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Como funcionam os foguetes – Como um foguete de propelente sólido funciona

Os foguetes propulsores sólidos incluem todos os foguetes de fogos de artifício mais antigos, no entanto, agora existem combustíveis, projetos e funções mais avançados com propelentes sólidos.

Foguetes propelentes sólidos foram inventados antes de foguetes movidos a líquido. O tipo sólido de propelente começou com contribuições dos cientistas Zasiadko, Constantinov e Congreve.

Agora, em um estado avançado, os foguetes propelentes sólidos permanecem em uso difundido hoje, incluindo os motores de dois impulsionadores Space Shuttle e os estágios de intensificação da série Delta.

Como um sólido propulsor funciona

Superfície é a quantidade de propelente exposto a chamas de combustão interna, existindo em relação direta com o empuxo. Um aumento na área da superfície aumentará o empuxo, mas reduzirá o tempo de queima, uma vez que o propelente está sendo consumido a uma taxa acelerada.

O impulso ideal é tipicamente constante, o que pode ser conseguido mantendo uma área de superfície constante durante toda a queima.

Exemplos de projetos de grãos de área de superfície constante incluem: queima final, queima interna e externamente, e queima interna do núcleo da estrela.

Várias formas são usadas para a otimização das relações de empuxo de grãos, uma vez que alguns foguetes podem exigir um componente de empuxo inicialmente alto para decolagem, enquanto um empuxo menor será suficiente para seus requisitos de empuxo regressivo pós-lançamento.

Padrões de núcleo de grãos complicados, no controle da área da superfície exposta do combustível do foguete, muitas vezes têm partes revestidas com um plástico não inflamável (como o acetato de celulose).

Este revestimento evita que as chamas de combustão interna incendiem essa parte do combustível, inflamadas apenas mais tarde, quando a queima atinge diretamente o combustível.

Impulso Específico

Ao projetar o impulso específico de grãos propulsores do foguete, deve-se levar em consideração o impulso específico, uma vez que pode ser a falha da diferença (explosão) e um foguete de propulsão otimizado com sucesso.

Foguetes modernos de combustível sólido

Vantagens desvantagens

Uma vez que um foguete sólido é inflamado, ele consumirá a totalidade de seu combustível, sem qualquer opção para o ajuste de desligamento ou empuxo. O foguete lunar Saturn V usou quase 8 milhões de libras de empuxo que não seriam viáveis ​​com o uso de propelente sólido, exigindo um propelente líquido de impulso específico alto.

O perigo envolvido nos combustíveis pré-misturados de foguetes monopropelentes, por vezes, a nitroglicerina é um ingrediente.

Uma vantagem é a facilidade de armazenamento de foguetes propelentes sólidos. Alguns desses foguetes são pequenos mísseis como Honest John e Nike Hercules; outros são grandes mísseis balísticos, como Polaris, Sargento e Vanguarda.

Os propelentes líquidos podem oferecer melhor desempenho, mas as dificuldades no armazenamento de propelentes e manuseio de líquidos perto do zero absoluto (0 grau Kelvin) limitaram seu uso incapaz de atender às demandas rigorosas que os militares exigem de seu poder de fogo.

  • Mais
  • Foguetes de combustível sólido
  • Foguetes Abastecidos Líquidos
  • Foguetes de Fogo de Artifício

Foguetes movidos a líquido foram inicialmente teorizados por Tsiolkozski em sua “Investigação do espaço interplanetário por meio de dispositivos reativos”, publicado em 1896. Sua idéia foi concretizada 27 anos depois, quando Robert Goddard lançou o primeiro foguete de combustível líquido.

Foguetes movidos a combustível líquido impulsionaram os russos e americanos para a era espacial com os poderosos foguetes Energiya SL-17 e Saturno V.

As altas capacidades de impulso desses foguetes permitiram nossas primeiras viagens ao espaço. O “passo gigante para a humanidade” que ocorreu em 21 de julho de 1969, quando Armstrong pisou na lua, foi possível graças aos 8 milhões de libras de impulso do foguete Saturno V.

Como funciona um propelente líquido

Dois tanques de metal seguram o combustível e o oxidante respectivamente. Devido às propriedades desses dois líquidos, eles são normalmente carregados em seus tanques logo antes do lançamento.

Os tanques separados são necessários, pois muitos combustíveis líquidos queimam em contato. Em uma sequência de lançamento definida, duas válvulas abrem, permitindo que o líquido flua pelo tubo.

