Aula 07 Astronáutica

Transcrição

1 Aula 07 Astronáutica Prelúdio: Sendo a velocidade de escape da superfície da Terra dada por: mt ve = G =11.186m/ s R T O desafio é atingir esta velocidade, de modo a colocar algum objeto em órbita. Histórico 1 : A idéia de como os corpos se fixavam em suas órbitas em torno da Terra veio da lei da gravitação universal de Newton, segundo a qual, bastaria atiralos com uma velocidade maior que a de escape e os mesmos ficariam em órbita. Tal princípio permeou os textos de ficção da segunda parte do Século XIX, principalmente os de Júlio Verne ( ), os quais inspiraram todos os pioneiros da Astronáutica. Principais pioneiros: Konstantin E. Tsiolkovski ( ). Russo. Autodidata que publicou diversos livros versando sobre termodinâmica, satélites e órbitas, resistência do ar (aerodinâmica) e sobre foguetes de múltiplos estágios.(obs: Ele também foi professor de Física) Robert Esnault-Pelterie ( ). Francês. Fez inicialmente grandes contribuições à Aeronáutica. Posteriormente, já consagrado, estudou a possibilidade de missões interplanetárias, utilizando foguetes de múltiplos estágios, visando principalmente atingir a Lua. Robert H. Goddard ( ). Norte-americano. Tinha o planeta Marte como objetivo, mas ao contrário dos outros, dedicou-se a conseguir obter o vôo espacial. Patenteou suas descobertas referentes às câmaras de combustão, às tubeiras e aos sistemas de alimentação. Seus primeiros foguetes chegavam a 1200 metros, levando uma carga de 1 Leia mais em: Mourão, Ronaldo Rogério Astronáutica, do sonho à realidade, Bertrand, 1999.

2 3,5kg. Em 1926 lançou o primeiro foguete de propelente líquido da história. Já em 1935 alcançou metros com um foguete de 34kg. Hermann J. Oberth ( ). Alemão. Grande teórico, foi responsável por mais de 90 invenções e soluções técnicas, além de 200 relações matemáticas, físicas ou químicas utilizadas pela ciência espacial. Teve papel crucial na construção do V2, primeiro foguete operacional da Alemanha Nazista durante a 2 a. guerra mundial. Valentin Petrovitch-Glushko ( ). Russo. Durante a década de 30 desenvolveu motores que geravam empuxos de até 300 decanewtons. Neste período também previu a importância de se desenvolver propulsores elétricos (a plasma), sem no entanto obter sucesso em suas tentativas de desenvolvê-los. Trabalhou nas equipes que colocaram o Sputnik I no espaço, assim como as que desenvolveram o foguete Vostok, responsável por levar Gagarin ao espaço. Desenvolveu também o maior foguete do mundo, o Energia. Wernher Von Braun ( ). Alemão. Desenvolveu motores que geravam 1500 decanewton de empuxo. Posteriormente atingiu a marca dos decanewton, com o A4 que se transformaria no V2. Em 1955, já nos EUA, participou da construção do Júpiter, foguete que alcançou 970Km de altura. E em 1958 lançou com sucesso o primeiro satélite norte-americano, o Explorer-1. O início da era espacial é marcado pelo lançamento do Sputnik I, no dia 4 de outubro de 1957.

3 O vôo de Yuri A. Gagarin, em abril de 1961 a bordo do Vostok-1:

4 EQUAÇÃO DO FOGUETE (2 a Lei de Newton para um sistema de massa variável) Usando a segunda Lei de Newton: F = dp Substituindo a definição de momento: P = mv F = d dm dv dm ( mv) = v + m = u + ma Onde u é a velocidade de exaustão do propelente e a a aceleração. Se desconsiderarmos as forças externas, ou seja, usando a conservação do momento, podemos obter a primeira equação do foguete: dm u = ma Onde o termo da esquerda é chamado de empuxo. Já a segunda equação vem de quando integramos esta equação, obtendo uma equação para a velocidade do foguete: dm dv u = m mi v f vi = u ln m f dv = u dm m

5 Estrutura e Estratégia de Lançamento de Foguetes: o Veículo Lançador de Satélites VLS-1 Motores: Usualmente são utilizados alguns destes tipos: Propelente Líquido (monopropelente ou bipropelente); Propelente sólido; Propelente Híbrido; Propelente sólido/estato-jato; Propulsão avançada: Nuclear, Iônica ou Solar. Primeiro esquerda: Monopropelente; acima direita: bipropelente, esquerda abaixo: sólido e abaixo a esquerda: Híbrido.

6 Veja o gráfico de empuxo em função do tempo para um motor de propelente sólido, usado no 1 o estágio do VLS: Em comparação com os outros meios de transporte, note que o lançador de satélites distribui 90% da sua massa entre motor e propelente:

7 A sua geometria tende a dar o máximo de estabilidade nos momentos iniciais do lançamento. Note pela figura abaixo que o centro de pressão (CP) se encontra abaixo do centro de massa (CG), isto dá dirigibilidade ao VLS. O controle da direção é feita por um sistema de tubeiras móveis, que operam enquanto queimam o primeiro e o segundo estágio. Tubeira móvel A dirigibilidade é importante não só para manter o foguete alinhado, mas também para manter numa região de segurança, longe de áreas povoadas, prevenindo assim acidentes. Esta região, no caso do Centro de Lançamento de Alcântara é mostrada abaixo:

8 Veja abaixo o esquema completo do VLS, e no detalhe o quarto estágio, que abriga o satélite, e um esquema mostrando o nível de ruído durante o lançamento::

9 Veja a estratégia de lançamento do VLS-1: Note que: - A ignição do segundo estágio ocorre antes da separação do 1 o, de modo a preservar o controle sobre o veículo. - O comando de separação do 1 o estágio ocorre por contagem de tempo. - A separação da coifa é possível quando o escoamento aerodinâmico é baixo. O comando é dado 3s após a ignição do 3 o estágio. - Após a separação do terceiro estágio, é feito o basculamento, visando eliminar velocidades angulares do conjunto, e fazer o apontamento. - Após o basculamento é feita a indução de rotação do conjunto, o que estabiliza a direção a ser seguida, devido ao efeito giroscópio. A rotação é da ordem de 150 rpm. - Por fim é feita a separação do quarto estágio do satélite, utilizando-se um sistema de molas.

10 Sistemas de propulsão avançada: Propulsão à Plasma. Necessitam de vácuo para operar, assim só podem operar no espaço; Apesar do alto rendimento, produzem baixo empuxo, variando entre 0,1mN e 10N; Possuem um elevado impulso específico, isto é, podem manter uma aceleração por um tempo prolongado, com baixo consumo de propelente. Um propulsor químico opera continuamente por segundos, um propulsor á plasma opera continuamente por meses; São de grande precisão, podendo ser usados em experimentos refinados, que exigem muito controle de apontamento. Exemplos: Propulsor à plasma por efeito Hall (PHALL ou SPT), em desenvolvimento no Laboratório de Plasmas da UnB: Foguete de impulso específico variável (VASIMIR), desenvolvido no ASPL/NASA: