A tecnologia de foguetões é quase 1000 anos mais antiga do que a exploração espacial e apesar de as naves actuais serem muito mais capazes e versáteis que os foguetes a pólvora do Séc XI, há aspectos do seu funcionamento que nunca mudaram. Um foguetão usa, na prática, uma explosão controlada em que a energia é direccionada para baixo para fazer com que o veículo se mova para cima. Quando há problemas, normalmente essa explosão passa de controlada a descontrolada num instante. Os foguetões são perigosos? Obviamente que sim, mas são as únicas opções de locomoção em ambientes em que outras formas de transporte não funcionam, como no vácuo do espaço
Um problema de gravidade
A força gravitacional do nosso planeta é o que nos mantém agarrados ao chão. Por isso, é necessária uma grande quantidade de energia para que até um objecto com massa diminuta consiga atingir a velocidade de escape da Terra. E essa velocidade é mesmo muito alta. Para conseguir libertar-se da gravidade terrestre, um objecto necessita de atingir uma velocidade de 11,2 km por segundo, ou 40320 km/h.
A reacção química que se desenrola dento da grande maioria dos foguetões, usa os mesmos princípios de qualquer fogo: é necessário combustível, um oxidante e uma fonte de ignição. Quando se chega às camadas mais altas da atmosfera, e ao espaço, é impossível usar-se o oxigénio da atmosfera como oxidante, como acontece nos motores de combustão interna dos automóveis. É esta a razão que obriga os foguetões a transportarem depósitos com o combustível e oxidante. Por exemplo, os motores Merlin dos foguetões Falcon 9 da Space X usam querosene (RP-1) como combustível e oxigénio líquido como oxidante. Já os foguetões da NASA usam hidrogénio líquido como combustível e oxigénio líquido como oxidante. Outros motores usam combustíveis que ardem espontaneamente quando se misturam, mas a maioria continua a necessitar de uma fonte de ignição.
Quando o motor de um foguetão dispara, consegue observar-se claramente a terceira lei de Newton: “A toda acção há sempre uma reacção oposta e de igual intensidade: as acções mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em sentidos opostos.” O jacto de combustível que se expande a partir do bocal dos motores faz pressão no foguetão e o foguetão faz uma pressão oposta. O resultado é uma aceleração suficiente para vencer a força da gravidade.
Tudo isto coloca uma grande pressão na estrutura do veículo. À medida que acelera através da atmosfera, o foguetão chega rapidamente à parte mais perigosa de qualquer lançamento, conhecida como pressão dinâmica máxima (Maximum Dynamic Pressure), ou ‘Max q’. Neste ponto, a aceleração e a pressão atmosférica causam o máximo possível de esforço mecânico no veículo. A ultrapassagem deste ponto é um dos aspectos mais importantes no desenho de qualquer veículo de lançamento.
Até ao infinito e mais além
De certeza que já viu imagens de foguetões que não conseguiram chegar ao espaço. Normalmente, começam a rodopiar até se desintegrarem numa bola de fogo. Na maioria dos casos, o primeiro sintoma de que algo está a correr mal é o ver o foguetão a começar a oscilar ligeiramente. Quando estão em voo, os foguetões giram sobre si próprios para aumentar a estabilidade, mas uma precessão descontrolada pode fazer com que o eixo de rotação se incline até ao ponto em que o veículo deixe de voar para cima. Se ocorrer uma pequena inclinação quando um foguetão ainda está na atmosfera e a acelerar, isso pode causar uma rotação e essa rotação pode destruir o veículo. Actualmente, muitos foguetões têm sistemas que destroem o veículo se acontecer uma perda de controlo.
Long road to reusabity of Falcon 9 primary boost stage…When upper stage & fairing also reusable, costs will drop by a factor >100. pic.twitter.com/WyTAQ3T9EP
— Elon Musk (@elonmusk) September 14, 2017
Para manter um foguetão apontado na direcção certa, os engenheiros usam elementos aerodinâmicos como lemes ou pequenas asas e motores que podem oscilar alguns graus em todas as direcções.
No campo dos motores de foguetões, existem dois tipos principais: os que usam combustível sólido e os que usam combustível líquido. Estes últimos são os mais usados nos veículos lançadores para satélites e exploração espacial.
Os motores a combustível líquido têm depósitos separados para o combustível e para o oxidante, que normalmente são mantidos a alta pressão e a temperaturas muito baixas. Através de turbobombas, a câmara de combustão pode receber mais ou menos combustível para alterar a potência entregue pelo motor. A mistura de oxidante e combustível tem de ser controlada perfeitamente, porque se a câmara receber combustível ou oxidante a mais, o foguetão pode explodir.
Os foguetões que usam combustível sólido são mais poderosos quando funcionam ao nível do mar. Este tipo de veículos não tem depósitos de combustível. Como o nome indica, o oxidante e o combustível estão misturados num bloco sólido. Ao contrário dos motores de combustível líquido, quando se dispara um foguetão destes, todo o combustível é queimado e não há nenhuma forma de alterar manualmente a potência do motor durante o voo. No entanto, podem ser usadas técnicas de montagem que dão formas diferentes ao bloco de combustível ao longo do foguetão para alterar a área de superfície e assim alterar a velocidade da reacção.
Os foguetões são usados apenas para vencer a gravidade do planeta e lançar objectos para o espaço. Por isso, depois de a carga sair da atmosfera, não faz sentido que os componentes inferiores fiquem agarrados ao objecto em órbita. Se o veículo usar foguetes auxiliares que usem combustível sólido (como era o caso do Space Shuttle), esses são os primeiros a serem largados. Mas, a maioria dos foguetões têm vários ‘andares’, cada um com os seus próprios motores e depósitos de combustível, que vão sendo largados sucessivamente assim que o combustível se esgota. No caso dos foguetões da Space X, o primeiro andar do foguetão desce para o planeta, aterra e é reutilizado.
O futuro
Ao longo dos anos têm sido propostas muitas alternativas aos foguetões sólidos, mas poucas têm sido desenvolvidas seriamente e muito poucas foram alguma vez experimentadas na realidade. Embora os foguetões químicos sejam ainda os reis dos lançamentos, quando os veículos chegam ao espaço, as coisas têm vindo a mudar. Várias entidades usam agora formas de propulsão de baixa aceleração como os motores de iões. Por exemplo, a missão Dawn da NASA, lançada para explorar o planeta anão Ceres, usa um destes motores. Os motores de iões usam uma carga eléctrica para acelerar iões para fora do motor. Este processo produz uma pequena quantidade de aceleração contínua que, ao fim de algum tempo, consegue fazer com que o veículo se desloque muito depressa.
A NASA e outras agências espaciais estão a investigar a possibilidade de se usarem vários tipos de motores a energia nuclear para conseguir movimentar cargas de maiores dimensões para locais distantes. O veículo DRACO, que está a ser desenvolvido através de uma parceria entre a NASA e a DARPA, vai usar propulsão térmica nuclear (NTP), que pode permitir acelerações altas com uma eficiência muito maior que a que é possível obter com motores químicos. Não há indicação se os motores NTP já são viáveis, mas ideia é usar um reactor nuclear para aquecer rapidamente um combustível como hidrogénio líquido, o que faz com que expanda impelindo o veículo para a frente. Uma outra ideia é a utilização de um motor de ‘fragmento de fissão’. Este tipo de veículo ejecta produtos resultantes da fissão nuclear através da utilização de campos magnéticos. Teoricamente, com estes motores, um veículo pode atingir entre os 3 e os 5% da velocidade da luz.