Combustível de foguete otimizado é a chave para o sucesso da missão
Os foguetes dependem de várias combinações de combustível e oxidantes para gerar a enorme potência necessária para vencer a gravidade da Terra. Oxidantes e combustíveis são elementos estáveis à temperatura ambiente, mas quando misturados e acionados por uma fonte de calor, criam uma reação explosiva que fornece o empuxo do foguete.
Ao ajustar a proporção de combustível para oxidante, os engenheiros podem controlar vários aspectos do desempenho do foguete. Cada combinação oferece um conjunto único de características, benefícios e desvantagens, impactando medidas de desempenho como a eficiência do empuxo, bem como outras considerações como toxicidade, custo e segurança. Portanto, escolher o melhor conjunto de propelentes para cada viagem é uma decisão crítica que depende de muitas variáveis relacionadas à missão do foguete.
Propelentes gasosos, por exemplo, são impraticáveis para a maioria dos foguetes de longa distância devido ao grande volume que seria necessário, mas comprimir e resfriar essas substâncias em suas fases líquidas correspondentes proporciona uma relação volume-potência ideal para aplicações de foguetes em larga escala. Alguns propelentes, no entanto, têm pontos de ebulição extremamente baixos e exigem resfriamento criogênico a temperaturas abaixo de –150 °C (–238 °F) para liquefazer. Isso pode ser uma desvantagem significativa no uso desses combustíveis para propulsão de foguetes, portanto, os benefícios devem superar os custos e desafios desse requisito para que uma missão específica justifique sua seleção.
Duas características importantes de desempenho dos propelentes, que às vezes são confundidas, são o empuxo e o impulso específico. O empuxo mede o potencial de força de reação do propelente, ou a quantidade de peso que o foguete será capaz de levantar. O impulso específico (Isp) define a eficiência com que um propelente pode converter sua massa em empuxo, com base no tempo que uma certa quantidade de propelente pode empurrar uma carga. Motores que usam propelentes com alto impulso específico tendem a ter menor empuxo, mas usam a massa do propelente de forma mais eficiente. Em resumo, eles têm um melhor rendimento.
A Tabela 1 compara as principais propriedades de conjuntos comuns de combustível de foguete. O motor RS-25 empregado pelo foguete Space Launch System (SLS) da NASA usa o conjunto de propelente LOX/LH2. No entanto, foguetes sendo desenvolvidos por algumas organizações comerciais, incluindo o Raptor da SpaceX e o BE-4 da Blue Origin, são movidos pelo conjunto de Metano Líquido/LOX.
Entre os propelentes de foguete modernos, o LOX/LH2 apresenta o maior valor de Isp. Essa eficiência e um histórico de confiabilidade são as principais razões pelas quais o conjunto LOX/LH2 tem sido comumente usado como propelente de foguete nas últimas cinco décadas, apesar de ambos os átomos exigirem resfriamento criogênico. Além disso, enquanto outros propelentes liberam grandes quantidades de produtos químicos poluentes e gases de efeito estufa após a combustão, o principal subproduto produzido pela combustão de LOX/LH2 é a água, tornando-o um combustível mais sustentável.
Nota: *RP-1 (Rocket Propellant-1) é uma forma altamente refinada de querosene e é amplamente utilizada em motores de foguete de combustível líquido (ou seja, o motor do foguete Saturn V).
Química de reação radicalar de foguetes LOX/LH2 rockets
Hidrogênio e oxigênio são elementos estáveis que não reagem espontaneamente quando misturados à temperatura ambiente. Para que uma reação ocorra, as ligações covalentes H–H e O=O precisam ser rompidas. Quando energia suficiente é fornecida para superar a energia de ligação H–H e O=O, ocorre uma reação em cadeia até que a água seja formada. Essa reação em direção à estrutura estável da água libera grandes quantidades de energia durante a combustão de H2 com O2.
