Como os Foguetes Funcionam: Empuxo, Sistemas de Propulsão e Mecânica Orbital Explicados

Toda vez que um foguete decola — seja um Falcon 9 tripulado, um lançador europeu Ariane ou um pequeno impulsionador de satélite de observação terrestre — está aplicando os mesmos princípios de física que os engenheiros usaram desde o início do século XX. O interesse público nesses lançamentos permanece alto o ano todo, mas a mecânica subjacente de empuxo, propulsão e órbita é frequentemente negligenciada. Agências como a NASA e a Agência Espacial Europeia (ESA) publicam explicações detalhadas de como os foguetes realmente funcionam; este artigo se baseia nesse material.

Produzindo empuxo: a terceira lei de Newton em ação

De acordo com o Centro de Pesquisa Glenn da NASA, um motor de foguete queima combustível armazenado junto com um oxidante armazenado dentro de uma câmara de combustão, produzindo gases de escape quentes e de alta pressão. Esse gás é então forçado através de um bocal, que o acelera ainda mais antes de sair do veículo. A NASA afirma claramente que "o empuxo é produzido de acordo com a terceira lei do movimento de Newton": o gás é empurrado de uma maneira para fora do bocal, e o foguete é empurrado na direção oposta com força igual. A ESA descreve o mesmo mecanismo para leitores mais jovens usando uma analogia de balão — ar saindo do pescoço de um balão em uma direção empurra o balão para o outro lado.

A equação de empuxo da NASA o expressa numericamente como F = ṁVe + Ae(pe − p0), onde ṁ é a taxa de fluxo de massa do escape através do motor, Ve é a velocidade de saída do escape, Ae é a área de saída do bocal, pe é a pressão na saída do bocal, e p0 é a pressão circundante (de fluxo livre). Na prática, a quantidade de empuxo que um foguete produz depende principalmente de quanto de massa de escape sai por segundo e de quão rápido esse escape está se movendo quando sai do bocal.

Por que os foguetes funcionam no vácuo do espaço

Motores a jato e hélices dependem de aspirar ar circundante, o que significa que não podem funcionar uma vez que um veículo sai da atmosfera. Os foguetes evitam essa limitação porque, como observa a NASA, eles carregam seu próprio oxidante a bordo em vez de depender do oxigênio atmosférico. Como não há ar exterior envolvido na reação em tudo, a equação de empuxo não tem um termo de "entrada de ar de fluxo livre" — o que é também o motivo pelo qual, como a NASA diz, um foguete pode gerar empuxo em um vácuo onde não há outra fonte de oxigênio.

Impulso específico: medindo a eficiência de um motor

Os engenheiros comparam motores de foguetes usando uma figura chamada impulso específico, ou Isp. O Centro de Pesquisa Glenn da NASA o define como empuxo dividido pela taxa de fluxo de peso do propelente consumido, expresso pela fórmula Isp = F/(ṁ·g0), onde g0 é a aceleração gravitacional padrão (9,8 m/s², ou 32,2 pés/s²). A NASA explica que um motor com um impulso específico mais alto é mais eficiente porque produz mais empuxo pela mesma quantidade de propelente queimado — tornando Isp o equivalente de economia de combustível para propulsão de foguetes.

Foguetes multietapa: eliminando peso inútil

A maioria dos veículos de lançamento são construídos em dois ou três estágios. A ESA explica que uma vez que um estágio queimou todo o seu propelente, ele é separado e descartado, porque transportar um tanque vazio e equipamento de motor gasto mais adiante desperdiçaria combustível necessário para acelerar o resto do veículo. Lançadores grandes também anexam foguetes propulsores com combustível sólido ou líquido ao primeiro estágio para empuxo extra no lançamento; esses propulsores também são jettisoned após serem gastos. A ESA observa que as espaçonaves precisam atingir aproximadamente 28.000 km/h para entrar em órbita, uma velocidade que o estadiamento ajuda a alcançar ao aliviar continuamente o veículo enquanto sobe.

Propulsão química vs. elétrica

Nem todo sistema de propulsão foi projetado para lançar um veículo do solo. Motores químicos — queimando um combustível e oxidante juntos, como descrito acima — continuam sendo a única forma prática de tirar um foguete da atmosfera terrestre. Para manobrar já no espaço, porém, as agências usam cada vez mais propulsão elétrica. A NASA descreve sistemas que usam eletricidade, gerada por painéis solares ou um reator nuclear, para ionizar um gás como xenônio ou criptônio e acelerar os íons resultantes para fora de um propulsor usando campos elétricos e magnéticos.

A missão Dawn da NASA ilustra o compromisso: usou propulsão elétrica para passar aproximadamente cinco anos chegando ao cinturão de asteroides antes de manobrar entre os corpos Vesta e Ceres — uma aceleração lenta e constante impossível de alcançar com as queimas breves e poderosas de motores químicos, mas eficiente em missões longas. A ESA faz o mesmo ponto sobre sua sonda lunar SMART-1 e a missão em andamento BepiColombo para Mercúrio, ambas que dependem de motores iônicos que, nas palavras da ESA, "podem continuar empurrando suavemente por meses ou até anos" usando apenas um pequeno suprimento de propelente e alguns quilowatts de potência de painéis solares.

Atingir e permanecer em órbita

Chegar ao espaço e permanecer lá são dois problemas diferentes. A Administração Nacional Oceânica e Atmosférica dos EUA (NOAA) explica que um satélite permanece em órbita quando seu momentum para a frente está em equilíbrio com a atração gravitacional da Terra: a gravidade continua dobrando o caminho do satélite em direção à Terra, enquanto sua velocidade lateral continua a levá-lo para a frente, então os dois efeitos se combinam em um caminho circular ou elíptico em vez de uma queda reta. Se um satélite se move muito lentamente para sua altitude, a gravidade domina e ele desce; se ele se move muito rápido, ele sai daquele caminho equilibrado em vez de manter sua órbita.

A velocidade necessária para aquele equilíbrio muda com a altitude. A NOAA dá o exemplo de seu satélite NOAA-20, que orbita a alguns centenas de milhas acima a cerca de 17.000 mph, em comparação com seu satélite GOES-East, que orbita aproximadamente 22.000 milhas de altura a apenas cerca de 6.700 mph — ilustrando que quanto mais longe um satélite fica da Terra, mais fraca é a atração da gravidade e menor a velocidade necessária para permanecer em órbita. O catálogo do Observatório Terrestre da NASA fornece números concretos para classes de órbita comuns: seu satélite Aqua leva cerca de 99 minutos para circundar a Terra a partir de aproximadamente 705 quilômetros (órbita terrestre baixa); satélites GPS voam em uma órbita terrestre média semi-síncrona cerca de 20.200 quilômetros acima da superfície com um período de 12 horas; e satélites geoestacionários ficam cerca de 36.000 quilômetros, completando uma órbita a cada 23 horas, 56 minutos e 4 segundos para que pareçam fixos sobre um ponto da Terra.