Por que o motor Aerospike é o futuro dos foguetes e dos voos espaciais

O inovador motor de foguete pode revolucionar os voos espaciais como os conhecemos.

Os foguetes permaneceram praticamente inalterados desde a sua introdução no século XX. Da Apollo 11, em 1969, às missões SpaceX Falcon Heavy, iniciadas em 2018, ambas foram impulsionadas por foguetes com bicos em forma de sino. Portanto, este projeto não é apenas testado e comprovado, mas também robusto o suficiente para lançar espaçonaves fora da órbita da Terra. Mas e se houvesse uma maneira melhor?

Aqueles por trás do motor do foguete aerospike certamente acreditam que sim. Este conceito relativamente inovador promete capitalizar as deficiências dos primeiros foguetes em forma de sino, que eram ineficientes, caros e pesados. Os engenheiros têm brincado com o conceito de motor aerospike desde a década de 1950, mas o interesse voltou a aumentar no início dos anos 2000 com o Projeto X-33 da NASA. Na verdade, ainda este ano, os militares alemães fecharam recentemente um contrato com a Polaris, uma pequena startup que testa um novo motor de foguete linear aerospike.

Antes de começarmos, vamos falar sobre como funcionam os foguetes convencionais – e como o aerospike pode nos levar ao próximo nível. Se ainda não fosse aparente, todos os foguetes precisam usar algum tipo de bocal para acelerar a exaustão quente e produzir empuxo. O bocal em si nada mais é do que um tubo de formato especial, através do qual gases quentes podem fluir.

Todos os foguetes funcionam através da terceira lei do movimento de Newton:

Na foto acima estão os bicos de foguete convencionais em forma de sino - também conhecidos como bicos convergentes-divergentes - no ônibus espacial Discovery. Inerente ao seu nome, o bocal converge para um ponto de aperto e continua a divergir e a expandir-se em direção à saída. O tamanho do ponto convergente (também conhecido como garganta do bocal) pode ser alterado para ajustar a quantidade de empuxo que o foguete produz; esse processo é extremamente importante, pois esse projeto produz níveis variados de desempenho em diferentes altitudes.

Isto significa que o tamanho da garganta do bocal precisa ser escolhido para produzir um desempenho ideal durante o ciclo de queima à medida que a espaçonave sobe. “Basicamente, você escolhe a melhor altitude operacional... e então percebe que, quando chegar a uma altitude elevada, sua eficiência diminuirá, pois você não ganhará todo o impulso que poderia”, diz Stephen Whitmore, professor de engenharia mecânica e aeroespacial. na Universidade Estadual de Utah. É uma desvantagem notável do design do bocal em forma de sino que obriga os engenheiros a fazer um compromisso calculado com o tamanho da seção da garganta do bocal.

O bocal em forma de sino é, na verdade, mais eficiente no espaço do que estar perto da superfície da Terra. Isto ocorre porque a pressão do ar dentro da nossa atmosfera inibe o impulso gerado por qualquer foguete – o que significa que eles produzem mais impulso no espaço do que na Terra.

Saiba mais neste vídeo:

O motor aerospike – especificamente o aerospike cônico – é bastante semelhante a um foguete convencional e funciona basicamente com o mesmo princípio: trocar energia térmica por energia cinética. Você verá na seção transversal acima que o aerospike usa uma seção em forma de espigão que cabe dentro de onde estaria a parte divergente de um bocal de sino. “Ele substitui esse limite fixo por um limite livre… em vez do formato de sino ser um limite externo, é um limite interno contra o qual você empurra”, diz Whitmore.

Você também pode ter visto um motor aerospike linear, que é essencialmente um aerospike cônico que foi desenrolado e achatado. Esta configuração foi utilizada para o Projeto X-33, pois era mais adequada ao formato plano da espaçonave. “O aerospike linear do X-33 foi impulsionado basicamente pela aparência da base do x-33”, diz Whitmore.

Puro e simples, é essencialmente um bico de sino virado de cabeça para baixo e do avesso. Isso significa que o bico aerospike não só pode ser menor que um bico tipo sino, mas também pode compensar a altitude com muito mais eficiência. Isso produz uma redução considerável na queda de desempenho enquanto o foguete é catapultado para as bordas externas da atmosfera terrestre.