Aprenda sobre os princípios e métodos para melhorar o design, materiais, combustível, empuxo, eficiência e resfriamento de motores de foguetes para segurança de voos espaciais humanos.

The original question, "optimize rocket engine performance for human spaceflight safety" is out-of-date. A better, broader way that addresses the 'real problem' and isn't asking for marginal improvements on a method that was solved 50 years ago, would be "how can we improve (optimize) access to space manned and unmanned missions". Improvements include; higher safety, lower cost, increased launch frequency, heavier cargo, lower environmental impact, ...

Como você pode otimizar o desempenho do motor do foguete para a segurança de voos espaciais humanos?

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Os motores de foguetes são os principais componentes que permitem voos espaciais tripulados, mas também representam desafios e riscos significativos. Para garantir a segurança e a confiabilidade das missões espaciais, os engenheiros aeroespaciais precisam otimizar o desempenho dos motores de foguetes, o que depende de muitos fatores, como design, materiais, combustível, empuxo, eficiência e refrigeração. Neste artigo, você aprenderá sobre alguns dos princípios e métodos básicos que podem ajudá-lo a melhorar o desempenho dos motores de foguetes para a segurança de voos espaciais humanos.

Principais especialistas neste artigo

Selecionados pela comunidade a partir de 5 contribuições. Saiba mais

Dave Gingerich

Senior Staff Engineer at Lockheed Martin Space Systems Company

1 Princípios de design

O projeto de um motor de foguete é baseado no princípio de conservação do momento, que afirma que o momento total de um sistema permanece constante, a menos que uma força externa atue sobre ele. Um motor de foguete funciona expelindo um fluxo de alta velocidade de gás de escape de um bico, o que cria uma força de reação que impulsiona o foguete para frente. O desempenho de um motor de foguete é medido por seu impulso específico, que é a relação entre o empuxo e a taxa de fluxo de massa do propulsor. Quanto maior o impulso específico, mais eficiente é o motor. Para aumentar o impulso específico, você precisa aumentar a velocidade de exaustão e diminuir a pressão de saída do bico.

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Dave Gingerich

Senior Staff Engineer at Lockheed Martin Space Systems Company
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Rocket engines are not based upon conservation of momentum. Different Newton's Law -- equal and opposite reaction. The efficiency of a rocket is measured by specific impulse, but that isn't a full measure of a rocket's performance. We already have efficient rockets with very high Isp's, but they can't get off the ground because their thrust is way too low. All rockets, regardless of type, do just two things; 1) Energize a propellant 2) Convert the energized propellant to a high speed exhaust. Optimization of a rocket doesn't mean producing the highest Isp possible. It means optimizing for the mission and that includes cost, schedule, complexity, reaching the required trajectory, and providing a ride that doesn't damage the payload

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2 Seleção de materiais

A seleção de material para um motor de foguete é crucial, pois ele tem que suportar temperaturas extremas, pressões e vibrações. As propriedades do material que afetam o desempenho de um motor de foguete são resistência, densidade, condutividade térmica, expansão térmica e resistência à corrosão. A seleção do material também depende do tipo de combustível e oxidante utilizado, pois alguns materiais são incompatíveis ou reativos com determinados propulsores. Por exemplo, hidrogênio líquido e oxigênio requerem materiais criogênicos que possam lidar com baixas temperaturas e altos estresses térmicos. Alguns dos materiais comuns usados para motores de foguetes são alumínio, titânio, aço, níquel, cobre e fibra de carbono.

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Dave Gingerich

Senior Staff Engineer at Lockheed Martin Space Systems Company
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The answer to the left presumes you're selecting material for a thermochemical rocket with a fuel and oxidizer. Material for thermonuclear and electrodynamic rockets is similar - have to pick materials that will produce and sustain the environment required. BTW, LOx and H2(l) presently are only used for ascent vehicles from Earth's surface. No one has demonstrated how to handle cryogenic fluids in outer space or how to produce it anywhere but Earth. NASA is working on that with the Cryogenic Demonstration Mission, CDM.

