já atirou em um espingarda , especialmente uma grande espingarda calibre 12, então você sabe que tem muito "chute". Isso é, quando você atira, ela "chuta" seu ombro para trás com muita força. Esse chute é uma reação. Uma espingarda atira cerca de 30 gramas de metal em uma direção a cerca de 700 milhas por hora, e seu ombro é atingido com a reação. Se você estava usando patins ou em pé sobre um skate quando atirou com a arma, então a arma estaria agindo como um motor de foguete e você reagiria rolando na direção oposta.
    • Se você já viu um grande Mangueira de incêndio pulverizando água, você deve ter notado que é preciso muita força para segurar a mangueira (às vezes você verá dois ou três bombeiros segurando a mangueira). A mangueira está agindo como um motor de foguete. A mangueira está jogando água em uma direção, e os bombeiros estão usando sua força e peso para neutralizar a reação. Se eles soltassem a mangueira, ele se debatia com uma força tremenda. Se os bombeiros estivessem todos de pé em skates, a mangueira os impulsionaria para trás em grande velocidade!
    • Quando você explode um balão e deixá-lo ir para que voe por toda a sala antes de ficar sem ar, você criou um motor de foguete. Nesse caso, o que está sendo lançado são as moléculas de ar dentro do balão. Muitas pessoas acreditam que as moléculas de ar não pesam nada, mas eles fazem (veja a página sobre hélio para obter uma imagem melhor do peso do ar). Quando você os joga fora do bico de um balão, o resto do balão reage na direção oposta.

    Próximo, veremos outro cenário que explica a ação e a reação:o beisebol espacial.

    Mais sobre motores de foguete

    Sintonize o Turbo Channel - o lugar certo para programar sobre carros, motocicletas, aviões e tudo o mais com motor.

    Conteúdo
    1. Ação e reação:o cenário do beisebol no espaço
    2. Impulso
    3. Foguetes de combustível sólido:mistura de combustível
    4. Foguetes de combustível sólido:configuração do canal
    5. Foguetes de propelente líquido
    6. O futuro dos motores de foguete

    Ação e reação:o cenário do beisebol no espaço

    Uma câmera remota captura uma visão de perto do motor principal de um ônibus espacial durante um teste de disparo no Centro Espacial John C. Stennis em Hancock County, Senhorita. Foto cedida pela NASA

    Imagine a seguinte situação:você está vestindo um traje espacial e está flutuando no espaço ao lado do ônibus espacial; por acaso você tem uma bola de beisebol na mão.

    Se você jogar a bola de beisebol, seu corpo vai reagir movendo-se na direção oposta da bola. O que controla a velocidade com que seu corpo se afasta é o peso da bola que você joga e a quantidade de aceleração que você aplica a ele. A massa multiplicada pela aceleração é a força (f =m * a). Qualquer força que você aplicar à bola de beisebol será equalizada por uma força de reação idêntica aplicada ao seu corpo (m * a =m * a). Então, digamos que a bola de beisebol pesa 1 quilo, e seu corpo mais o traje espacial pesam 100 libras. Você joga a bola fora a uma velocidade de 32 pés por segundo (21 mph). Quer dizer, você acelera a bola de beisebol de meio quilo com seu braço para que obtenha uma velocidade de 21 mph. Seu corpo reage, mas pesa 100 vezes mais que a bola de beisebol. Portanto, ele se afasta a um centésimo da velocidade da bola de beisebol, ou 0,32 pés por segundo (0,21 mph).

    Se você deseja gerar mais impulso de seu beisebol, você tem duas opções:aumentar a massa ou aumentar a aceleração. Você pode lançar uma bola de beisebol mais pesada ou várias bolas de beisebol uma após a outra (aumentando a massa), ou você pode lançar a bola de beisebol mais rápido (aumentando a aceleração). Mas isso é tudo o que você pode fazer.

    Um motor de foguete geralmente está jogando massa na forma de um gás de alta pressão . O motor joga a massa de gás em uma direção para obter uma reação na direção oposta. A massa vem do peso do combustível que o motor do foguete queima. O processo de queima acelera a massa de combustível para que saia do bico do foguete em alta velocidade. O fato de o combustível se transformar de sólido ou líquido em gás ao ser queimado não altera sua massa. Se você queimar meio quilo de combustível de foguete, meio quilo de exaustão sai do bocal na forma de um tubo de alta temperatura, gás de alta velocidade. O formulário muda, mas a massa não. O processo de queima acelera a massa.

