Como os foguetes funcionam: sistemas de propulsão e tecnologia de lançamento explicados

Todo lançamento orbital, desde um Falcon 9 levantando uma tripulação até voos de teste do Starship, se baseia na mesma física básica descrita pela primeira vez por Isaac Newton: para cada ação há uma reação igual e oposta. Um motor de foguete queima propelente e expele o gás quente resultante através de um bocal em alta velocidade; o gás empurra o foguete na direção oposta. De acordo com o Centro de Pesquisa Glenn da NASA, este par ação-reação existe entre o foguete e seu próprio escape, razão pela qual os foguetes funcionam no vácuo do espaço e não precisam de ar ou qualquer outro meio para empurrar.

A física: empuxo e impulso específico

Os engenheiros descrevem o desempenho de um motor com dois números: empuxo e impulso específico. Empuxo é a força produzida, acionada principalmente por quanto massa flui pelo bocal e quão rápido ela sai. Impulso específico (Isp), medido em segundos, descreve o quão eficientemente um motor converte propelente em empuxo — NASA Glenn o define como empuxo dividido pela taxa de fluxo de peso do propelente, então um motor com Isp mais alto produz mais empuxo de uma quantidade igual de propelente, ou precisa de menos propelente para o mesmo empuxo.

Esse número único permite aos engenheiros dimensionar um motor e comparar sistemas de propulsão muito diferentes em igualdade de condições, razão pela qual Isp aparece constantemente em folhas de especificação de foguetes.

Propulsão química: líquida, sólida e híbrida

Quase todos os veículos que deixam a superfície terrestre usam propulsão química, onde um combustível e um oxidante reagem para produzir gás quente e em expansão. Existem três configurações principais. Motores com propelente líquido armazenam combustível e oxidante separadamente e os bombeiam para uma câmara de combustão, o que permite que o motor seja acelerado, desligado e reiniciado — uma flexibilidade usada tanto por fornecedores de lançamento governamentais quanto comerciais. Motores com propelente sólido misturam combustível e oxidante em um único grão sólido embalado na carcaça do foguete; são estruturalmente simples e baratos, mas uma vez acesos, queimam até o propelente se esgotar. Sistemas híbridos combinam um combustível sólido com um oxidante líquido ou gasoso, ficando entre as duas abordagens.

O motor Raptor do SpaceX, usado nos veículos Starship e Super Heavy, ilustra uma abordagem mais recente dentro da propulsão líquida: um projeto de 'combustão de estágio de fluxo completo' em que todo o combustível e todo o oxidante passam através de dois pré-queimadores separados antes de chegar à câmara de combustão principal, de acordo com a publicação aeroespacial Everyday Astronaut. Raptor queima metano líquido com oxigênio líquido — uma combinação que SpaceX escolheu em parte porque metano queima sem deixar depósitos de fuligem que complicam a reutilização de motores alimentados com querosene, e em parte porque metano pode, em princípio, ser fabricado em Marte a partir de recursos locais. A publicação relata que Raptor produz aproximadamente 2 meganewtons de empuxo com um impulso específico de vácuo de cerca de 330 a 350 segundos.

Por que veículos de lançamento são construídos em estágios

Atingir órbita a partir da superfície terrestre requer alcançar uma altitude acima de aproximadamente 150 quilômetros enquanto viaja a mais de 7,9 quilômetros por segundo, de acordo com o guia de lançadores da Agência Espacial Europeia. Um único projeto de motor raramente faz isso eficientemente durante todo o voo, então a maioria dos foguetes orbitais é dividida em estágios que são descartados assim que o propelente é gasto, eliminando peso morto para que os estágios restantes acelerem o veículo mais leve com maior facilidade.

A descrição da ESA de um voo típico de classe Ariane mostra como isso funciona na prática: impulsores e o estágio principal disparam juntos durante aproximadamente os primeiros dois minutos de ascensão vertical, o estágio principal continua queimando por cerca de doze minutos enquanto os impulsores já se separaram e caíram no mar perto de 60 quilômetros de altitude, e um estágio superior então dispara por um período final, atingindo a velocidade máxima da missão de cerca de 8 quilômetros por segundo antes de liberar sua carga. Depois que seu trabalho é feito, um estágio superior gasto é normalmente movido para uma 'órbita de cemitério' para que não se torne um risco de colisão para satélites ativos.

Além do lançamento: propulsão elétrica e iônica

Uma vez que uma nave espacial já está em órbita ou no espaço profundo, propulsão química nem sempre é a escolha mais eficiente para longas jornadas. Muitas sondas usam propulsão elétrica, que ioniza um propelente — geralmente o gás xenônio — e acelera as partículas carregadas resultantes para fora do impulsionador usando campos elétricos alimentados por painéis solares. O Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA descreve o empuxo desses sistemas como extremamente suave: no caso da missão de asteróide Psyche, a pressão produzida por seus propulsores iônicos é comparável a segurar três moedas na sua mão, mesmo na potência máxima.

Esse empuxo minúsculo não é suficiente para levantar nada da Terra, mas no ambiente sem atrito do espaço pode ser aplicado continuamente por meses, acumulando velocidade gradualmente. JPL relata que os propulsores solar-elétricos do Psyche já empurraram a nave para aproximadamente 135.000 quilômetros por hora e eventualmente a levarão a cerca de 200.000 km/h — ilustrando por que propulsão iônica é reservada para viagem de cruzeiro no espaço em vez de lançamento, onde o empuxo muito maior dos motores químicos é necessário para superar a gravidade e o arrasto atmosférico em questão de minutos.