Post on 18-Nov-2014
description
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Universidade Federal do ABC
Aula 1 Foguetes - generalidades
EN 3255 Propulsão Aeroespacial
EN3225 Propulsão Aeroespacial
FOGUETES: UM BREVE HISTÓRICO
2
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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 órbitas terrestres.
3
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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.
EN3225 Propulsão Aeroespacial
“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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
V2
8
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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)
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Wernher von Braun
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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)
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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.
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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 extra-veiculares, habilidades consideradas importantes para o voo até a Lua.
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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.
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Rocketdyne F-1
Empuxo 34,02 MN
Tempo de funcionamento: 150 s
Combustível: RP-1 e Oxigênio líquido
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Rocketdyne J-2
Empuxo: 5 MN
Tempo de funcionamento: 360 s
Combustível: LOX e Hidrogênio líquido
18
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Ônibus espacial
Endeavour
4/agosto/2007
EN3225 Propulsão Aeroespacial 21
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Veículos lançadores atuais (1)
22
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Veículos lançadores atuais (2)
23
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Método de propulsão Impulso específico (segundos) Empuxo (Newtons) Duração
Combustível sólido 100-400 103-107 minutos
Combustível híbrido 150-420 - minutos
Foguete monopropulsor 100-300 0.1-100 milésimos de segundo
a minutos
Foguete bipropulsor 100-400 0.1-107 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 900 105 minutos
Foguete elétrico nuclear Utiliza um método de propulsão elétrica
Vela solar N/A 9 N/km2 (a 1 UA) indefinido
Mass drivers N/A indefinido segundos
Tether propulsion N/A 1-1012 minutos
Métodos cujas tecnologias existem atualmente
24
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Métodos menos convencionais
Método de propulsão Impulso específico
(segundos)
Empuxo
(Newtons) Duração
Vela magnética N/A Indefinido indefinido Mini-magnetospheric plasma
propulsion N/A indefinido indefinido
Reator de fissão gasosa 1000-2000 103-106 - Nuclear pulse propulsion
(Orion drive) 2000-100,000 109-1012 meia hora
Antimatter catalyzed nuclear
pulse propulsion 2000-40,000 - dias-semanas
Nuclear salt-water rocket 10,000 103-107 meia hora Beam-powered propulsion propulsão por feixes de energia Foguete nuclear fotônico 5x106 1-105 anos Efeito Biefeld-Brown (Lifter) N/A 0.01-1 (currently) semanas, provavelmente
meses
25
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Propulsão aeroespacial de hoje
Evolução dos motores aeronáuticos: hp/lb vs hp & ƞ0 vs hp.
Motores a jato para vôos supersônicos & foguetes químicos e elétricos são o “estado-da-arte” em propulsão aeronáutica e espacial.
26
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Evolução dos motores aeronáuticos: velocidade x potência
27
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Futuro
Razão empuxo-peso x Isp para propulsão espacial
28
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Massa inicial x Dv para propulsão espacial
29
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Lançadores brasileiros
Sonda 1 Sonda 2
Sonda 3 VS 40 Sonda 4
30
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Lançadores brasileiros
31
EN3225 Propulsão Aeroespacial
VSB-30
AGA0521 - Aula 4a: Foguetes 32
EN3225 Propulsão Aeroespacial
MISSÕES DE LANÇAMENTO
33
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Uma missão completa
AGA0521 - Aula 4a: Foguetes 34
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
“Entrega” (deploying)
36
EN3225 Propulsão Aeroespacial
“Carona”
Piggy-back
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Primeira órbita a ser alcançada
• LEO – casos mais comuns
• GEO
• Outras órbitas mais altas
• Escape para o espaço profundo
38
EN3225 Propulsão Aeroespacial
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
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Local do lançamento
• Latitudes privilegiadas
Velocidade da superfície da Terra no equador:
Esta velocidade varia com o cosseno da latitude.
m/s465km/h1670h24
km64002
D
D
t
sveq
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Local de lançamento
• Instalações
Cabo Kennedy/ Canaveral - Florida
Guiana Space Centre
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Local de lançamento
Base de Alcântara
(Maranhão)
42 AGA0521 - Aula 4a: Foguetes
EN3225 Propulsão Aeroespacial
Local do lançamento
• Meteorologia
Um lançamento
sem vento e sem chuva é muito
mais fácil!