    Vamos aprender mais sobre empuxo a seguir.

    Impulso

    A "força" de um motor de foguete é chamada de impulso . O empuxo é medido em "libras de empuxo" nos EUA e em Newtons sob o sistema métrico (4,45 Newtons de empuxo é igual a 1 libra de empuxo). Meio quilo de empuxo é a quantidade de empuxo necessária para manter um objeto de meio quilo estacionário contra a força da gravidade na Terra. Então, na Terra, a aceleração da gravidade é de 32 pés por segundo por segundo (21 mph por segundo). Se você estivesse flutuando no espaço com um saco de bolas de beisebol e jogasse uma bola por segundo longe de você a 21 mph, suas bolas de beisebol estariam gerando o equivalente a 1 libra de empuxo. Se você jogasse as bolas de beisebol a 68 km / h, então você estaria gerando 2 libras de empuxo. Se você jogá-los aos 2, 100 mph (talvez atirando neles com algum tipo de arma de beisebol), então você está gerando 100 libras de empuxo, e assim por diante.

    Um dos problemas engraçados que os foguetes têm é que os objetos que o motor quer lançar realmente pesam algo, e o foguete tem que carregar esse peso. Então, digamos que você queira gerar 100 libras de impulso por uma hora, jogando uma bola de beisebol a cada segundo a uma velocidade de 2, 100 mph. Isso significa que você deve começar com 3, 600 bolas de beisebol de 1 libra (são 3, 600 segundos em uma hora), ou 3, 600 libras de bolas de beisebol. Já que você pesa apenas 45 quilos em seu traje espacial, você pode ver que o peso do seu "combustível" supera o peso da carga útil (você). Na verdade, o combustível pesa 36 vezes mais do que a carga útil. E isso é muito comum. É por isso que você precisa de um foguete enorme para levar uma pessoa minúscula ao espaço agora - você precisa carregar muito combustível.

    Você pode ver a equação do peso muito claramente no ônibus espacial. Se você já viu o lançamento do ônibus espacial, você sabe que existem três partes:

    • The Orbiter
    • O grande tanque externo
    • Os dois impulsionadores de foguete sólidos (SRBs)

    O Orbiter pesa 165, 000 libras vazias. O tanque externo pesa 78, 100 libras vazias. Os dois propulsores de foguete sólidos pesam 185, 000 libras vazias cada. Mas então você tem que carregar o combustível. Cada SRB contém 1,1 milhão de libras de combustível. O tanque externo contém 143, 000 galões de oxigênio líquido (1, 359, 000 libras) e 383, 000 galões de hidrogênio líquido (226, 000 libras). Todo o veículo - transporte, tanque externo, carcaças sólidas de foguete e todo o combustível - tem um peso total de 4,4 milhões de libras no lançamento. 4,4 milhões de libras para obter 165, 000 libras em órbita é uma grande diferença! Para ser justo, o orbitador também pode carregar um 65, Carga útil de 000 libras (até 15 x 60 pés de tamanho), mas ainda é uma grande diferença. O combustível pesa quase 20 vezes mais que o Orbiter [fonte:The Space Shuttle Operator's Manual].

    Todo esse combustível está sendo jogado na parte de trás do ônibus espacial a uma velocidade de talvez 6, 000 mph (velocidades típicas de escape de foguetes para foguetes químicos variam entre 5, 000 e 10, 000 mph). Os SRBs queimam por cerca de dois minutos e geram cerca de 3,3 milhões de libras de empuxo cada no lançamento (2,65 milhões de libras em média durante a queima). Os três motores principais (que usam o combustível do tanque externo) queimam por cerca de oito minutos, gerando 375, 000 libras de impulso cada durante a queima.

    Na próxima seção, veremos a mistura de combustível específica em foguetes de combustível sólido.

    Foguetes de combustível sólido:mistura de combustível

    Um foguete de combustível sólido imediatamente antes e depois da ignição

    Os motores de foguete de combustível sólido foram os primeiros motores criados pelo homem. Eles foram inventados há centenas de anos na China e têm sido amplamente usados ​​desde então. A linha sobre "o brilho vermelho do foguete" no hino nacional (escrito no início de 1800) fala sobre pequenos foguetes militares de combustível sólido usados ​​para lançar bombas ou dispositivos incendiários. Portanto, você pode ver que os foguetes estão em uso há bastante tempo.

