Na astronáutica , um foguete é um veículo movido por um motor de foguete de alta potência que lhe permite mover-se próximo ao espaço e, em particular, colocar uma carga útil ( satélite artificial ) em órbita , ou mesmo escapar dela. Atração terrestre para visitar diferentes corpos celestes . Os foguetes espaciais geralmente têm vários estágios disparados sucessivamente. Foguetes maiores, como o Saturn V , podem colocar até 150 toneladas em órbita baixa .
Ciência do foguete foi teorizado pelo russo Konstantin Tsiolkovsky no final do XIX ° século e colocar em prática em 1935 por Hermann Oberth , então por cientistas alemães durante a Segunda Guerra Mundial , para o projeto do primeiro míssil balístico V2 . A partir do final da década de 1950, os foguetes foram usados para orbitar satélites para fins comerciais, militares, de telecomunicações ou de pesquisa, e para enviar sondas espaciais para outros planetas do sistema solar ou para humanos próximos ao espaço, bem como na Lua.
O foguete usa o princípio de ações recíprocas para acelerar ejetar material por trás dele, usando um (ou mais) motor (es) de foguete . Uma forma intuitiva de explicar a propulsão a jato é evocar a pressão interna exercida contra a parede localizada no lado oposto àquele onde a porta de saída (bocal) está localizada e observar que o efeito desta pressão interna não é compensado pela parede oposta (esta parede oposta não existe mais devido à existência do bico). Esse desequilíbrio faz com que o corpo do foguete se mova.
Na verdade, esta forma intuitiva de explicar a reação descreve, por exemplo para um foguete d'água , apenas metade da força propulsiva, (para este, a força propulsiva calculada pela conservação das Quantidades de Movimentos é muito próxima e não de , sendo a área do orifício de saída e a pressão estática existente no motor).
Da mesma forma, a força propulsora de foguetes de foguetes sólidos é mais de 1,6 vezes mais forte do que a força determinada pelo método intuitivo acima. Para o motor Ariane 5 Vulcain 2 (motor de propelente líquido), podemos calcular que o empuxo é 1,96 vezes a força criada pela pressão interna do motor na área oposta à área do pescoço do bico. Este número muito bom se deve principalmente à eficiência da parte divergente do bico (a famosa "xícara de ovo"). Os números indicados no instante ( 2 , 1,6 e 1,96 ) representam o que é chamado de coeficiente de empuxo do motor. Este coeficiente é, portanto, definido como o quociente do Empuxo real pelo produto .
No caso clássico dos motores de foguete termoquímicos , a propulsão do motor de foguete é baseada, como no motor de um carro a gasolina, na energia liberada pela combustão de um combustível com um oxidante (propelentes). O motor de foguete tem dois componentes essenciais: a câmara de combustão e o bico . Os propelentes são queimados na câmara de combustão : esta reação química, que envolve o agente redutor (o combustível) e o agente oxidante (o agente oxidante), é altamente exotérmica, ou seja, libera calor e transporta gases resultantes da combustão em temperaturas de vários milhares de graus. Os gases produzidos escapam da câmara de combustão por um orifício relativamente estreito. No caso de um motor de foguete (mas não é o caso de uma exibição de fogos de artifício) este orifício é ocupado por um bico Laval caracterizado por uma forma específica (cone convergente e depois divergente) que permite aumentar consideravelmente a velocidade dos gases expelido: ao circular no bico, a pressão e a temperatura do gás diminuem enquanto sua velocidade aumenta. A energia térmica da combustão é transformada em energia cinética . A expulsão de gases em alta velocidade (entre 2.000 e 4.500 m / s dependendo dos propelentes usados e da eficiência do motor do foguete) gera um impulso no foguete na direção oposta em aplicação da lei de conservação da quantidade de movimento . A velocidade do foguete aumenta.
O ganho de velocidade do foguete é regido pela lei da conservação do momento : a mudança na velocidade ao longo de um determinado período é proporcional ao logaritmo natural da massa de gás expelido durante este período de tempo dividido pela massa total do foguete em o início do período de relatório. A mudança de velocidade também é proporcional à velocidade de ejeção do gás.
