Propulsão

Sobre

Propulsão é o processo de alterar o estado de movimento ou de repouso de um corpo em relação a um dado sistema de referência. Este processo pode ser realizado por vários meios, usando-se fontes de energia diversas, por exemplo, a energia das ligações químicas moleculares, a energia elétrica armazenada em baterias ou proveniente de painéis solares, a energia nuclear de reações de fissão nuclear e a energia do decaimento de radioisótopos. Um corpo pode ser acelerado através de fontes de energia internas, isto é, transportadas junto com ele, como é o caso de combustíveis armazenados em tanques, ou por fontes externas, como é o caso da pressão de radiação solar. Os meios de propulsão são utilizados para mover aviões, veículos espaciais, automóveis, trens, navios, submarinos, etc.

O Laboratório Associado de Combustão e Propulsão (LCP) restringe suas pesquisas aos engenhos adequados para a propulsão aeroespacial, em particular à propulsão de satélites e à propulsão auxiliar de veículos espaciais, que são normalmente produzidas por pequenos foguetes acoplados ou por motores integrantes de suas próprias estruturas. Essa propulsão tradicional é chamada de "propulsão a jato" e é obtida pela reação fornecida a um veículo pela quantidade de movimento da matéria ejetada. Em princípio, porém, o LCP está em condições de estudar qualquer tipo de propulsão aerospacial, e o faz para atender às necessidades do INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, às necessidades de seus eventuais parceiros ou como aplicação prática dos ensinamentos de seus cursos de pós-graduação na área, normalmente sob a forma de teses ou dissertações.

Motores à Propulsão Química

Na propulsão química, a energia utilizada provém das ligações químicas moleculares de propelentes (combustíveis e oxidantes).

A reação química entre os propelentes transforma a energia contida nas ligações químicas das moléculas dos propelentes em energia cinética da matéria ejetada (produtos da combustão), que pode estar em fase sólida, líquida, gasosa, plasma ou mista. A temperatura dessas reações varia, geralmente, entre 2.000 e 4.000ºC e os produtos são ejetados através de uma tubeira, ou bocal, supersônica em velocidades que variam de 1.800 a 4.300 m/s.

Outra forma de propulsão química é aquela em que um propelente líquido se decompõe na presença de catalisadores, fornecendo substâncias gasosas em alta temperatura e com substancial aumento de volume, o que eleva bastante a pressão no interior da câmara em que o fenômeno ocorre. Os gases resultantes são então ejetados produzindo empuxo.

Os diversos processos de propulsão química se classificam conforme os propelentes sejam sólidos, líquidos, gasosos ou híbridos.

1. Propulsão Líquida
   
   A propulsão líquida pode utilizar dois propelentes, um oxidante e um combustível, armazenados em fase líquida, que reagem entre si ou, conforme citado acima, usar apenas um propelente, que é capaz de se decompor em presença de catalisadores, fornecendo gases. Em ambos os casos os gases resultantes, em alta temperatura e elevada pressão dentro da câmara, são ejetados através de uma tubeira, produzindo empuxo.
   
   O primeiro tipo de sistema, chamado bipropelente, é utilizado em propulsores maiores, cujos empuxos variam entre cerca de 200 N até centenas de milhares de N. Diversos pares propelentes são utilizados atualmente, cada qual apresentando vantagens e inconvenientes relativos. Alguns poucos desses pares reagem pelo simples contato, não necessitando de sistema de ignição. São os chamados pares hipergólicos.
   
   O segundo tipo, dito monopropelente, é utilizado em pequenos motores, geralmente utilizado para correções na trajetória e na orientação de satélites. O propelente clássico utilizado dessa forma é a hidrazina, N 2 H 4 , que se decompõe em presença de um catalisador (normalmente irídio depositado sobre alumina), produzindo nitrogênio, hidrogênio e amônia e elevando a temperatura do sistema acima de 800ºC.
   
   
2. Propulsão Sólida
   
   A propulsão sólida utiliza peças de propelente sólido, das mais variadas configurações e de diversos tamanhos, chamadas de "grãos", que são consumidos em uma reação de combustão produzindo os gases necessários ao empuxo.
   
   A formulação dos propelentes sólidos contém moléculas oxidantes e moléculas combustíveis, podendo, portanto, sustentar uma combustão autônoma, independente da presença de ar atmosférico.
   
   Esses propelentes são classicamente divididos em homogêneos e heterogêneos. Os homogêneos se apresentam como tal em uma inspeção visual e são constituídos de compostos nitrados do tipo nitrocelulose, nitroglicerina e nitroguanidina e são chamados propelentes de base simples, dupla ou tripla, conforme contenham em sua formulação somente a nitrocelulose, a nitrocelulose e a nitroglicerina ou as três substâncias. Atualmente, somente os propelentes de base dupla são utilizados na propulsão de foguetes.
   