    A ideia por trás de um foguete de combustível sólido simples é direta. O que você quer fazer é criar algo que queime muito rapidamente, mas não exploda. Como você provavelmente sabe, a pólvora explode. A pólvora é composta por 75% de nitrato, 15% de carbono e 10% de enxofre. Em um motor de foguete, você não quer uma explosão - você gostaria que a energia fosse liberada de maneira mais uniforme ao longo de um período de tempo. Portanto, você pode alterar a mistura para 72% de nitrato, 24% de carbono e 4% de enxofre. Nesse caso, em vez de pólvora, você obtém um combustível de foguete simples. Este tipo de mistura vai queimar muito rapidamente, mas não explode se carregado corretamente. Aqui está uma seção transversal típica:

    À esquerda, você vê o foguete antes da ignição. O combustível sólido é mostrado em verde. É cilíndrico, com um tubo perfurado no meio. Quando você acende o combustível, ele queima ao longo da parede do tubo. Enquanto queima, ele queima para fora em direção ao invólucro até que todo o combustível seja queimado. Em um pequeno modelo de motor de foguete ou em um minúsculo foguete de garrafa, a queima pode durar um segundo ou menos. Em um SRB de ônibus espacial contendo mais de um milhão de libras de combustível, a queimadura dura cerca de dois minutos.

    Foguetes de combustível sólido:configuração do canal

    Quando você lê sobre foguetes de combustível sólido avançados, como os propulsores de foguetes sólidos do Shuttle, você costuma ler coisas como:

    A mistura de propelente em cada motor SRB consiste em um perclorato de amônio (oxidante, 69,6 por cento em peso), alumínio (combustível, 16 por cento), óxido de ferro (um catalisador, 0,4 por cento), um polímero (um aglutinante que mantém a mistura unida, 12,04 por cento), e um agente de cura epóxi (1,96 por cento). O propelente é uma perfuração em forma de estrela de 11 pontos no segmento motor dianteiro e uma perfuração de cone duplo truncado em cada um dos segmentos traseiros e fechamento posterior. Essa configuração fornece alto empuxo na ignição e, em seguida, reduz o empuxo em aproximadamente um terço, 50 segundos após a decolagem, para evitar sobrecarregar o veículo durante a pressão dinâmica máxima. [fonte:NASA]

    Este parágrafo discute não apenas a mistura de combustível, mas também a configuração do canal perfurado no centro do combustível. Uma "perfuração em forma de estrela de 11 pontas" pode ter a seguinte aparência:

    A ideia é aumentar a área de superfície do canal, aumentando assim a área de queima e, portanto, o impulso. À medida que o combustível queima, a forma se nivela em um círculo. No caso dos SRBs, dá ao motor um impulso inicial alto e um impulso mais baixo no meio do vôo.

    Os motores de foguete de combustível sólido têm três vantagens importantes:

    • Simplicidade
    • Baixo custo
    • Segurança

    Eles também têm duas desvantagens:

    • O impulso não pode ser controlado.
    • Uma vez aceso, o motor não pode ser parado ou reiniciado.

    As desvantagens significam que foguetes de combustível sólido são úteis para tarefas de curta duração (como mísseis), ou para sistemas de reforço. Quando você precisa ser capaz de controlar o motor, você deve usar um sistema de propelente líquido. Aprenderemos sobre essas e outras possibilidades a seguir.

    Foguetes de propelente líquido

    Dr. Robert H. Goddard e seu foguete de oxigênio líquido-gasolina na estrutura da qual foi disparado em 16 de março, 1926, em Auburn, Massa. Voou por apenas 2,5 segundos, escalou 41 pés, e caiu a 54 metros de distância em um canteiro de repolho. Foto cedida pela NASA

    Em 1926, Robert Goddard testou o primeiro motor de foguete de propelente líquido. Seu motor usava gasolina e oxigênio líquido. Ele também trabalhou e resolveu uma série de problemas fundamentais no projeto de motores de foguete, incluindo mecanismos de bombeamento, estratégias de resfriamento e arranjos de direção. São esses problemas que tornam os foguetes de propelente líquido tão complicados.

    A idéia básica é simples. Na maioria dos motores de foguete de propelente líquido, um combustível e um oxidante (por exemplo, gasolina e oxigênio líquido) são bombeados para uma câmara de combustão. Lá eles queimam para criar um fluxo de gases quentes de alta pressão e alta velocidade. Esses gases fluem através de um bico que os acelera ainda mais (5, 000 a 10, Velocidades de saída de 000 mph sendo típicas), e então eles saem do motor. O diagrama altamente simplificado a seguir mostra os componentes básicos.

