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Foguetes espaciais: como são construídos?

Engenheiro aeroespacial explica as estruturas básicas que constituem os foguetes e quais são os estágios que levam essa máquina ao espaço

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21 abr 2021 | Por Rebeca Alencar (rebs.alencar@usp.br)

No dia 4 de outubro de 1957, o satélite Sputnik 1 foi lançado pela União Soviética, dando início à corrida espacial travada contra os Estados Unidos. O embate, que durou cerca de uma década, tinha o objetivo de conquistar o pioneirismo na exploração do espaço. Para que ela ocorresse, a tecnologia aeroespacial teve um enorme salto de desenvolvimento nessa época, tanto pelo investimento estadunidense quanto pelo soviético.

Após anos de disputa, apesar das dúvidas em relação à decisão, a União Soviética é apontada como a grande vencedora da corrida espacial. Contudo, o desenvolvimento dessa indústria não terminou com o fim do confronto. 

Frente às inúmeras descobertas e estudos realizados no exterior da atmosfera terrestre, a NASA, a Agência Espacial Federal Russa e outras companhias da área continuam recorrendo ao espaço para atingir novos avanços científicos. Os foguetes, máquinas de alta velocidade capazes de adentrar novas órbitas, são os principais equipamentos que tornaram tais avanços possíveis.

Quando se fala de “foguete”, não é difícil criar uma imagem automática em nossa mente de um enorme veículo metálico impulsionado por um jato de fogo. Porém, isso é apenas o exterior. Sua produção estrutural e mecânica é dotada de diversos detalhes e está nas mãos de grandes equipes, não só em quantidade, mas também em capacidade. Nesta matéria do Laboratório, você irá entender um pouco melhor sobre como os foguetes são construídos e sobre as etapas mais importantes por trás da montagem.

 

Foguete espacial, nave espacial, ônibus espacial ou foguete de sonda?

Antes de aprofundar a análise do assunto, é necessário saber diferenciar cada um desses quatro termos. À primeira vista, todos parecem se referir ao mesmo conceito, no entanto, Rafael Cuenca, professor e coordenador do curso de engenharia aeroespacial da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), diferencia cada um deles.

Segundo o professor, nave espacial é o conceito mais abrangente, pois se refere a tudo que navega ou está em trajetória no espaço. “Essa navegação pode ser de um satélite em órbita, uma sonda enviada a outro planeta, a própria estação ou até mesmo o ônibus espacial”, explica. Já os ônibus espaciais, por sua vez, são naves que entram em órbita, realizam a sua missão e, na reentrada ao planeta Terra, realizam voo planado.  

Por fim, há a distinção entre os foguetes de sonda e os foguetes espaciais. Os de sonda, como afirma Cuenca, são sistemas de voo suborbital. Esses veículos não chegam a sair da atmosfera terrestre, porém sua função é destinada a pesquisas e estudos acadêmicos. Por outro lado, os foguetes espaciais são responsáveis diretos por colocar naves em órbita, contando com grandes altitudes e altas velocidades. São sobre eles que iremos falar aqui.

 

Estrutura básica de um foguete

Tanque de combustível, motor, sistemas de controle e carga: esses são os componentes primordiais da arquitetura de um foguete. É necessário saber as suas respectivas especializações e localizações.

De acordo com o professor, a parte traseira do veículo comporta o tanque de combustível e motor. Quando ele é de propulsão sólida, o armazenamento de combustível é interno ao motor, e quando é de propulsão líquida, é externo. Mas, afinal, o que é propulsão?

Propulsão é a energia gerada a partir da queima de combustível – chamado de propelente – sólido ou líquido e liberação de gases, que impulsiona a movimentação do foguete através da força de empuxo. Ele pode ter ambos os tipos de combustão ou apenas um. Isso depende de critérios técnicos e econômicos que envolvem diversos aspectos do desenvolvimento do projeto, como tecnologia disponível, custo de produção, eficiência, tipo de aplicação (propulsão principal ou auxiliar) e impacto ambiental em um possível acidente. 