   Já os propelentes sólidos heterogêneos, também chamados "composites", são constituídos por um polímero aglutinante (e também combustível), por um oxidante cristalino e por um combustível sólido. O composite mais comum usa polibutadieno como aglutinante, perclorato de amônia como oxidante e alumínio em pó como combustível.
   
   É importante enfatizar que os tipos de propelentes sólidos descritos acima são aqueles que podemos considerar "clássicos". Atualmente existe um grande número de tipos, derivados daqueles, como os chamados composites modificados, em que parte ou todo o aglutinante é substituído por uma base dupla, ou ainda propelentes nos quais são introduzidos materiais energéticos como o octogênio – HMX, etc.
   
   Além disso, todas as formulações incluem um certo número de aditivos, que desempenham diversas funções: São agentes de cura, agentes de ligação cruzada, aceleradores de cura, no caso específico dos composites, e ainda agentes plastificantes, estabilizantes, supressores de fumaças etc, em ambos os tipos. A concentração do conjunto de aditivos utilizado em uma formulação fica geralmente bem abaixo dos 10%.
   
   Uma comparação entre a propulsão líquida e a sólida, mostra que, em geral, a líquida é mais complicada devido às complexidades dos motores, e por isso é também mais cara. Porém é mais flexível que a sólida, permitindo que o empuxo seja modulado dentro de certos limites, e que os motores sejam testados integralmente antes do emprego. Atualmente a propulsão líquida permite obter combustões mais energéticas e de maior tempo de duração.
   
   
3. Propulsão Gasosa
   
   É uma forma bastante rústica de obter empuxo. Normalmente é constituída por um reservatório contendo gás armazenado a alta pressão, que é liberado para a atmosfera. Portanto, seu funcionamento independe de reação química. É extremamente simples e confiável, porém com relação peso/empuxo bastante desfavorável. Só é utilizado em casos bem específicos.
   
   
4. Propulsão Híbrida
   
   Na propulsão híbrida são empregados combustível e oxidante em fases diferentes. O caso mais comum envolve oxidante líquido e combustível sólido, como, por exemplo, nos pares peróxido de hidrogênio/polietileno, oxigênio líquido/polibutadieno e óxido nitroso/parafina. Assim como na propulsão líquida, na propulsão híbrida pode-se ter também o controle do módulo do empuxo, bem como o sistema de propulsão pode ser reiniciado várias vezes. Em geral, as velocidades de ejeção dos produtos da combustão são maiores que as dos sistemas a propelente sólidos e menores que a dos sistemas a propelente líquido. A propulsão híbrida pode utilizar o oxidante armazenado ou utilizar o oxigênio contido no ar atmosférico. Neste caso os propulsores são chamados de ramjets (estato-reatores) ou de scramjets, dependendo da velocidade de queima dentro da câmara de combustão.
   
   
5. Propulsão por Estato-reator (sólido ou líquido)
   
   O estato-reator, ou ramjet, é um propulsor sui generis. Embora empregue a reação química entre oxidante e combustível, como os demais propulsores químicos, ele não carrega a bordo o oxidante, sendo obrigado a capturá-lo na atmosfera. Não é capaz portanto de combustão autônoma. Por outro lado, a ausência do oxidante a bordo o deixa mais leve. Também necessita de assistência para a partida. Mas é bastante atraente como engenho, pois é extremamente simples e não contém nenhuma parte móvel.
   
   Seu princípio de funcionamento é o seguinte: a partir de uma certa velocidade (à qual deve ser levado por meios externos), o ar penetra no engenho através de tomadas de ar em cuja entrada se estabelecem ondas de choque. Ao passar por essa região, o ar tem sua pressão e sua temperatura aumentadas. Esse ar aquecido é introduzido em seguida em uma câmara, onde reage com um combustível, que pode ser sólido ou líquido.
   
   A velocidade com que o ar penetra na câmara, que é uma função da velocidade de vôo, determina se a combustão será super ou subsônica. Conforme a natureza dessa combustão, os estato-reatores são classificados em super ou subsônicos.
   
   Em especial o estato-reator a combustão supersônica ("scramjet") é visto por muitos como o sistema de propulsão de aeronaves das próximas décadas.
   