Mais precisamente, a lei é declarada da seguinte forma:
no qual :
Esta equação é estabelecida integrando a equação de conservação do momento entre o início e o fim da fase de propulsão sob as seguintes premissas:
O impulso específico (geralmente denotado I sp ) é o quociente de impulso de um propelente , pelo produto do fluxo de massa do propelente pelo valor normal da aceleração da gravidade (ou fluxo-peso do propelente ejetado). Com empuxo igual, quanto maior o I sp de um propulsor, menos propelentes ele consome . O impulso específico, homogêneo a um tempo , é expresso em unidades de tempo (na maioria das vezes em segundos ). Indica o tempo durante o qual um quilograma de propelente produz um empuxo de 1 quilograma-força , ou seja, 9,81 N:
com F o empuxo, q a vazão de massa de ejeção do gás eg 0 a aceleração da gravidade.Impulsos específicos dos propelentes mais usados ou estudados:
Modo de propulsão | I sp (em s) | Comentários |
---|---|---|
LO 2 . LH 2 | 435 | L = líquido |
LO 2 Querosene | 320 | |
N 2 O 4 - UDMH | 305 | UDMH (dimetilhidrazina assimétrica) muito tóxico |
Reator nuclear / trocador de calor | ~ 800 | Não operacional até o momento |
Propulsor elétrico | 1500 a 2000 | Problema de eficiência energética (solução de longo prazo) |
É mostrado que um foguete composto de um único estágio não pode colocar uma carga útil em órbita, mesmo que use os propelentes mais eficientes e seu índice construtivo seja particularmente baixo. Os foguetes que devem transportar uma carga útil por uma grande distância são, portanto, de vários estágios: cada estágio tem seu (s) próprio (s) motor (es) de foguete, e ele é liberado quando o combustível se esgota. O motor do próximo estágio é então ligado.
O primeiro estágio dos lançadores modernos geralmente é composto de um estágio principal flanqueado por propulsores de reforço cujo papel é fornecer empuxo adicional durante os primeiros minutos de vôo. Esses aceleradores, que geralmente são baseados em pó, podem ter um empuxo maior do que o primeiro estágio (Ariane 5), mas são liberados muito antes que o primeiro estágio tenha esgotado seu combustível.
Tradicionalmente, lançadores espaciais têm 3 fases (Ariane 1 e 4, Saturn V) ou 2 etapas + aceleradores ligados ao 1 r fase (Ariane 5 ...). O último estágio de propulsão comunica a parte mais importante da velocidade horizontal ao satélite. Para aumentar seu desempenho, a propulsão criogênica é frequentemente escolhida. Este estágio nos lançadores mais sofisticados pode ser desligado e ligado várias vezes, o que dá mais flexibilidade para colocar as cargas em suas órbitas.
Os primeiros foguetes modernos ( Goddard , Winkler ) produziram primeiro foguetes de "roda dianteira" (o bocal que criou a propulsão estando localizado no topo do foguete e seus tanques sob este bocal, ao contrário): Eles pensaram que 'assim o foguete seria estável, os tanques podendo apenas seguir o motor como o arado segue o boi.
Não foi. Um dos primeiros, Goddard entendeu que esse desenho (no modelo do boi puxando o arado) estava errado (pode-se pensar nisso sobre a delicada estabilidade em estrada dos carros com o motor colocado na parte traseira) e que era a ação do ar na ogiva (principalmente) que fez o foguete girar (como um balão inflado e lançado). Para um foguete ser estável, ele simplesmente requer que seu Centro de Massas esteja suficientemente "à frente" (ou "para cima" para um foguete que está subindo) de seu Centro de Pressão Aerodinâmica. No entanto, os meios de simplesmente determinar a posição do centro de pressão aerodinâmica de um foguete ainda não existiam. Foi o relato de James e Judith Barrowman que forneceu esses meios.
O texto Le Vol de la Fusée, da Planète Sciences , única associação autorizada na França a lançar foguetes sob a égide do CNES, é baseado no trabalho dos Barrowmans, pelo menos em sua seção de "estabilidade estática".
Os foguetes distinguem entre duas formas de estabilidade de foguetes:
Estabilidade estática (capacidade de um foguete retornar "em um determinado tempo" à incidência aerodinâmica zero após uma perturbação - turbulência do ar atravessado pelo foguete -). Deve-se notar que o "determinado tempo" em questão não é dado pelos cálculos de estabilidade estática. Estabilidade dinâmica: ao contrário, esta estabilidade dinâmica está relacionada ao tempo que o foguete levará para retornar à incidência aerodinâmica zero após uma perturbação. Na prática e na melhor das hipóteses, esse retorno "ao neutro" do foguete após uma perturbação ocorrerá após um certo número de oscilações amortecidas de seu eixo em torno da direção geral da trajetória.Foguetes comerciais modernos, como Ariane 5 ou Ariane 6 , Soyuz etc., são aerodinamicamente instáveis. Eles devem, portanto, para não serem vítimas de desvios destrutivos, ser ativamente pilotados pela direção rápida de alguns de seus motores ( consulte Pilotar abaixo ). Este já era o caso do foguete para a conquista da Lua Saturno V : ele só possuía pequenas aletas na base para dar tempo à tripulação de abandoná-lo em caso de falha do motor (pois sem motores não há estabilização ativa , portanto perda de trajetória e desvios destrutivos). O ex - foguete lunar soviético N1 também tinha, em sua base, pelo mesmo motivo, a salvaguarda da tripulação, painéis de células estabilizadoras.
