Aula 4a Foguetes Profa. Jane Gregorio-Hetem & Prof. Annibal Hetem AGA0521 Manobras Orbitais

Transcrição

1 Aula 4a Foguetes Profa. Jane Gregorio-Hetem & Prof. Annibal Hetem AGA0521 Manobras Orbitais 1

2 FOGUETES: UM BREVE HISTÓRICO 2

3 Foguetes Para enviar um satélite até uma LEO (8 km/s) é necessário providenciar meios de aceleração. Os foguetes de propulsão química são (atualmente) o meio mais eficaz de se colocar objetos em órbita terrestre. 3

4 Robert H. Goddard Robert Hutchings Goddard foi um físico experimental norte-americano, considerado pai dos modernos foguetes. Goddard lançou o primeiro foguete de combustível líquido (gasolina e oxigênio líquido) em 16 de março de 1926, em Auburn, Massachusetts. 4

5 É difícil dizer o que é impossível, pois o sonho de ontem é a esperança de hoje e a realidade do amanhã. Robert H. Goddard 5

6 V2 O foguete V2 (cujo nome-código alemão original era A4), foi o primeiro míssil balístico, tendo sido usado pela Alemanha durante as últimas fases da Segunda Guerra Mundial. Eram propelidos a etanol (mistura com 25% de água) e oxigênio líquido, chamado de LOX. Os motores geravam um máximo de kg de empuxo, desenvolvendo velocidade de 1341 m/s. O álcool etílico usado nestes foguetes era extraído de batata, produzida em abundância principalmente na Prússia Oriental. 6

7 V2 Massa de Lançamento: Kg Massa de etanol (75%): 3710 Kg Massa de oxigênio Líquido: 4900 Kg Massa fluidos auxiliares: 145 Kg Massa estrutural: 3507 Kg Velocidade de ejeção dos gases: 1962 m/s Empuxo: N Aceleração na decolagem: 0,9g Tempo de propulsão: 65 s Velocidade máxima: 5400 Km/h Altitude máxima: 90 Km V2 do Musée de l'armée, Paris 7

8 V2 8

9 Wernher von Braun Cientista alemão e uma das figuras principais no desenvolvimento de foguetes na Alemanha e nos Estados Unidos. Estudou engenharia mecânica no Instituto de Tecnologia Charlottenburg de Berlim. Antes e durante a Segunda Guerra Mundial, trabalhou no programa alemão de foguetes, alcançando progressos memoráveis. Foi o responsável do aperfeiçoamento do V2. Entregou-se voluntáriamente aos americanos, naturalizando-se cidadão dos EUA em Entrou na NASA em 1960, onde foi o diretor do Centro Espacial de 1960 à 1970, onde dirigiu os programas de voos tripulados: Mercury, Gemini e Apollo. É o pai do foguete Saturno V que levou os astronautas dos EUA à Lua. Wernher Magnus Maximilian von Braun (março de 1912-junho de 1977) 9

10 Wernher von Braun 10

11 Os Vostok Vostok ("Oriente" em russo ) foi uma família de foguetes projetada para o programa de voos espaciais tripulados. Lançou o Sputnik, primeiro satélite artificial, e também a primeira nave espacial tripulada. 4 motores RD-107-8D (empuxo: 970,86 kn) Empuxo total: 3883,4 kn Tempo de queima: 118 seconds Combustível: RP-1/LOX Primeiro lançamento: outubro de 1957 RP-1: do inglês Refined Petroleum 1 Querosene Refinada 1 11

12 O Projeto Mercury Foi o primeiro projeto tripulado de exploração espacial da NASA. Um de seus objetivos era estabelecer a superioridade dos EUA no espaço e suplantar as conquistas espaciais soviéticas. Outro objetivo era preparar a tecnologia que iria levar homens a Lua. 12

13 A família Atlas Motor RD-180 (2 bocais) Empuxo: 4152 kn Impulso específico: 311 s Tempo de queima: 253 s Combustível: RP-1/LOX Primeiro lançamento: 29/julho/

14 O Projeto Gemini O Projeto Gemini foi o segundo projeto de exploração espacial realizado pela Nasa. Realizaram-se diversas pesquisas sobre o comportamento dos tripulantes e as máquinas no espaço. Foi dada ênfase às manobras de acoplamento em órbita terrestre e atividades extraveiculares, habilidades consideradas importantes para o voo até a Lua. 14

15 O Projeto Apollo O programa Apollo foi um esforço espacial realizado pelanasa, com o objetivo de enviar os primeiros seres humanos para a Lua. Os lançadores Saturno V foram desenhados especificamente para o Projeto Apollo. 15

