Princípio de Funcionamento de Veículos Propulsados a Motor Foguete

Os veículos propulsados a motor foguete, baseiam-se no príncipio da ação e reação, para movimentar-se.

O motor foguete gera uma força reatora devido à expulsão de gases em altas velocidades e perda de massa, gerando uma variação de sua quantidade de movimento traduzida na forma desta força reatora denominada empuxo.

Esta força é, para um motor foguete representada pela seguinte equação:

onde:

F - Empuxo (N)

Ve - Velocidade de ejeção dos gases (m/s)

dm/dm - Vazão mássica dos gases de combustão (Kg/s)

Pe - Pressão na saída do motor (N/m2)

Pa - Pressão ambiente (N/m2)

Ae - Área da secção transversal na saída do motor (m2)

A performance de um motor foguete é medida por um parâmetro denominado impulso específico e é definido pela seguinte equação:

onde

Isp - Impulso específico (s)

g0 - Aceleração gravitacional ( 9,81 m/s2)

A tabela abaixo apresenta alguns valores típico de impulsos específicos para alguns tipos de motores:

TIPO DE MOTOR FOGUETE

IMPULSO ESPECÍFICO (S)

APLICAÇÃO

"STATUS"

motor com propelente sólido (pólvora negra)

60 a 100

Fogos de artifício, espaçomodelismo

Operacional (arcaico)

motor com propelente sólido compósito ou base dupla

150 a 280

mísseis, veículos lançadores, foguetes experimentais

Operacional

motor com propelente líquido

250 a 350

mísseis, veículos lançadores, foguetes experimentais e espaçonaves

Operacional

motor com propelente híbrido

(sólido + líquido)

200 a 300

mísseis, veículos lançadores, foguetes experimentais e espaçonaves

Experimental

motor nuclear

(reator de fissão)

600 a 1000

espaçonaves

Experimental

Baseado no princípio da conservação da quantidade de movimento, a equação da velocidade de um veículo propulsado a motor foguete, livre de qualquer ação de força externa (arrasto aerodinâmico, forças gravitacionais, etc), é representada por:

onde:

V - Velocidade do veículo (m/s)

m0 - massa inicial do veículo (Kg)

mf - massa final do veículo (Kg)

obs.: ln ( ) é o logarítimo natural

 

Outro parâmetro importante neste estudo é o impulso total fornecido por um motor foguete. O impulso total é representado pel seguinte equação:

onde:

IT - Impulso total (N.s)

tq - Tempo de funcionamento do motor foguete

 

Elementos Básicos de um Foguete

Um foguete é constituído básicamente pelos seguintes elementos básicos:

Carga Útil

A carga útil é o elemento pelo qual o foguete é lançado, pode ser por exemplo um experimento científico, cargas militares (explosivos, etc) e tripulantes humanos ou animais. Esta carga útil pode ser lançada em trajetória balística, ou pode ser lançada para entrar em órbita da terra ou num trajetória interplanetária, conforme as necessidades da missão.

 

Reservatório de Propelente

O reservatório de propelente tem por objetivo armazenamento do propelente a ser convertido em gases de combustão. Normalmente o reservatório de propelente se confunde com a fuselagem do foguete.

Convém ressaltar que num motor foguete a propelente líquido temos distinção entre os reservatórios de propelente e câmara de combustão enquanto que num motor foguete a propelente sólido a câmara de combustão e o reservatório de propelente se confundem.

 

Câmara de Combustão

Na câmara de combustão temos a conversão do propelente, normalmente sólido ou líquido, em gases, por uma reação de combustão. O propelente é formado por substâncias oxidantes e redutoras. Numa câmara de combustão temos gases formados à elevadas pressões e elevadas temperaturas e baixas velocidades subsônicas, por exemplo nos motores do ônibus espacial mais especificamente nos SSME, cujo propelente é o oxigênio líquido e hidrogênio líquido, temos uma pressão da ordem de 200 atm e temperatura de 3500 oC .

 

Tubeira (Bocal DeLaval)

A tubeira converte e direciona os gases de combustão gerados à uma alta temperatura, alta pressão e baixa velocidade, através de uma expansão isoentrópica, num fluxo de gases à temperatura e pressão mais baixa e à elevadas velocidades supersônicas.

Na entrada da tubeira, região convergente, temos os gases de combustão numa condição próxima da estagnação, na região denominada garganta, onde temos a menor área de secção transversal, os gases atingem velocidade sônica local, número de Mach igual a um, e na região divergente temos escoamento supersônico com número de Mach maior que um.

Região

Convergente

Garganta

Divergente

Número de Mach

< 1

= 1

>1

Escoamento

Subsônico

Sônico

Supersônico


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