A propulsão de um foguete é devida na maioria dos casos a um dos dois seguintes tipos de motores de foguete :
O motor do foguete inclui:
A câmara de combustão é o local onde ocorre a combustão dos propelentes . Para reduzir o tamanho e, portanto, o peso do motor do foguete, a pressão na câmara de combustão deve ser a mais alta possível. Geralmente os propelentes são pulverizados em proporções que garantem a combustão completa ( mistura estequiométrica ), o que pressupõe que a mistura seja homogênea. O injetor que envia combustível e oxidante para a câmara de combustão assume várias formas dependendo dos modelos de motor: injetor de chuveiro (jatos paralelos), jatos simultâneos, etc. Um dos problemas mais sérios e comuns que afetam os foguetes é a instabilidade da combustão.
Se não for hipergólica, a mistura deve ser inflamada por um dispositivo cuja confiabilidade é um critério essencial. A ignição da mistura pode ser desencadeada pela introdução de um produto hipergólico com um dos dois propelentes, uma resistência atravessada por uma corrente de alta intensidade, um catalisador, uma pequena carga pirotécnica, uma câmara de ignição que se comunica com a câmara de combustão.
BocalO bico permite acelerar os gases resultantes da combustão levada a pressões e temperaturas muito altas, conferindo-lhes uma velocidade ao longo do eixo do motor. O bico tem a forma de um cone convergente e depois de uma superfície divergente que permite que os gases cruzem a velocidade do som: a montante da garganta a velocidade do gás é subsônica e a jusante supersônica. Na presença de atmosfera, o impulso é ótimo quando a pressão dos gases na saída do bico é igual à pressão ambiente. Os bicos do primeiro estágio são, portanto, mais curtos do que os dos estágios que devem operar no vácuo. Para limitar o volume, o bocal dos motores de foguete dos estágios superiores pode ser parcialmente implantável.
Sistema de refrigeraçãoAs paredes da câmara de combustão e do bico são submetidas a temperaturas muito altas (vários milhares de graus) e devem ser resfriadas. O método mais comum consiste em fazer circular um dos propulsores na parede, que para o efeito é oco ou constituído por tubos contíguos. O líquido usado para o resfriamento pode ser reinjetado na câmara de combustão (resfriamento por propelente circulante) ou menos eficiente pode ser ejetado no final do bico (resfriamento por fluido perdido).
Os motores de propelente sólido têm características e modos de operação diferentes dos motores de propelente líquido . Combustível e oxidante são armazenados na forma sólida intimamente misturados. O tanque é ao mesmo tempo a câmara de combustão: está localizada no canal perfurado no centro do bloco de pólvora em todo o seu comprimento. Conforme a combustão progride, o canal se alarga. O diâmetro do bloco de pó determina a duração da combustão. A área exposta à combustão determina o empuxo. Ao atribuir uma dada geometria ao canal (muitas vezes em forma de estrela), podemos criar um impulso crescente, decrescente ou constante (falamos de bloco progressivo, decrescente ou neutro).
O motor é aceso por um sistema de ignição colocado na parte inferior do canal. Os gases resultantes da combustão são expelidos para a extremidade inferior: no final do tanque, um bocal canaliza e acelera os gases queimados. O bico pode ser orientado por macacos para modificar o eixo do impulso. Em alguns foguetes, outro sistema de orientação é usado com base na injeção de um jato de gás no bico.
O motor de foguete sólido tem um design simples porque não possui partes móveis. Os propelentes podem ser armazenados por muito tempo sem precauções especiais e podem ser usados rapidamente, o que significa que são usados sistematicamente para mísseis balísticos. Ao contrário dos motores de propelente líquido, é relativamente fácil projetar um motor com empuxo muito alto (Space Shuttle e Ariane 5 aceleradores). Mas o desempenho (ISP) é muito inferior: a mistura de perclorato de amônio / alumínio / polibutadieno (aglutinante), que é usada em 90% dos casos, tem impulso específico de 273 s . Além disso, o envoltório do piso, que está sujeito a fortes tensões térmicas, deve ser de aço, o que aumenta a massa da estrutura. O motor de propelente sólido, uma vez aceso, não pode mais ser desligado e ligado novamente. Às vezes, há um dispositivo de parada de impulso. O bico que não é resfriado deve ser feito de materiais resistentes a altas temperaturas.