16 O Saturno V O Saturno V foi desenvolvido por Wernher von Braun no Marshall Space Flight Center em Huntsville, Alabama juntamente com Boeing, North American Aviation, Douglas Aircraft Company sob coordenação da IBM. Propelido por cinco motores F-1 do primeiro estágio, mais os 5 motores J-2 no segundo estágio e um J-2 no terceiro estágio. Primeiro lançamento: 9/novembro/

17 Rocketdyne F-1 Empuxo MN Tempo de funcionamento: 150 s Combustível: RP-1 e Oxigênio líquido 17

18 Rocketdyne J-2 Empuxo: 5 MN Tempo de funcionamento: 360 s Combustível: LOX e Hidrogênio líquido 18

19 Ônibus espacial Veículo parcialmente reutilizável usado pela NASA como veículo lançador e nave para suas missões tripuladas. Ele tornou-se o sucessor da nave Apollo usada durante o Projeto Apollo. O ônibus voou pela primeira vez em 1981, e realizou sua última missão em Discovery 23/outubro/

20 Ônibus espacial Endeavour 4/agosto/

21 21

22 Veículos lançadores atuais (1) 22

23 Veículos lançadores atuais (2) 23

24 Métodos cujas tecnologias existem atualmente Método de propulsão Impulso específico (segundos) Empuxo (Newtons) Duração Combustível sólido minutos Combustível híbrido minutos Foguete monopropulsor milésimos de segundo a minutos Foguete bipropulsor minutos Foguete tripropulsor minutos Roda de impulso (apenas controle de posição) n/a indefinido Air-augmented rocket segundos a minutos Liquid air cycle engine segundos a minutos Resistojet rocket minutos Arcjet rocket minutos Hall effect thruster (HET) meses Propulsor de íons meses FEEP (Field Emission Electric Propulsion) semanas Magnetoplasmadynamic thruster (MPD) semanas Pulsed plasma thruster (PPT) Pulsed inductive thruster (PIT) meses Variable specific impulse magnetoplasma rocket (VASIMR) dias a meses Foguete térmico solar semanas Foguete térmico nuclear minutos Foguete elétrico nuclear Utiliza um método de propulsão elétrica Vela solar N/A 9 N/km 2 (a 1 UA) indefinido Mass drivers N/A indefinido segundos 24 Tether propulsion N/A minutos

25 Métodos menos convencionais Método de propulsão Vela magnética Mini-magnetospheric plasma propulsion Reator de fissão gasosa Nuclear pulse propulsion (Orion drive) Antimatter catalyzed nuclear pulse propulsion Nuclear salt-water rocket Beam-powered propulsion Foguete nuclear fotônico Efeito Biefeld-Brown (Lifter) Impulso específico (segundos) Empuxo (Newtons) Duração N/A Indefinido indefinido N/A indefinido indefinido , meia hora ,000 - dias-semanas 10, meia hora propulsão por feixes de energia 5x anos N/A (currently) semanas, provavelmente meses 25

26 Propulsão aeroespacial de hoje Motores a jato para vôos supersônicos & foguetes químicos e elétricos são o estado-da-arte em propulsão aeronáutica e espacial. Evolução dos motores aeronáuticos: hp/lb vs hp & ƞ 0 vs hp. 26

27 Evolução dos motores aeronáuticos: velocidade x potência 27

28 Razão empuxo-peso x I sp para propulsão espacial Futuro 28

29 Massa inicial x Dv para propulsão espacial 29

30 Lançadores brasileiros Sonda 1 Sonda 2 VS 40 Sonda 3 Sonda 4 30

31 Lançadores brasileiros 31

32 VSB-30 32

33 MISSÕES DE LANÇAMENTO 33

34 Uma missão completa 34

35 Carga útil Equipamento, material (incluindo tripulação) e outros objetos que utilizam o foguete para chegar à orbita (ou ao seu destino). tudo o que sobrar se tirarmos o foguete e o combustível. 35

36 Entrega (deploying) 36

37 Carona Piggy-back 37

38 Primeira órbita a ser alcançada LEO casos mais comuns GEO Outras órbitas mais altas Escape para o espaço profundo 38

39 Continuidade da missão Normalmente, não são responsabilidade do lançador, devendo ser providenciadas por outros sistemas a bordo do satélite/sonda. Manobras orbitais Rendezvous Manobras de retorno Reentrada 39

40 Local do lançamento Latitudes privilegiadas Velocidade da superfície da Terra no equador: v eq Ds Dt km 24h 1670 km/h 465 m/s Esta velocidade varia com o cosseno da latitude. 40

41 Local de lançamento Instalações Cabo Kennedy/ Canaveral - Florida 41 Guiana Space Centre

42 Local de lançamento Base de Alcântara (Maranhão) 42

43 Local do lançamento Meteorologia Um lançamento sem vento e sem chuva é muito mais fácil! 43