Se essas válvulas simplesmente se abriram permitindo que os propelentes líquidos fluam para a câmara de combustão, uma taxa de empuxo fraca e instável ocorreria, assim, uma alimentação de gás pressurizado ou uma alimentação de turbo-bomba é usada.

O mais simples dos dois, a alimentação de gás pressurizado, adiciona um tanque de gás de alta pressão ao sistema de propulsão. O gás, um gás não reativo, inerte e leve (como o hélio), é mantido e regulado, sob intensa pressão, por uma válvula / regulador.

A segunda solução, muitas vezes preferida, para o problema da transferência de combustível é uma turbopump. Uma bomba de turbo é a mesma que a bomba normal em funcionamento e evita um sistema pressurizado a gás sugando os propelentes e acelerando-os na câmara de combustão.

O oxidante e o combustível são misturados e inflamados dentro da câmara de combustão e o empuxo é criado.

Oxidantes e Combustíveis

Vantagens desvantagens

Infelizmente, o último ponto torna os foguetes de propelente líquido intrincados e complexos. Um verdadeiro motor bipropelente líquido moderno possui milhares de conexões de tubulação que transportam vários fluidos de refrigeração, abastecimento ou lubrificação.

Além disso, as várias subpartes, como a turbina ou o regulador, consistem em uma vertigem separada de tubos, fios, válvulas de controle, medidores de temperatura e suportes de apoio. Dadas as muitas partes, a chance de uma função integral falhar é grande.

Como observado anteriormente, o oxigênio líquido é o oxidante mais comumente usado, mas também tem suas desvantagens. Para atingir o estado líquido deste elemento, deve ser obtida uma temperatura de -183 graus Celsius – condições sob as quais o oxigênio evapora facilmente, perdendo uma grande soma de oxidante apenas durante o carregamento.

O ácido nítrico, outro poderoso oxidante, contém 76% de oxigênio, está em estado líquido em STP e possui alta gravidade específica – todas as grandes vantagens.

O último ponto é uma medida similar à densidade e à medida que aumenta, assim como o desempenho do propelente. Mas, o ácido nítrico é perigoso no manuseio (mistura com a água produz um ácido forte) e produz subprodutos nocivos na combustão com um combustível, portanto, seu uso é limitado.

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Desenvolvido no século II aC pelos antigos chineses, os fogos de artifício são a forma mais antiga de foguetes e os mais simplistas. Originalmente, os fogos de artifício tinham propósitos religiosos, mas foram posteriormente adaptados para uso militar durante a Idade Média na forma de “flechas flamejantes”.

Durante os séculos X e XIII, os mongóis e os árabes trouxeram o principal componente desses primeiros foguetes para o oeste: a pólvora.

Embora o canhão e a arma se tornassem os principais desenvolvimentos da introdução oriental da pólvora, também resultaram foguetes. Esses foguetes eram essencialmente fogos de artifício aumentados que impulsionavam, além do longo arco ou canhão, pacotes de pólvora explosiva.

Durante o final do século XVIII, as guerras imperialistas, Coronel Congreve, desenvolveram seus famosos foguetes, que percorrem distâncias de seis quilômetros. O “brilho vermelho dos foguetes ” (American Anthem) registra o uso da guerra de foguetes, em sua forma inicial de estratégia militar, durante a batalha inspiradora de Fort McHenry.

Como funcionam os fogos de artifício

Um fusível (fio de algodão revestido com pólvora) é iluminado por um fósforo ou por um “punk” (um bastão de madeira com uma ponta incandescente avermelhada).

Este fusível queima rapidamente no núcleo do foguete, onde inflama as paredes de pólvora do núcleo interior. Como mencionado antes, um dos produtos químicos da pólvora é o nitrato de potássio, o ingrediente mais importante.

A estrutura molecular deste químico, KNO3, contém três átomos de oxigênio (O3), um átomo de nitrogênio (N) e um átomo de potássio (K). Os três átomos de oxigênio presos nessa molécula fornecem o “ar” que o fusível e o foguete usam para queimar os outros dois ingredientes, carbono e enxofre.

Assim, o nitrato de potássio oxida a reação química liberando facilmente o oxigênio. Essa reação não é espontânea, e deve ser iniciada pelo calor, como o fósforo ou “punk”

 

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