Os principais elementos de um foguete de propelente líquido são:
O índice de estrutura de um foguete é a relação entre a massa vazia de um estágio de foguete (tanques, estrutura, motor, etc.) e sua massa de decolagem. Quanto menor esse índice, mais eficiente é o foguete. Para isso, o foguete é construído com materiais leves e a estrutura é otimizada principalmente pela implantação de tanques estruturais.
Ao mesmo tempo, a parede lateral dos tanques dos estágios principais constitui a estrutura do foguete. No caso de um estágio de propelente líquido, os tanques consistem em várias cápsulas finas (2 mm para o estágio criogênico do foguete Ariane 5 ) soldadas entre si. A resistência às forças mecânicas é amplamente garantida pela pressurização dos tanques. As partes não pressurizadas do foguete (inter-estágios, inter-tanques e montagens de motor) consistem em estruturas rígidas e, portanto, mais pesadas.
Os principais materiais utilizados para a construção de um foguete são ligas de alumínio com boas propriedades mecânicas, são relativamente leves, baratos e relativamente fáceis de trabalhar. Ligas de aço , apesar de sua densidade muito desvantajosa, são usadas principalmente para o revestimento de propelentes de pó que são submetidos a altas pressões; o uso de aço resulta em alto índice de estrutura (11,5% para os propelentes do pó Ariane 5 contra 7,3% para o estágio criogênico). Os compósitos mais caros (fibras de carbono, Kevlar, vidro) possuem excelentes características mecânicas e são usados na parte superior do foguete para a carenagem, a estrutura de suporte de carga e para pequenos tanques.
Um foguete possui diferentes sistemas que o fazem funcionar. As unidades de controle desses sistemas são agrupadas no compartimento do equipamento geralmente alojado logo abaixo da carga útil na periferia de um anel que faz a junção com os estágios de propulsão. Os sensores, atuadores e cargas pirotécnicas são distribuídos por todo o foguete.
A carga útil é posicionada no topo do foguete acima de todos os estágios de propulsão. É composto por um ou mais satélites que são cobertos por uma capa de forma aerodinâmica que os protege enquanto o foguete passa pela atmosfera e que é posteriormente liberado para reduzir a massa propelida.
Quando o foguete transporta astronautas, ele deve ser capaz de preservar suas vidas caso o vôo dê errado. Se acima de uma determinada altitude bastar que a cápsula que transporta os passageiros se separe do foguete por meio de cargas pirotécnicas e, em seguida, inicie a fase de descida inicialmente planejada para a viagem de volta, este dispositivo não poderá operar quando o foguete estiver muito baixo.
A torre de resgate, colocada no topo do lançador, contém cargas pirotécnicas (muitas vezes "tração dianteira") que, em caso de problema, são acesas e arrancam a cápsula do corpo do foguete, afastando-a do a trajetória do foguete enquanto o faz ganhar altura suficiente para que o paraquedas possa frear suficientemente a espaçonave antes que atinja o solo. Inicialmente, para os primeiros voos espaciais tripulados (Gemini, Vostok), o resgate da tripulação em caso de explosão de um foguete foi confiado a um assento ejetável. Este dispositivo era pesado (a sobrecarga é mantida durante todo o vôo) e não permitia retirar suficientemente os cosmonautas da zona de perigo quando o foguete utilizava combustíveis hipergólicos (oxigênio / hidrogênio).
O foguete segue uma trajetória precisa que deve permitir que ele coloque sua carga em uma órbita calculada adequada à sua missão. Essa trajetória deve atender a várias restrições, incluindo a crítica de consumo de combustível. Um sistema de orientação a bordo calcula a posição e a atitude do foguete em tempo real, corrige lentamente sua orientação e dispara a separação de seus estágios. A pilotagem, por outro lado, deve corrigir (e muito rapidamente) as tendências do foguete de atrapalhar (por razões aerodinâmicas, por exemplo) porque tal cruzamento resultaria na destruição do foguete. Para memorizar a diferença entre orientação e pilotagem , pode-se pensar no comportamento de um cavalo: O cavalo é guiado suavemente pelo cavaleiro em direção ao seu objetivo (com os guias): é a orientação; por outro lado, esse mesmo cavalo "pilota" a si mesmo (ou seja, mantém o equilíbrio apesar das armadilhas do caminho). Uma criança que não sabe andar de bicicleta sabe guiar sua bicicleta (pois sabe andar de triciclo), mas não sabe dirigir .
