Como os foguetes funcionam: tecnologia de motores e mecânica de lançamento espacial explicadas

Cada lançamento orbital, desde um veículo de carga pesada de uma agência espacial governamental até um voo comercial de satélites, depende da mesma física básica descrita há mais de um século. Compreender como um motor de foguete produz empuxo, por que os veículos de lançamento são divididos em estágios e o que diferencia alcançar a órbita de escapar completamente da Terra ajuda a explicar por que a foguetaria continua sendo um dos problemas mais difíceis da engenharia.

A física por trás de cada lançamento

De acordo com o Centro de Pesquisa Glenn da NASA, o empuxo de um foguete é produzido de acordo com a terceira lei do movimento de Newton: o motor acelera o gás de escape em uma direção, e uma força igual e oposta empurra o foguete na outra direção. Combustível e um oxidante são misturados e inflamados em uma câmara de combustão, produzindo gás quente e de alta pressão que é forçado através de um bocal para acelerar o fluxo.

O Centro de Pesquisa Glenn da NASA afirma que o empuxo resultante depende de três fatores: a taxa de fluxo de massa do escape, sua velocidade de saída e a pressão na saída do bocal, expressa como F = ṁVe + Ae(pe − p0). O ponto mais estreito do bocal, chamado de garganta, é onde o escape atinge a velocidade do som, o que fixa a taxa de fluxo de massa; a proporção entre a garganta e a saída então determina a velocidade de saída e a pressão.

A mesma fonte da NASA observa a razão-chave pela qual os foguetes funcionam onde os motores a jato não conseguem: os motores de turbina e as hélices dependem do ar atmosférico como seu fluido de trabalho, enquanto um foguete carrega seu próprio oxidante e, portanto, pode gerar empuxo no vácuo do espaço.

Motores de combustível líquido e sólido

O Centro de Pesquisa Glenn da NASA descreve duas famílias principais de motores. Em um motor de foguete de combustível líquido, combustível e oxidante são armazenados separadamente como líquidos e bombeados para a câmara de combustão, o que permite que a queima seja regulada, parada e às vezes reiniciada. Em um foguete sólido, os propelentes já estão misturados e embalados em um cilindro sólido; uma vez inflamado, um motor sólido não pode ser desligado sem destruir a carcaça.

O explicador 'How Things Fly' do Museu Nacional do Ar e do Espaço do Smithsonian diz que o combustível sólido é frequentemente favorecido para o disparo mais inicial de um foguete porque queima de forma constante e é mecanicamente simples e estável, enquanto o combustível líquido oferece empuxo que pode ser ajustado e controlado durante o voo, o que é mais adequado para os estágios posteriores e mais precisamente gerenciados do voo.

Por que os foguetes são construídos em estágios

A relação entre a capacidade de velocidade de um foguete e sua massa é governada pela equação de foguete de Tsiolkovsky, publicada pela primeira vez em 1903. Conforme resumido por The Planetary Society, a mudança total de velocidade (delta-v) que um foguete pode alcançar é igual à sua velocidade de escape multiplicada pelo logaritmo natural de sua proporção de massa — a massa inicial carregada de combustível dividida pela massa final queimada.

Como essa relação é logarítmica, The Planetary Society observa que uma vez que a proporção de velocidade desejada passa de aproximadamente três ou quatro, a quantidade de massa extra necessária aumenta drasticamente para cada incremento adicional de velocidade. O propelente extra deve ser acelerado por si só, então os ganhos de velocidade se tornam desproporcionalmente caros em massa.

A stagificação resolve parte desse problema. De acordo com o explicador do Smithsonian, uma vez que um estágio queimou seu combustível, sua estrutura e motor não fornecem mais empuxo útil e em vez disso se tornam peso extra que desacelera o foguete, então os veículos de lançamento descartam cada estágio gasto para aliviar o foguete restante antes do próximo motor acender.

Órbita versus escapar completamente da Terra

Alcançar a órbita não é o mesmo que escapar completamente da gravidade da Terra. O serviço de notícias do Georgia Tech fornece a velocidade de escape da Terra — a velocidade mínima necessária para se afastar permanentemente do planeta sem propulsão adicional — como 25.020 mph, ou aproximadamente 40.000 quilômetros por hora.

Satélites e naves espaciais tripuladas em órbita baixa da Terra viajam muito mais lentamente do que esse número. O Georgia Tech explica que os objetos em órbita são lançados com momentum lateral, para que conforme a gravidade continuamente os puxe em direção à Terra, seu movimento para frente os leve além do planeta em vez de para dentro dele, permitindo que caiam continuamente ao redor da Terra em vez de para dentro dela. É por isso, a fonte observa, que milhares de satélites orbitam com sucesso a velocidades bem abaixo da velocidade de escape completa.

Reutilização: o exemplo do Falcon 9

Os veículos de lançamento modernos cada vez mais visam recuperar e reutilizar hardware em vez de descartá-lo. De acordo com a entrada do Falcon 9 na Wikipédia, operado pela SpaceX, o primeiro estágio do veículo é alimentado por nove motores Merlin 1D queimando oxigênio líquido e querosene RP-1, organizados em uma configuração que a empresa chama de Octaweb.

A mesma fonte afirma que após a separação do estágio superior, o primeiro estágio usa aletas de malha que se desdobram após a separação para controle aerodinâmico, juntamente com quatro pernas de pouso extensíveis, para pousar em terra ou em um navio autônomo de drones no mar. A partir de 13 de outubro de 2026, de acordo com a entrada, os impulsores individuais do Falcon 9 tinham voado até 37 vezes cada.