Aula 4a Foguetes Profa. Jane Gregorio-Hetem & Prof. Annibal Hetem AGA0521 Manobras Orbitais 1
FOGUETES: UM BREVE HISTÓRICO 2
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
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
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
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 72574 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
V2 Massa de Lançamento: 13000 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: 242307 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
V2 8
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 1955. 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
Wernher von Braun 10
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-107-8D74-1959 (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
O Projeto Mercury 1959-1963 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
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/1960 13
O Projeto Gemini 1962-1966 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
O Projeto Apollo 1961 1972 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
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/1967 16
Rocketdyne F-1 Empuxo 34.02 MN Tempo de funcionamento: 150 s Combustível: RP-1 e Oxigênio líquido 17
Rocketdyne J-2 Empuxo: 5 MN Tempo de funcionamento: 360 s Combustível: LOX e Hidrogênio líquido 18
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 2011. Discovery 23/outubro/2007 19
Ônibus espacial Endeavour 4/agosto/2007 20
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Veículos lançadores atuais (1) 22
Veículos lançadores atuais (2) 23
Métodos cujas tecnologias existem atualmente Método de propulsão Impulso específico (segundos) Empuxo (Newtons) Duração Combustível sólido 100-400 10 3-10 7 minutos Combustível híbrido 150-420 - minutos Foguete monopropulsor 100-300 0.1-100 milésimos de segundo a minutos Foguete bipropulsor 100-400 0.1-10 7 minutos Foguete tripropulsor 250-450 - minutos Roda de impulso (apenas controle de posição) n/a 0.001-100 indefinido Air-augmented rocket 500-600 - segundos a minutos Liquid air cycle engine 450 - segundos a minutos Resistojet rocket 200-600 10-2 -10 minutos Arcjet rocket 400-1200 10-2 -10 minutos Hall effect thruster (HET) 800-5000 10-3 -10 meses Propulsor de íons 1500-8000 10-3 -10 meses FEEP (Field Emission Electric Propulsion) 10000-13000 10-6 -10-3 semanas Magnetoplasmadynamic thruster (MPD) 2000-10000 100 semanas Pulsed plasma thruster (PPT) - - - Pulsed inductive thruster (PIT) 5000 20 meses Variable specific impulse magnetoplasma rocket (VASIMR) 1000-30000 40-1200 dias a meses Foguete térmico solar 700-1200 1-100 semanas Foguete térmico nuclear 900 10 5 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 1-10 12 minutos
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 1000-2000 10 3-10 6-2000-100,000 10 9-10 12 meia hora 2000-40,000 - dias-semanas 10,000 10 3-10 7 meia hora propulsão por feixes de energia 5x10 6 1-10 5 anos N/A 0.01-1 (currently) semanas, provavelmente meses 25
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
Evolução dos motores aeronáuticos: velocidade x potência 27
Razão empuxo-peso x I sp para propulsão espacial Futuro 28
Massa inicial x Dv para propulsão espacial 29
Lançadores brasileiros Sonda 1 Sonda 2 VS 40 Sonda 3 Sonda 4 30
Lançadores brasileiros 31
VSB-30 32
MISSÕES DE LANÇAMENTO 33
Uma missão completa 34
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
Entrega (deploying) 36
Carona Piggy-back 37
Primeira órbita a ser alcançada LEO casos mais comuns GEO Outras órbitas mais altas Escape para o espaço profundo 38
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
Local do lançamento Latitudes privilegiadas Velocidade da superfície da Terra no equador: v eq Ds Dt 2 6400 km 24h 1670 km/h 465 m/s Esta velocidade varia com o cosseno da latitude. 40
Local de lançamento Instalações Cabo Kennedy/ Canaveral - Florida 41 Guiana Space Centre
Local de lançamento Base de Alcântara (Maranhão) 42
Local do lançamento Meteorologia Um lançamento sem vento e sem chuva é muito mais fácil! 43