Antes do foguete decolar, uma chamada trajetória nominal é calculada para permitir que a carga útil seja colocada na órbita desejada (velocidade horizontal, direção). Essa trajetória otimiza o consumo de combustível e responde a uma série de outras restrições.
A trajetória real difere da trajetória nominal por vários motivos:
O sistema de orientação garante que a trajetória nominal seja respeitada. Ele deve corrigir os desvios reorientando o foguete e, possivelmente, prolongando o tempo de combustão dos estágios.
O sistema de orientação determina o desvio do caminho nominal usando acelerômetros que medem acelerações e girômetros que medem velocidades rotacionais angulares. Ele envia instruções para o sistema de pilotagem.
O sistema de pilotagem corrige os desvios na trajetória, modificando a orientação do impulso do (s) motor (es) em alguns graus, o que faz com que o lançador gire em torno de seu centro de massa . A maioria dos motores de foguete ( propelente líquido ) pode ser dirigida usando macacos elétricos (motores pequenos pesando alguns quilogramas) ou macacos hidráulicos. A pilotagem é escravizada, ou seja, o resultado das correções é constantemente verificado e possivelmente corrigido novamente.
A gestão deve levar em consideração os seguintes fenômenos:
A precisão da trajetória obtida por esta pilotagem pode então ser menor que 1 m / se algumas centenas de metros no perigeu no Ariane 5 (mais de 10.000 m / s , portanto, uma precisão de 10 −4 ).
A campanha de lançamento do foguete consiste nas seguintes etapas:
A latitude da base de lançamento tem um impacto significativo na órbita que pode ser alcançada pela carga utilizada:
Por estes dois motivos, as bases de lançamento localizadas perto do equador têm uma vantagem para o lançamento de satélites geoestacionários em comparação com bases espaciais localizadas em latitudes mais setentrionais (na origem da decisão de lançar foguetes Soyuz da base espacial). De Kourou ) .
O lançador coloca a carga útil em uma órbita inicial que depende de vários parâmetros:
O tempo de lançamento é, portanto, freqüentemente um fator importante. Para alguns satélites sincronizados com o sol, a janela de lançamento é reduzida para alguns minutos por dia. Outros critérios podem ser levados em consideração, em particular a posição do sol quando a carga começa sua órbita: isso tem efeito nos sensores que controlam o controle de orientação e na iluminação dos painéis solares.
Para uma sonda espacial que deve ser colocada em órbita ou sobrevoar outro planeta, é necessário levar em consideração as posições relativas da Terra e do planeta alvo: por razões de custo, essas sondas são geralmente projetadas para transportar uma quantidade de combustível correspondendo às configurações mais favoráveis. Eles podem aparecer apenas em intervalos de tempo distantes (cerca de oito meses a cada dois anos para março ). A programação de produção do satélite obviamente leva em consideração a janela de disparo, mas após atrasos no desenvolvimento ou problemas com o lançador, aconteceu que, tendo a janela de disparo sido perdida, o lançamento foi adiado por vários meses, se não vários anos.
A trajetória de um foguete é inicialmente vertical por 10 a 20 segundos para liberar o foguete das instalações terrestres.
Durante a passagem pela atmosfera, o foguete é inclinado no plano de sua futura órbita em um ângulo que deve minimizar as forças mecânicas exercidas sobre sua estrutura enquanto reduz a pressão aerodinâmica ao mínimo. Durante esta fase, as rajadas de vento devem ser amortecidas. Durante esta fase, a pressão aerodinâmica , que é função da velocidade e densidade da atmosfera, passa por um máximo (o PD máx . Ou Q máx .). A estrutura do lançador deve ser dimensionada para poder suportar essas forças. Para o foguete Ariane 5, o PD máximo é alcançado a uma altitude de 13,5 km, enquanto o foguete está a uma velocidade relativa de cerca de Mach 2.
A separação dos pisos é feita com cargas pirotécnicas . Alguns lançadores têm pequenos foguetes de separação que desaceleram o estágio lançado para evitar que ele atinja o resto do foguete porque o motor do estágio lançado geralmente não está completamente extinto ( cauda de empuxo ). Enquanto a ignição do próximo andar não é imediata. Após a separação, foguetes de ullage de baixa potência podem ser acesos para pressionar os propelentes líquidos para o fundo do tanque e permitir que os motores principais sejam alimentados na partida, apesar da ausência de peso. Se a embarcação tiver tripulação, a torre de resgate, que constitui um peso morto significativo, é liberada assim que a altitude atingida permitir à espaçonave interromper o vôo com total segurança.