Além disso, é importante ressaltar que um mesmo foguete pode ter vários motores, que também se dividem em principais e auxiliares e possuem, cada um, sua respectiva propulsão. Os primeiros são, de modo geral, responsáveis pelo maior controle da força de empuxo, enquanto os últimos são usados – como o nome já pressupõe – de forma secundária, quando há maiores preocupações com o controle de voo, como no acionamento múltiplo de motores. 

Já na parte frontal, o professor realiza uma nova subdivisão. Em sua primeira metade, há todos os sistemas eletroeletrônicos, como controle de navegação, decisão de comando – que guarda a trajetória da missão – e comunicação com o solo. Na segunda, ou seja, a ponta, fica localizada a carga.

Em termos técnicos, a carga é o corpo ou sistema a ser transportado pelo foguete. Ela pode ser tripulada, havendo um conjunto planejado de suporte à vida, ou coifa. De acordo com Cuenca, esse segundo tipo reduz os impactos aerodinâmicos prejudiciais à estrutura e, fora da atmosfera, libera o que é chamado de carga ou carga paga. Essa carga, por sua vez, geralmente é um conjunto de satélites – seja de pesquisa ou sensoriamento remoto. Tanto essa quanto a tripulada, segundo ele, após serem liberadas do foguete, possuem controle independente.

 

Coifa de um foguete Delta IV [Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons]

Coifa de um foguete Delta IV [Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons]

 

Sistema de estágios

Anteriormente, você viu que um foguete pode ter vários motores. Isso não é por acaso. Tal condição refere-se ao que é chamado de “sistema de estágios”, em que o lançamento e aceleração do veículo são dados por etapas, e cada uma delas decorre de um motor. Assim que cada etapa atinge sua eficiência máxima, é descartada do restante da estrutura, e a próxima entra em funcionamento. 

“A eficiência máxima de um motor depende da altitude que ele está voando. Então, na plataforma de lançamento tem uma eficiência e ela muda conforme o foguete sai da atmosfera por causa da mudança de pressão. Quando está voando fora da atmosfera é outra eficiência também”, explica Cuenca.

A necessidade de atingir altitudes extra-atmosféricas a velocidades altas impede que isso seja feito em um único estágio. “Von Braun queria fazer um único estágio, em que um foguete gigantesco seria posto em órbita, direcionado à Lua, pousaria, decolaria e voltaria inteiro. Um dos engenheiros teve coragem de discutir com ele e provou a impossibilidade de seu plano”, conta Cuenca.

Von Braun foi um engenheiro alemão que liderou – entre outros projetos – o desenvolvimento do foguete Saturno V, que levou os astronautas americanos à Lua em 1969. Sua teoria não poderia ser posta em prática em função do peso da estrutura do veículo, que interfere no ganho de velocidade. “Até existe uma brincadeira que diz que, na melhor forma possível, toda a estrutura do foguete deveria ser consumida junto com o motor, para deixá-lo cada vez mais leve conforme seus componentes não são usados”, completa o professor.

Devido a isso, o modelo mais usado na indústria aeroespacial é o de multiestágios. Cuenca ressalta que não há um limite máximo de estágios a serem construídos, mas o máximo de que se tem conhecimento é de cinco etapas, e o usual é de duas a três, pois é o mais funcional física e economicamente. 

 

 Infográfico Construção de Foguetes Espaciais

 

Contudo, quando se pensa na hipótese da colonização humana de outros planetas, a prática torna-se mais delicada. O peso da carga – que seria justamente o da população – é inviável de ser transportado por foguetes mais compactos. A indústria aeroespacial ainda não desenvolveu a tecnologia necessária para realizar esse evento com um foguete de um só estágio, mas, o multiestagial demandaria altos custos financeiros para o desenvolvimento do veículo e da operação. 

Por outro lado, o investimento na tecnologia necessária para construir um foguete compacto que transporte a raça humana a outros planetas não equivaleria ao preço de construir um com várias etapas? Cuenca revela que há outro fator que deve ser considerado no projeto além da velocidade, peso e altitude: o combustível. A quantidade usada está diretamente relacionada ao objetivo da trajetória e, principalmente, ao sistema de estágios. Segundo ele, quanto maior o foguete, mais combustível ele consome. 