   

Propulsão Elétrica

A propulsão elétrica utiliza energia elétrica para acelerar o propelente e produzir empuxo. As fontes de enrgia elétrica (painéis solares, baterias, etc) são, normalmente, separadas do mecanismo que produz o empuxo. Os processos fornecem altas velocidades de ejeção e um baixo consumo de combustível, durante períodos muito longos. Entretanto, os empuxos são baixos e as fontes de enrgia podem ser relativamente pesadas. Existe, em alguns casos, a necessidade de neutralizar eletricamente os jatos depois que deixam a tubeira, para evitar o desenvolvimento de cargas eletrostáticas na estrutura do propulsor. Pode-se dividir a propulsão elétrica em três tipos, dependendo dos mecanismos principais que realizam a aceleração do propelente: eletrotémico, eletrostático e eletromagnético. Exemplos destes dispositivos são: o resistojato, o propulsor iônico e o propulsor de plasma pulsado (PPT – Pulsed Plasma Thruster), respectivamente. Cabe notar que alguns dispositivos podem apresentar combinações de mecanismos de aceleração, entretanto, a escolha de uma determinada categoria advém da predominância de um mecanismo sobre o outro.

1. Propulsão Eletrotérmica
   
   O fluido de trabalho é aquecido através de resistências, arcos voltaicos ou micro-ondas e ejetado através de uma tubeira, atingindo velocidades de ejeção de 1000 a 5000 m/s. Exemplos: resistojatos, arcojatos e sistemas a micro-ondas.
   
   
2. Propulsão Eletrostática
   
   O fluido de trabalho (normalmente Xenônio) é ionizado pela extração de elétrons e esses íons pesados são então acelerados até velocidades muito altas, de 2000 a 6000 m/s, através de um campo eletrostático. Exemplos: propulsores iônicos e propulsores coloidais.
   
   
3. Propulsão Eletromagnética
   
   O fluido de trabalho, um plasma, é acelerado por campos elétricos e magnéticos, sendo ejetado a altas velocidades, de 1.000 a 50.000 m/s. Exemplos: MPD (propulsores magneto-plasma-dinâmicos), PPT (propulsores de plasma pulsado) e propulsores de efeito Hall.
   
   

Propulsão Nuclear

Emprega o aquecimento de gases, normalmente o hidrogênio, usando a energia liberada por reações nucleares. Os gases são acelerados a altas velocidades (6.000 a 10.000 m/s). Que se saiba, nenhum de seus modelos foi empregado até hoje na propulsão de veículos operacionais.

1. Propulsão por Fissão Nuclear
   
   Emprega a fissão do Urânio. Fornece altos empuxos (acima de 40000 N) e elevado aproveitamento do fluido de trabalho. Para que se torne operacional, alguns problemas ainda precisam ser resolvidos, tais como as altas temperaturas envolvidas, que afetam os materiais de construção, a dificuldade em fabricar proteções suficientemente leves e que consigam evitar o risco de contaminações, o controle da potência desenvolvida, a refrigeração do reator após o emprego e ainda problemas na moderação dos nêutrons de alta energia.
   
   
2. Propulsão por Decaimento de Isótopos Radiativos
   
   A radiação resultante é transformada em calor. Fornece baixos empuxos, porém a temperaturas menores que os outros dois tipos nucleares. Ainda não foi empregado em propulsores, mas já é usado como fonte de energia elétrica para astronaves interplanetárias.
   
   
3. Propulsão por Fusão Nuclear
   Falta ainda alcançar um controle melhor do processo.
   
   

Outros Conceitos para Propulsão

Diversos conceitos avançados ou não-convencionais de propulsão têm sido estudados. Protótipos foram desenvolvidos em alguns casos. Exemplos de sistemas não convencionais de propulsão:

• Vento Solar – partículas solares impulsionam velas de um veículo espacial
• Vela solar – fótons solares impulsionam velas de um veículo espacial
• Térmico solar – um espelho focaliza os raios solares e aquece um gás que é ejetado
• Térmico a laser – laser emitido do solo ou de uma estação no espaço aquece um gás que é ejetado
• Térmico de microondas – microondas emitidas do solo ou de uma estação no espaço aquecem um gás que é ejetado
• Anti-matéria – a reação explosiva entre matéria e anti-matéria produz energia que impulsiona o veículo espacial
• Detonações nucleares – explosões nucleares impulsionam veículo espacial usando um grande escudo protetor
• Magsail – Uma corrente passando em um fio supercondutor gera um campo magnético que desvia as partículas solares, gerando empuxo
• Catapultas – podem ser fixas ou móveis, incluem aceleradores RAM, canhões de gás leve e aceleradores eletromagnético
• Ramjet Interestelar – um reator de fusão nuclear aquece o hidrogênio coletado no espaço

Conclusão

O resumo acima descreve as formas mais estudadas de propulsão no campo aeroespacial, algumas delas ainda na fase de comprovação de conceito. Não é completo, pois a cada dia a revistas e sites especializados apresentam novas pesquisas e novos conceitos, mas serve para dar uma idéia do fascinante campo da propulsão, essa ferramenta poderosa que abriu para o homem os caminhos do espaço, como o previram os precursores Konstantin Tsiolkovsky em 1903 e Hermann Oberth em 1923.