    Este diagrama não mostra as complexidades reais de um motor típico (veja alguns dos links na parte inferior da página para boas imagens e descrições de motores reais). Por exemplo, é normal que o combustível ou o oxidante sejam um gás liquefeito frio como o hidrogênio líquido ou o oxigênio líquido. Um dos grandes problemas em um motor de foguete de propelente líquido é o resfriamento da câmara de combustão e do bico, assim, os líquidos criogênicos são primeiro circulados em torno das partes superaquecidas para resfriá-las. As bombas têm que gerar pressões extremamente altas para superar a pressão que a queima do combustível cria na câmara de combustão. Os motores principais do ônibus espacial, na verdade, usam dois estágios de bombeamento e queimam combustível para acionar as bombas do segundo estágio. Todo esse bombeamento e resfriamento faz com que um motor de propelente líquido típico pareça mais com um projeto de encanamento maluco do que qualquer outra coisa - olhe os motores nesta página para ver o que quero dizer.

    Todos os tipos de combinações de combustível são usados ​​em motores de foguetes de propelente líquido. Por exemplo:

    • Hidrogênio líquido e oxigênio líquido - usado nos motores principais do ônibus espacial
    • Gasolina e oxigênio líquido - usado nos primeiros foguetes de Goddard
    • Querosene e oxigênio líquido - usado no primeiro estágio dos grandes impulsionadores do Saturn V no programa Apollo
    • Álcool e oxigênio líquido - usado nos foguetes V2 alemães
    • Tetróxido de nitrogênio / monometil hidrazina - usado nos motores Cassini

    O futuro dos motores de foguete

    Esta imagem de um motor de íon xenônio, fotografado através de uma porta da câmara de vácuo onde estava sendo testado no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, mostra o brilho azul fraco de átomos carregados sendo emitidos pelo motor. O motor de propulsão iônica é a primeira propulsão não química a ser usada como meio principal de propulsão de uma espaçonave. Foto cedida pela NASA

    Estamos acostumados a ver motores de foguetes químicos que queimam seu combustível para gerar empuxo. No entanto, existem muitas outras maneiras de gerar impulso. Qualquer sistema que lance massa serviria. Se você pudesse descobrir uma maneira de acelerar as bolas de beisebol a velocidades extremamente altas, você teria um motor de foguete viável. O único problema com tal abordagem seria o "escapamento" do beisebol (bolas de beisebol de alta velocidade) que flui através do espaço. Este pequeno problema faz com que os projetistas de motores de foguetes dêem preferência aos gases para o escapamento.

    Muitos motores de foguetes são muito pequenos. Por exemplo, os propulsores de atitude em satélites não precisam produzir muito impulso. Um projeto de motor comum encontrado em satélites não usa nenhum "combustível" - propulsores de nitrogênio pressurizado simplesmente sopre o gás nitrogênio de um tanque através de um bico. Propulsores como esses mantinham o Skylab em órbita, e também são usados ​​no sistema de manobra tripulado do ônibus espacial.

    Novos projetos de motores estão tentando encontrar maneiras de acelerar íons ou partículas atômicas a velocidades extremamente altas para criar o empuxo com mais eficiência. A espaçonave Deep Space-1 da NASA foi a primeira a usar motores iônicos para propulsão [fonte:SPACE.com]. Consulte esta página para obter uma discussão adicional sobre motores de plasma e íons.

    Para obter mais informações sobre motores de foguetes e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.

    Muito mais informações

    Artigos relacionados do HowStuffWorks

    • Como funcionam os ônibus espaciais
    • Como funciona o foguete EZ
    • Como a propulsão de fusão funcionará
    • Como funcionam os foguetes de respiração de ar
    • Como a propulsão eletromagnética funcionará
    • Como funciona o Aptera Hybrid
    • Você pode fazer um motor de foguete usando peróxido de hidrogênio e prata?

    Mais ótimos links

    • Eficiência de propulsão de um motor - equações
    • Associação Nacional de Foguetes
    • Como projetar, Construir e testar pequenos motores de foguete de combustível líquido
    • NASA:guia do iniciante para modelar foguetes
    © Ciência https://pt.scienceaq.com