Foguete de combustível sólido

Um foguete ^{(português brasileiro)} ou foguetão ^{(português europeu)} de combustível sólido é um foguete com um motor que usa um propulsor sólido (combustível/oxidante). Os primeiros foguetes usavam este combustível, que funciona com pólvora, usado pelos chineses nas guerras do século XIII. Todos os foguetes usaram alguma forma de propelente sólido ou enchimento sólido até o século XX, quando o foguete de combustível líquido e o foguete de combustível híbrido ofereceram mais eficiência e alternativas controláveis. Os foguetes sólidos ainda são usados no modelismo de foguetes e em grandes aplicações por sua simplicidade e confiabilidade.

Os foguetes de combustível sólido não são estranhos na exploração espacial moderna, mas como podem permanecer armazenados durante grandes períodos - e logo lançados sem problemas e com pouca preparação - frequentemente tem sido usados em aplicações militares tais como os mísseis. Os foguetes de combustível sólido geralmente não são utilizados como propulsor principal na astronáutica moderna de exploração espacial, pois o combustível líquido possui desempenho superior.^[1] No entanto, é muito comum sua utilização como foguetes "reforçadores" (booster rockets).

Conceitos básicos

Um motor de foguete à combustível sólido consta de um revestimento aerodinâmico em sua extremidade, a tubeira, a carga do propulsor (grão), e o dispositivo de ignição.

O grão se comporta como uma massa sólida a qual queima de uma maneira predizível e produz gases de combustão. As dimensões da tubeira são calculadas para manter uma pressão de câmara prevista, enquanto produz o empuxo com os gases de combustão.

Uma vez acendido, um motor simples de um foguete sólido não pode apagar-se, porque contém todos os ingredientes necessários para a combustão dentro da câmara na qual está queimando. Os motores mais avançados de foguetes sólidos não só podem ser regulados mas também podem ser apagados e logo reiniciados, controlando a geometria da tubeira ou mediante o uso de comportas de ventilação. Além disso estão disponíveis motores de foguetes pulsados que queimam em segmentos e que podem ser acendidos com instruções.

O desenhos modernos podem além disso incluir uma tubeira dirigível para controle, aviônica, hardware de recuperação (pára-quedas), mecanismos de auto-destruição (engenharia), APUs, motores de táctica controlável, um diversor controlável e motores de controle de altitude e materiais de controle térmico.

Desenho

O desenho começa definindo-se o impulso total, o que determina a massa do combustível. A geometria do corte transversal do grão propelente e os componentes químicos são selecionados de acordo com as características do motor pretendidas.

Os componentes a seguir, são escolhidos simultaneamente. Como resultado as dimensões e geometrias do grão propelente, da tubeira e do revestimento são obtidas.

O grão propelente queima a taxas previsíveis, dadas a sua superfície e a pressão da câmara de combustão.
A pressão da câmara de combustão, é determinada pelo diâmetro do bocal da tubeira e a taxa de queima do grão propelente.
A pressão da câmara de combustão depende do desenho do revestimento.
A duração do tempo de queima é determinado pela consistência (dureza) do grão propelente.

O grão propelente pode ou não ser parte integrante do revestimento. Motores com o grão propelente integrado ao revestimento são mais difíceis de construir, pois a deformação dos componentes do revestimento e do grão propelente precisam ser compatíveis.

Problemas comuns nos motores de foguete à combustível sólido incluem: fratura do grão propelente, falha na aderência do grão ao revestimento e bolhas de ar no grão. Todos eles produzem um aumento instantâneo na superfície da área de queima, com um correspondente aumento dos gases sendo expelidos e da pressão, o que pode causar uma ruptura no revestimento.

Um outro tipo de falha que pode ocorrer, é no desenho da selagem do revestimento. Um processo que garanta essa estanqueidade é necessário se esse revestimento precisa ser aberto para colocar o grão combustível. Se ocorre um problema de falta de estanqueidade, os gases quentes vão corroer qualquer junção e provocar uma falha. Esta foi a causa do desastre com o Space Shuttle Challenger.

Grão propelente

Combustíveis sólidos de foguetes são deflagrados a partir da superfície exposta do grão propelente na câmara de combustão. Dessa forma, a geometria do corte transversal do grão propelente dentro do motor é determinante para a performance do motor como um todo. A medida que a superfície do grão combustível queima, o seu formato se modifica (isso é um tema de estudo em balística), geralmente alterando a área da superfície exposta aos gases da câmara de combustão. O fluxo de massa (kg/s), e também a pressão dos gases em combustão gerados é função da área de superfície instantânea $A_{s}$ , (m²), e taxa de queima linear $b_{r}$ (m/sec):

${\dot {m}}=\rho \cdot A_{s}\cdot b_{r}$

Várias configurações geométricas de corte transversal do grão propelente podem ser usadas dependendo da finalidade e da curva de empuxo desejada:

Simulação de Cano Circular
Simulação C-Slot
Simulação de Queimador em Lua
Simulação de Finocyl 5-pontos

Cano Circular: quando em testes balísticos, produz uma curva de empuxo progressiva-regressiva.
Queima Final: o propelente queima de uma extremidade à outra, produzindo uma queima longa e constante, geralmente sofre de dificuldades térmicas e mudança de centro de gravidade.
C-Slot: o propelente recebe um chanfro lateral em toda a extensão, produzindo um empuxo longo e regressivo, geralmente sofre de dificuldades térmicas e mudança de centro de gravidade.
Queimador em Lua: Um tubo oco fora do centro, produz uma longa queima progressiva-regressiva, sofre de alterações assimétricas do centro de gravidade.
Finocyl 5-pontos: geralmente formatos em estrela de 5 ou 6 pontas que podem produzir um empuxo muito equilibrado, com uma taxa de queima um pouco mais rápida que a circular devido ao aumento da área de superfície.

Satélites de Comunicação

Os satélites de comunicação da série HS 376, da qual fizeram parte os satélites Brasilsat A1 e Brasilsat A2, possuem um foguete de combustível sólido que é usado como motor de apogeu, para fazer a fase final da transferência de Hohmann.

Ver também

Referências

Sutton, George P. (2000). Rocket Propulsion Elements; 7 edition. [S.l.]: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-32642-9

Ligações externas

«Robert A. Braeunig rocket propulsion page» (em inglês)
«Astronautix Composite Solid Propellants» (em inglês)
«Ariane 5 SRB» (em inglês)
«Amateur High Power Rocketry Association» (em inglês)
«Nakka-Rocketry (Design Calculations and Propellant Formulations)» (em inglês)
«5 cent sugar rocket» (em inglês)
«Practical Rocketry» (em inglês)
«NASA Practical Rocketry» (em inglês)
«High Power Rocket Motor Basics» (PDF) (em inglês)

↑ F_200770. «China almeja criar novos foguetes de combustível sólido». portuguese.people.com.cn. Consultado em 8 de maio de 2018

[1] F_200770. «China almeja criar novos foguetes de combustível sólido». portuguese.people.com.cn. Consultado em 8 de maio de 2018

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