Além de 50 km, a atmosfera é suficientemente rarefeita para que a pressão aerodinâmica se torne quase zero: não há mais qualquer restrição na direção do impulso. Se o voo for um lançamento de satélites, chegado a uma altitude que está localizada segundo os lançadores entre 100 e 200 km de altitude, a carenagem, cujo peso reduz o desempenho do lançador, é liberada porque a carga útil está apenas sujeita a ' pressão aerodinâmica muito baixa.
Dependendo do tipo de missão, o lançador coloca a carga útil imediatamente em sua órbita final (satélites em órbita baixa) ou em espera ou órbita de transferência (satélite geoestacionário, sonda espacial destinada a outro planeta). O lançador após a decolagem obtém um azimute para que o vetor de velocidade chegue o mais próximo possível do plano de órbita alvo quando os motores do lançador são desligados.
Quando o motor do lançador é desligado, a carga útil começa sua primeira órbita: este é o ponto de injeção. Se, após uma falha parcial do lançador, a velocidade orbital não for atingida, a carga realiza um vôo balístico e cai de volta ao solo. Se a componente vertical de sua velocidade em relação ao solo é zero no ponto de injeção, este último se funde com o perigeu da órbita, caso contrário, o perigeu está em uma altitude inferior. Sempre existem pequenos desvios da órbita do alvo (as dispersões) que são corrigidos nas fases seguintes.
Antes de liberar a carga, o lançador modifica sua orientação de acordo com as necessidades deste. O lançador confere uma velocidade de rotação mais ou menos importante à carga para dar-lhe uma certa estabilidade. Este então se separa do lançador. O iniciador pode repetir esta operação várias vezes se for um lançamento múltiplo. a carga útil liberada coloca seus painéis solares em serviço, implantando-os se necessário (às vezes, a manobra é uma fonte de falhas). Utiliza seus sensores para definir sua orientação no espaço e a corrige com a ajuda de seus motores de atitude para apontar seus painéis solares e instrumentos na direção certa.
A trajetória é calculada de forma que, após a separação, os pisos voltem para uma área desprovida de moradias. Essas regras nem sempre são observadas na Rússia e na China .
Um foguete de sondagem é um foguete que descreve uma trajetória suborbital, permitindo a realização de medições e experimentos. Lançado verticalmente, um foguete de sondagem pode transportar centenas de quilos de instrumentos ou experimentos científicos a uma altitude entre cem e mil quilômetros, dependendo do modelo. Sua carga útil, alojada na ponta da máquina, é recuperada com um pára-quedas. A pesquisa realizada com foguetes de sondagem concentra-se principalmente em 2 temas:
Um míssil balístico é um foguete que transporta uma carga militar geralmente nuclear, cuja trajetória é balística. A fase balística é precedida por uma fase de aceleração acionada por um motor de foguete dando à máquina o ímpeto necessário para atingir seu alvo.
Nós distinguimos:
Um foguete experimental é um foguete que não carrega uma carga útil, destinado a experimentar diferentes componentes do foguete final, ou para adquirir ou completar o conhecimento necessário para a realização de um foguete.
O desenvolvimento dos primeiros foguetes está diretamente ligado à descoberta da pólvora negra , uma mistura de carvão , salitre e enxofre com alto poder explosivo. Esta descoberta dada pela maioria dos historiadores a datas China voltar talvez para o XI th século, mas documento não escrito atestada. O primeiro uso documentado de foguetes está relacionado a uma batalha ocorrida em 1232 : durante o cerco de Kaifeng pelos mongóis , os chineses empurraram seus inimigos para trás com a ajuda de "flechas de fogo voadoras". Os foguetes usados na época, embora não muito destrutivos por conta própria, permitiram desorganizar o exército adversário, causando pânico em seus cavalos. Essa inovação está se espalhando rapidamente. Após a batalha de Kaifeng, os mongóis produziram seus próprios foguetes e esse conhecimento rapidamente se espalhou para as pessoas que eles atacaram: japoneses, coreanos, indianos. Na Inglaterra , o monge inglês Roger Bacon dá a fórmula para a pólvora negra em uma obra que provavelmente data da década de 1240. Os árabes teriam conhecimento dos foguetes após a captura de Bagdá pelos mongóis em 1258. O manuscrito árabe Kitâb al- furussia wal munassab al-harbiya escrito provavelmente entre 1285 e 1295 menciona este tipo de arma. Entre o XIII th e XV th séculos, relatos dispersos de foguetes menciona em vários livros mencionando o uso de foguetes durante a luta. Eles podem ter sido usados pelos árabes durante as Sétimas Cruzadas , contra as tropas do Rei Saint Louis . Esses foguetes carregavam uma carga explosiva na forma de um saco de pólvora. O primeiro uso na Europa em combate significativo ocorre em um conflito entre Veneza e Gênova, no qual uma torre na cidade de Chiogga é bombardeada por foguetes.
