Como Funcionam os Foguetes Espaciais

Se os lançamentos de foguetes são comuns e frequentes hoje em dia, é porque eles são resultado da aplicação de princípios que foram vislumbrados há mais de 2000 anos. Embora os conceitos relacionados a eles sejam antigos, foi somente cerca de 70 anos atrás que esses veículos começaram a ser usados na exploração espacial. Mas afinal, você já se perguntou como um foguete espacial funciona?

História dos Foguetes

A ciência dos foguetes avançou significativamente durante o século XX com a contribuição de pioneiros na área, como Konstantin Tsiolkovsky e Robert Goddard. Tsiolkovsky, um cientista russo, teorizou o uso de foguetes para exploração espacial, desenvolvendo uma equação complexa que revela a força necessária para realizar qualquer manobra no foguete e o empuxo necessário para alcançar o espaço. Por sua vez, Robert Goddard, um físico norte-americano, lançou, em 1926, o primeiro foguete movido a combustível líquido, marcando um avanço crucial na tecnologia de propulsão.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a Alemanha desenvolveu os foguetes V-2, os primeiros mísseis balísticos da história. Após a guerra, esses avanços tecnológicos impulsionaram a corrida espacial entre os Estados Unidos e a União Soviética. Em 12 de abril de 1961, o cosmonauta Yuri Gagarin, a bordo do foguete Vostok-K, tornou-se o primeiro ser humano a viajar para o espaço. Já em 1969, os Estados Unidos alcançaram outro marco histórico ao levar os primeiros astronautas à superfície lunar na missão Apollo 11 com o foguete Saturn V.

O que são foguetes espaciais

O foguete espacial é um veículo com motor a jato capaz de transportar equipamentos ou pessoas para fora da Terra, alcançando o espaço, região que está além da atmosfera terrestre. Os foguetes não são movidos por motores convencionais, como os utilizados em automóveis, pois no espaço não há oxigênio. Por isso, utilizam combustíveis que carregam seu próprio suprimento de oxigênio, permitindo a combustão mesmo fora da atmosfera.

Princípio básico de funcionamento

Para conseguir escapar da atração gravitacional da Terra, os foguetes consomem uma enorme quantidade de energia. Seu princípio de funcionamento  baseia-se na Terceira Lei de Newton, que afirma: “Para toda ação, há uma reação igual e oposta.”

Abaixo são destacadas algumas etapas:

1. Queima de combustível: Dentro do foguete, combustíveis químicos (sólidos ou líquidos) reagem para produzir gases quentes;
2. Expulsão dos gases: Esses gases são expelidos com alta velocidades através do bocal na base do foguete;
3. Reação contrária: a força motriz dos foguetes é chamada de empuxo. Essa força é obtida quando a força de expulsão dos gases gera uma reação oposta,conforme a Terceira Lei de Newton, impulsionando o foguete para frente.

Esse empuxo precisa superar a gravidade e a resistência do ar para que o foguete consiga decolar e atingir o espaço. Conforme o foguete consome combustível, ele perde peso, tornando-se mais eficiente em manter a aceleração.

Combustíveis usados nos foguetes

A maioria dos foguetes utiliza combustíveis químicos para sua propulsão, que podem ser sólidos ou líquidos. Os combustíveis sólidos são compostos por uma mistura compactada de combustíveis secos e oxidantes fortes, submetida a altas pressões. Durante a combustão, esses oxidantes liberam grandes quantidades de oxigênio, permitindo uma queima eficiente. Esses combustíveis são fáceis de armazenar e altamente estáveis; no entanto, uma vez iniciada a ignição, não é possível desligar ou controlar o empuxo.

Nos foguetes movidos por combustíveis líquidos, é comum que haja câmaras que separam os combustíveis dos oxidantes, que só se misturam a partir do momento da ignição, o que permite controlar melhor o empuxo. Os mais utilizados são a hidrazina e o hidrogênio líquido.