Apesar da aparente simplicidade desta reação, a combustão de H2 com O2 é complexa e envolve várias reações intermediárias com radicais H e O. As principais reações que levam à formação de água estão listadas na Figura 1. Reações de ramificação em cadeia ocorrem quando um radical gera dois ou mais radicais (Figura 1, reações 3 e 4). Como essas reações produzem mais radicais reativos do que consomem, elas se aceleram, explicando a natureza explosiva da reação.
Essas reações radicalares nem sempre acontecem na ordem exata exibida na Figura 1, e outros radicais não mencionados aqui podem ser formados através de outros esquemas de reação em cadeia. A mistura do propelente, a pressão e a temperatura também influenciam os mecanismos cinéticos da combustão de H2 com O2.
Avançando no design de motores para impulsionar a Artemis
Além da otimização de combustível, o design de motores de foguete é igualmente fundamental para maximizar a potência dos foguetes modernos. Os projetos atuais aproveitam inovações fundamentais desenvolvidas durante o programa de foguetes V-2 da Alemanha na Segunda Guerra Mundial. A disponibilidade de novos materiais e outras inovações tecnológicas permitiu que engenheiros aprimorassem esses projetos para aumentar a potência, durabilidade, confiabilidade e eficiência necessárias para impulsionar as missões espaciais modernas.
Projetado na década de 1970 pela Aerojet Rocketdyne, o motor RS-25 foi originalmente desenvolvido e utilizado para as missões do Ônibus Espacial da NASA. Cinco gerações de inovação depois, os RS-25 que impulsionam o foguete SLS da Artemis são motores criogênicos sofisticados que incorporam décadas de avanços tecnológicos e otimizações de design, tornando-os alguns dos motores de foguete mais eficientes e potentes já produzidos.
Para criar um empuxo potente e consistente, os motores de foguete precisam ser alimentados com um grande volume de propelente líquido de alta velocidade por meio da turbobomba. A primeira versão da turbobomba (Figura 2) foi desenvolvida por engenheiros do V-2 na década de 1940. Foi revolucionária em seu design e desempenho, com uma turbina a vapor girando a 4.000 rpm para acionar bombas centrífugas tanto para o combustível quanto para o oxidante. Mais de 60 anos depois, a turbobomba moderna ainda é um dos componentes mais críticos e complexos responsáveis pelo desempenho dos motores de foguete atuais.
Evolução da Propulsão de Foguetes Tripulados dos EUA
Os motores RS-25 no foguete Artemis utilizam o conjunto de propelente criogênico LOX/LH2 com base em seu impulso específico superior. No entanto, uma diferença significativa entre as densidades e taxas de fluxo de LH2 e LOX impede que o RS-25 opere com uma única turbobomba. A densidade do hidrogênio é extremamente baixa (71 g/L), o que significa que são necessários 2,7 vezes mais LH2 para corresponder proporcionalmente à quantidade de LOX para que ocorra uma combustão eficiente. Para acomodar esses líquidos criogênicos muito diferentes e suas propriedades físicas, o RS-25 usa duas turbobombas separadas.
Essas turbobombas modernas de alta pressão são proezas da engenharia. Suas turbinas contêm dezenas de pás que têm apenas o tamanho de uma moeda. Girando entre 28.000 e 35.000 rpm, cada pá fornece mais potência do que um motor de Corvette, permitindo que essas turbobombas gerem dezenas de milhares de cavalos de potência.
Aspirações espaciais impulsionando a inovação em todos os setores
Combustível de foguete e tecnologias de motores são áreas óbvias de inovação impulsionadas pelo programa espacial. No entanto, o foco atual em levar humanos de volta à Lua e, eventualmente, chegar a Marte, também serve como um catalisador para acelerar novas pesquisas em uma ampla gama de setores, incluindo medicina, ciência dos materiais, comunicações, eletrônica e até agricultura. Muitas dessas inovações, além de viabilizar missões espaciais, resultam em melhorias para produtos que beneficiam a todos nós aqui na Terra também.
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