Foguetes como arma teriam sido usados na Normandia contra os ingleses por volta de 1450 . Na França , Jean Froissart descobriu que a precisão dessas armas melhorava se fossem lançadas de tubos (este é o ancestral da bazuca ). Na Itália , Joanes de Fontana projetou um torpedo de superfície propelido por foguete cujo objetivo era incendiar navios inimigos. No XVI th século , foguetes caiu em desgraça como qu'engins guerra (em parte devido à melhoria no poder e artilharia de precisão), mesmo se continuassem a ser usado para fogos de artifício. No final do século XVIII E , o soberano do Estado de Mysore na Índia usa contra o invasor inglês um corpo de artífices armados com foguetes compreendendo uma jaqueta de aço, os foguetes de Mysore . Este exemplo inspirou o inglês William Congreve, que desenvolveu o foguete homônimo que foi usado com sucesso variável durante várias batalhas navais ou terrestres durante as guerras napoleônicas. Um artífice alemão , Johann Schmidlap , inventa o foguete de nidificação, uma máquina de vários estágios iluminada sequencialmente e que permite aos fogos de artifício atingir uma altitude maior. É o ancestral dos foguetes de vários estágios usados hoje. Na Primeira Guerra Mundial , os foguetes ressurgiram junto com os ancestrais dos foguetes, usados pelos aviadores para atingir os balões de observação inimigos.
Entre o final do XIX ° século e a Segunda Guerra Mundial os maiores avanços na teoria são devido ao russo Konstantin Tsiolkovsky . Este último, em seu trabalho The Exploration of Cosmic Space by Jet Engines (1903), descreve um foguete de propelente líquido (hidrogênio / oxigênio) que seria poderoso o suficiente para se libertar da atração da Terra e atingir outros planetas. Ele está pesquisando os propelentes que podem ser usados para impulsionar foguetes, o formato da câmara de combustão , seu resfriamento por circulação de combustível, a orientação da trajetória por superfícies móveis colocadas no jato de gás, a estabilização giroscópica do foguete, princípios que será retomado mais tarde. Ele escreveu a lei fundamental da razão de massa envolvendo a divisão do foguete em vários estágios. Ele também calcula as várias velocidades envolvidas na astronáutica, conhecidas como velocidades cósmicas . Ele descreve uma estação interplanetária que seria composta de vários elementos separados e cuja órbita poderia ser alterada.
A técnica continuou a progredir no período entre guerras graças a vários pioneiros como Pedro Paulet , fabricante do primeiro motor de propelente líquido, Louis Damblanc que lançou o primeiro foguete com estágios, e Robert Goddard , especialista no desenvolvimento de motores de foguete.
No início do XX ° século o desenvolvimento de foguetes para fins pacíficos para viagens interplanetárias é uma fonte de pesquisadores de motivação. Mas são os militares que, em última instância, contribuem para o desenvolvimento de foguetes, financiando trabalhos que levam a aplicações práticas, como foguetes, sistemas de assistência à decolagem de aeronaves, aviões-foguete e mísseis de longo alcance. Em particular os alemães com a obra de Werner von Braun , com o famoso V2 . Após a guerra, os Estados Unidos e a URSS coletaram equipamentos e engenheiros alemães por conta própria (ver Operação Paperclip ). O primeiro "V2" dos EUA , que trabalhou von Braun, decolou em 14 de março de 1946. O Soviete "V2", ele decolou em 18 de outubro de 1947 sob a direção de Sergei Korolyov e Valentin Glushko . A corrida para o espaço começou.