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3 Escolha do combustível

A escolha do combustível para um motor de foguete é outro fator importante que influencia seu desempenho, pois determina a densidade de energia, a temperatura de combustão e a composição do escapamento. A escolha do combustível também afeta a segurança e o impacto ambiental do motor do foguete, já que alguns combustíveis são mais tóxicos, inflamáveis ou poluentes do que outros. Os principais tipos de combustíveis usados para motores de foguete são sólidos, líquidos e híbridos. Os combustíveis sólidos são fáceis de armazenar e manusear, mas têm baixo impulso específico e são difíceis de controlar. Os combustíveis líquidos têm alto impulso específico e são controláveis, mas requerem bombas e tanques complexos. Os combustíveis híbridos combinam propulsores sólidos e líquidos, e oferecem algumas vantagens de ambos.

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Dave Gingerich

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True, for thermochemical rockets. Other rocket types use ions or Hydrogen as their propellant. Combustion or oxidization is not necessary. "All you have to do" is expel some mass at the highest speed possible. If you sat in a child's wagon and threw a brick out the back as fast (hard) as you could, you have just demonstrated what every rocket does - eject mass in a direction opposite from the desired velocity.

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4 Controle de empuxo

O controle de empuxo para um motor de foguete é essencial para alcançar a trajetória, velocidade e altitude desejadas do foguete. O controle de empuxo também afeta a estabilidade e manobrabilidade do foguete, bem como o consumo de combustível e a segurança. O controle do empuxo pode ser obtido variando a taxa de fluxo do propulsor, a área do bocal ou a direção do escapamento. A vazão do propelente pode ser regulada por válvulas, bombas ou injetores. A área do bocal pode ser ajustada por partes móveis, como tampões de garganta ou pétalas. A direção do escapamento pode ser alterada por mecanismos de gimbal, palhetas de jato ou vetorização de empuxo.

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5 Melhoria da eficiência

A melhoria da eficiência de um motor de foguete é uma tarefa desafiadora, pois envolve a redução das perdas e o aumento da potência do motor. As perdas podem ser causadas por atrito, transferência de calor, queda de pressão, combustão incompleta ou ondas de choque. A saída pode ser melhorada aumentando a temperatura de combustão, a taxa de expansão ou a forma do bico. Alguns dos métodos que podem ajudá-lo a melhorar a eficiência de um motor de foguete são o uso de combustão por estágios, resfriamento regenerativo, bicos aerospike ou scramjets.

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Dave Gingerich

Senior Staff Engineer at Lockheed Martin Space Systems Company
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We've reached the end stage of improving thermochemical rockets. Tsiolkovsky's rocket equation is an impenetrable barrier that always defeats every effort to produce a rocket with more than tiny, marginal improvements. Every rocket. Every type. If you're expelling propellant at high speed, this physical limitation is a cruel, harsh limit. The rocket equation tells us how, but it also tells us you cannot get beyond this limit.

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6 Sistema de refrigeração

O sistema de arrefecimento de um motor de foguete é um componente vital que evita que o motor superaqueça e derreta. O sistema de arrefecimento também afeta o desempenho e o peso do motor, pois consome parte do propulsor e adiciona alguma massa ao motor. O sistema de resfriamento pode ser classificado em passivo ou ativo, dependendo se utiliza fontes externas ou internas de resfriamento. Os sistemas de arrefecimento passivo usam isolamento, radiação ou materiais ablativos para reduzir a transferência de calor para o motor. Os sistemas de arrefecimento ativo usam líquido ou gás para circular ao redor do motor e remover o calor. Alguns dos sistemas de resfriamento ativos comuns são resfriamento por filme, resfriamento por transpiração ou resfriamento por despejo.

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1 Princípios de design

2 Seleção de materiais

3 Escolha do combustível

4 Controle de empuxo

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6 Sistema de refrigeração

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