Os estágios de um foguete

Os estágios correspondem às diferentes fases de funcionamento dos motores e estruturas que permitem a propulsão do foguete. Eles são projetados a fim de otimizar o desempenho e economizar combustível. Os principais estágios são:

1. Primeiro Estágio: É responsável por gerar o empuxo inicial necessário para vencer a gravidade e lançar o foguete da Terra. Nesse estágio estão localizados os motores mais potentes, que consomem a maior parte do combustível. Após o esgotamento do combustível, o estágio é descartado para reduzir o peso e permitir que o foguete continue sua trajetória.
2. Segundo Estágio: Após a separação do primeiro estágio, o segundo entra em ação, continuando a aceleração do foguete para alcançar a órbita desejada. Geralmente, possui motores menores, porém mais eficientes, capazes de operar em altitudes mais elevadas. Após cumprir sua função, o segundo estágio também é descartado.
3. Estágio Final (Terceiro Estágio ou Estágio de Inserção): Esse estágio é utilizado em missões específicas para inserir a carga útil em uma órbita precisa ou para impulsioná-la em direção a um destino, como a Lua, por exemplo. Ele é caracterizado por ser menor e mais eficiente, podendo ser religado em algumas missões. Após cumprir sua função, pode ser descartado ou permanecer em órbita.
4. Carga útil: A carga útil representa o objetivo final da missão, como satélites, sondas ou cápsulas tripuladas. Muitas vezes, ela é protegida por uma coifa, que é descartada após o foguete ultrapassar as camadas mais densas da atmosfera.

Perspectivas futuras

O futuro dos foguetes espaciais apresenta perspectivas promissoras e repletas de inovações. Empresas privadas, como a SpaceX, têm revolucionado a indústria espacial ao desenvolver foguetes reutilizáveis, o que reduz significativamente os custos das viagens espaciais. Esses avanços abrem caminho para missões ambiciosas, como a exploração de Marte e o estabelecimento de colônias na Lua.

A própria SpaceX, empresa de Elon Musk, realizou no dia 13 de outubro de 2024 o quinto teste do Starship, o sistema de foguetes mais poderoso já construído. A missão foi um marco ao alcançar com sucesso o objetivo de trazer o propulsor Super Heavy, a parte inferior da nave, de volta à base de lançamento, uma manobra inédita. A recuperação e reutilização de foguetes são consideradas essenciais para o objetivo da SpaceX de reduzir o tempo e os custos de transporte de cargas e pessoas à órbita terrestre e ao espaço.

Desenvolvimento Espacial no Brasil

O Brasil iniciou seu programa espacial na década de 1950, com foco no desenvolvimento de foguetes de sondagem e parcerias internacionais. Nas décadas seguintes, avançou na criação de foguetes e satélites, destacando-se com o foguete Sonda e o VSB-30 para missões científicas. Em 2003, o país enfrentou um grande desafio com o trágico acidente no Centro de Lançamento de Alcântara (CLA), que atrasou o progresso, mas também impulsionou melhorias na segurança e na gestão do programa.

Nos anos seguintes, o Brasil reforçou suas parcerias internacionais e avançou no desenvolvimento de lançadores e satélites comerciais. A base de Alcântara se tornou um ponto estratégico para lançamentos, devido à sua localização perto da linha do equador, facilitando lançamentos mais eficientes. Atualmente, o Brasil segue investindo na expansão de suas capacidades espaciais, com o objetivo de aumentar sua participação no mercado global de lançamentos e fortalecer sua presença no setor científico e tecnológico.

Conclusão

Compreender o funcionamento de um foguete permite explorar conhecimentos que abrangem diversas áreas da ciência e tecnologia, além de mostrar sua conexão com importantes marcos históricos da humanidade. No futuro, espera-se que essa tecnologia continue a evoluir de forma significativa, abrindo caminho para missões espaciais ainda mais ambiciosas e revolucionárias.