Independentemente do tamanho, dois parâmetros são praticamente suficientes para definir o desempenho de um foguete:
Lançador | Construtor | Data 1 st vôo |
Capacidade (toneladas) em órbita baixa |
Órbita geoestacionária de capacidade (toneladas) |
Massa (toneladas) |
Altura (metros) | Número de voos bem-sucedidos |
Observações | Status |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Angara A5 | Rússia | 2013 | 24,5 | 4,5 | 759 | 55,4 | 0 | Em desenvolvimento | |
Falcon Heavy | Estados Unidos | 2018 | 63,8 | 26,7 | 1421 | 70 | 3 | Seu primeiro estágio e os boosters laterais pousam separadamente em uma barcaça em mar aberto ou em terra firme perto de seus locais de decolagem para serem reutilizados | Em operação |
Ares V | Estados Unidos | 188 | - | ? | 116 | 0 | Desenvolvimento abandonado em 2010 | Desenvolvimento abandonado | |
Ares I | Estados Unidos | 2009 | 25 | - | ? | 94 | 1 | Dedicado inicialmente a voos tripulados, seu desenvolvimento foi abandonado em 2010 | Desenvolvimento abandonado |
Ariane 5 ECA | Europa | 2002 | 21 | 9,6 | 780 | 56 | 90/94 | Em operação | |
Atlas V 400 | Estados Unidos | 2002 | 12,5 | 7,6 (GTO) | 546 | 58,3 | 8/8 | Em operação | |
Delta II | Estados Unidos | 1989 | 2,7-6,1 | 0,9-2,17 (GTO) | 152-232 | 39 | 151/153 | Em operação | |
Delta IV Pesado | Estados Unidos | 2004 | 25,8 | 6,3 | 733 | 77,2 | 11/10 | Em operação | |
Falcon 9 | Estados Unidos | 2009 | 9,9 | 4,9 (GTO) | 325 | 70 | 47/49 | Primeiro foguete com seu primeiro estágio pousando em uma barcaça em mar aberto ou em terra firme perto de seu local de decolagem para ser reutilizado | Em operação |
GSLV | Índia | 2001 | 5 | 2,5 (GTO) | 402 | 49 | 4/5 | Em operação | |
H2A 204 | Japão | 2006 | 15 | 6 (GTO) | 445 | 53 | 1/1 | A série H2A inclui outros modelos. Primeiro lançamento 2001 14 lançamentos bem-sucedidos de 15 |
Em operação |
Longa Marcha 2F | China | 1999 | 8,4 | - | 464 | 62 | 7/7 | Dedicado a voos tripulados | Em operação |
PSLV | Índia | 1993 | 3,2 | 1,4 (GTO) | 294 | 44 | 18/20 | Em operação | |
Próton | Rússia | 1965 | 22 | 6 (GTO) | 694 | 62 | 294/335 | Em operação | |
Nave espacial | Estados Unidos | Mil novecentos e oitenta e um | 24,4 | 3,8 (GTO) | 2040 | 56 | 124/125 | Voos tripulados | Preso |
Saturno V | Estados Unidos | 1967 | 118 | 47 | 3039 | 110 | 13/13 | Preso | |
Soyuz -FG | Rússia | 2001 | 7,1 | - | 305 | 49,5 | 17/17 | Primeiros voos da série em 1966 (mais de 1.700 voos) |
Em operação |
Titan IV B | Estados Unidos | 1997 | 21,7 | 5,8 | 943 | 44 | 15/17 | Preso | |
Vega | Europa | 2012 | 1,5 | - | 137 | 30 | 14/15 | Em operação | |
Zenit | Ucrânia | 1999 | - | 5,3 | 462 | 59,6 | 26/29 | Lançado de uma plataforma móvel no mar | Em operação |
Combustível | Oxidante | Relação de mistura |
Densidade média da mistura |
Temperatura de combustão |
Velocidade de ejeção | Vantagens e desvantagens |
usar | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Designação | Temperatura de ebulição | Densidade | Características | Designação | Temperatura de ebulição | Densidade | Características | ||||||
Querosene | 80 ° C a 150 ° C | 0,8 | Oxigênio | -183 ° C | 1,14 | 2,4 | 1.02 | 3.400 ° C | 3000 m / s | criogênico | |||
UDMH | 63 ° C | 0,8 | Oxigênio | 1,7 | 0,97 | 3.200 ° C | 3.200 m / s | criogênico | |||||
Hidrogênio | -253 ° C | 0,07 | Oxigênio | 4 | 0,28 | 2.700 ° C | 4.300 m / s | criogênico | |||||
UDMH | Tetraóxido de nitrogênio | 21 ° C | 1,45 | 2,7 | 1,17 | 2800 ° C | 2.900 m / s | tóxico armazenável hipergólico | |||||
Querosene | Ácido nítrico | 86 ° C | 1,52 | 4,8 | 1,35 | 2950 ° C | 2.600 m / s | não criogênico | |||||
Hidrazina | 114 ° C | 1.01 | Flúor | -188 ° C | 1,54 | 2 | 1,30 | 4300 ° C | 3.700 m / s | criogênico | |||
Hidrogênio | Flúor | 8 | 0,46 | 3.700 ° C | 4.500 m / s | hipergólico |
Os foguetes estão particularmente presentes no campo da ficção científica, onde estão associados aos voos espaciais. Lembraremos notavelmente do álbum de quadrinhos On a Marche sur la Lune, onde o autor belga Hergé colocou sua equipe chefiada por Tintim para pisar na Lua em 1954 , quinze anos antes de Neil Armstrong . Eles tinham um foguete que permaneceu famoso.