O professor ainda adiciona que o desenvolvimento de novas tecnologias detém custos elevados e que, portanto, é preciso esperar os resultados de pesquisas e estudos atuais para ter a conclusão de qual será a melhor forma de tirar a humanidade do grande “planeta azul”. 

“Um conceito antigo que ainda se mantém é o de realizar etapas de voos, ou seja, primeiro é lançado um foguete de dois estágios que entra em órbita. Lá, ou troca-se de veículo ou é construído um maior levando as peças aos poucos. Esse conceito ainda é discutido, mas não existe um consenso de qual vai ser a melhor opção”, finaliza Cuenca.

 

Por trás do projeto de um foguete: planejamento e equipe

Estrutura, plano de voo, trajetória, lançamento, cálculos…. para a teoria ser posta em prática com sucesso, há uma grande variedade de profissionais envolvidos. 

Para um foguete sair do solo terrestre, Cuenca conta que a equipe é composta por engenheiros das mais diversas especializações. Eles são responsáveis pela fabricação estrutural, elaboração da trajetória, desenvolvimento dos sistemas elétricos e comunicacionais, entre muitas outras funções. Porém, toda essa construção também está nas mãos de pessoas tão importantes quanto os engenheiros: os físicos. 

“Físicos trabalham muito no planejamento de trajetórias orbitais. No desenvolvimento de teorias e no entendimento de conceitos e motores de foguetes, além de engenheiros, existem físicos. Propulsão elétrica – que ainda tem muita tecnologia em desenvolvimento – também é trabalhada por físicos tanto na simulação quanto na parte experimental”, exemplifica, mostrando a pluralidade desse setor.

Mas não é só com o foguete que se programa uma missão espacial. Os cuidados não devem ser limitados “ao que faz chegar”. O “como chegar” também demanda atenção e dedicação, que pode ser totalmente comprometida com a intervenção de fatores naturais. 

O vento é o mais clássico. Cuenca conta que a sua intensidade, quando sai das previsões elencadas pela equipe, pode impedir um lançamento. “Até um certo limite isso pode ser corrigível, mas os fatores de segurança fazem com que a indústria espacial trabalhe muito com as tolerâncias, então precisa estar dentro de um valor previsto”, alerta.

No entanto, a temperatura é um fator igualmente preocupante tanto em seus valores altos quanto baixos. O último caso, por exemplo, foi o responsável pelo histórico acidente da Challenger, um ônibus espacial americano, que explodiu 73 segundos após a decolagem e causou a morte de toda sua tripulação em 1986. Confira o momento no vídeo:

 

Archival: Space Shuttle Challenger Disaster | NBC Nightly News

 

Cuenca conta que a borracha de vedação de um dos solid rocket boosters (foguete auxiliar que impulsiona o lançamento) estava em temperatura mais baixa que a tolerância estipulada pelo projeto. Com isso, congelou, ficou quebradiça e implicou na explosão. Para evitar catástrofes como essa, o professor afirma que seguir estritamente o cronograma de construção e lançamento é primordial: “Isso evita efeitos temporais – como a degradação química, por exemplo – a partir do momento de montagem”, comenta.

A elaboração desse cronograma é feita a partir de experiências prévias na área, acumuladas em décadas de testes, acertos e falhas. “Na aeronáutica comum, falamos que nenhum acidente é em vão, pois todos levam a um aprendizado e melhoria de segurança, e na aeroespacial também”, explica. Assim, segundo Cuenca, todo incidente ocorrido, seja ele grave ou não, é minimamente estudado para que conceda novos conhecimentos e mudanças no projeto e na operação que a tornem mais segura. 

As experiências prévias diminuem os riscos de falha, mas isso não quer dizer que elas não ocorram. No entanto, Cuenca afirma que a metodologia e preparo da indústria aeroespacial permitem que as adversidades localizadas na estrutura ou no plano de lançamento sejam identificadas muito antes de seu início.

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