liquid propellant rocket engine (Motor foguete Liquido) part1

EN3225 Propulsão Aeroespacial

Universidade Federal do ABC

Aula 1 Foguetes - generalidades

EN 3255 Propulsão Aeroespacial


FOGUETES: UM BREVE HISTÓRICO

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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.

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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.


“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.

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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

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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)

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Wernher von Braun

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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)


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.

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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


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.

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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.

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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


Rocketdyne F-1

Empuxo 34,02 MN

Tempo de funcionamento: 150 s

Combustível: RP-1 e Oxigênio líquido

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Rocketdyne J-2

Empuxo: 5 MN

Tempo de funcionamento: 360 s

Combustível: LOX e Hidrogênio líquido

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//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/64/J-2_test_firing.jpg


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

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Ônibus espacial

Endeavour

4/agosto/2007

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Veículos lançadores atuais (1)

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Veículos lançadores atuais (2)

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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

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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

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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.

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Evolução dos motores aeronáuticos: velocidade x potência

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Futuro

Razão empuxo-peso x Isp para propulsão espacial

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Massa inicial x Dv para propulsão espacial

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Lançadores brasileiros

Sonda 1 Sonda 2

Sonda 3 VS 40 Sonda 4

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Lançadores brasileiros

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VSB-30

AGA0521 - Aula 4a: Foguetes 32


MISSÕES DE LANÇAMENTO

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Uma missão completa

AGA0521 - Aula 4a: Foguetes 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”.

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“Entrega” (deploying)

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“Carona”

Piggy-back

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Primeira órbita a ser alcançada

• LEO – casos mais comuns

• GEO

• Outras órbitas mais altas

• Escape para o espaço profundo

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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


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


Local de lançamento

• Instalações

Cabo Kennedy/ Canaveral - Florida

Guiana Space Centre


Local de lançamento

Base de Alcântara

(Maranhão)

42 AGA0521 - Aula 4a: Foguetes


Local do lançamento

• Meteorologia

Um lançamento

sem vento e sem chuva é muito

mais fácil!

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