Renderização de um artista do Integrated Powerhead Demonstrator. Crédito de imagem: NASA. Clique para ampliar.
Quando você pensa na futura tecnologia de foguetes, provavelmente pensa em propulsão de íons, motores antimatéria e outros conceitos exóticos.
Não tão rápido! O capítulo final dos foguetes tradicionais a combustível líquido ainda não foi escrito. Estão em andamento pesquisas sobre uma nova geração de projetos de foguetes a combustível líquido que podem dobrar o desempenho em relação aos projetos atuais, além de melhorar a confiabilidade.
Foguetes a combustível líquido já existem há muito tempo: o primeiro lançamento a gás foi realizado em 1926 por Robert H. Goddard. Aquele foguete simples produziu cerca de 10 quilos de empuxo, o suficiente para carregá-lo cerca de 10 metros no ar. Desde então, os projetos se tornaram sofisticados e poderosos. Os três motores a bordo do ônibus espacial, por exemplo, podem exercer mais de 1,5 milhão de libras de empuxo combinado a caminho da órbita da Terra.
Você pode supor que, até agora, todo refinamento concebível em projetos de foguetes a combustível líquido já deve ter sido feito. Você estaria errado. Acontece que há espaço para melhorias.
Liderado pela Força Aérea dos EUA, um grupo formado pela NASA, o Departamento de Defesa e vários parceiros do setor estão trabalhando em melhores projetos de motores. O programa deles é chamado Tecnologias de Propulsão de Foguete de Alto Pagamento Integrado e eles estão analisando muitas melhorias possíveis. Um dos mais promissores até agora é um novo esquema para o fluxo de combustível:
A idéia básica por trás de um foguete a combustível líquido é bastante simples. Um combustível e um oxidante, ambos na forma líquida, são alimentados em uma câmara de combustão e inflamados. Por exemplo, o ônibus espacial usa hidrogênio líquido como combustível e oxigênio líquido como oxidante. Os gases quentes produzidos pela combustão escapam rapidamente através do bico em forma de cone, produzindo empuxo.
Os detalhes, é claro, são muito mais complicados. Por um lado, o combustível líquido e o oxidante devem ser alimentados na câmara muito rapidamente e sob grande pressão. Os principais motores do ônibus drenariam uma piscina cheia de combustível em apenas 25 segundos!
Essa torrente de combustível é impulsionada por uma turbina. Para alimentar o turbobomba, uma pequena quantidade de combustível é "pré-queimada", gerando gases quentes que acionam o turbobomba, que por sua vez bombeia o restante do combustível para a câmara de combustão principal. Um processo semelhante é usado para bombear o oxidante.
Os foguetes de combustível líquido atuais enviam apenas uma pequena quantidade de combustível e oxidante através dos pré-queimadores. O volume flui diretamente para a câmara principal de combustão, pulando completamente os pré-queimadores.
Uma das muitas inovações que estão sendo testadas pela Força Aérea e pela NASA é enviar todo o combustível e oxidante através de seus respectivos pré-queimadores. Apenas uma pequena quantidade é consumida lá - apenas o suficiente para acionar os turbos; o restante flui para a câmara de combustão.
Esse projeto de “ciclo escalonado de fluxo total” tem uma vantagem importante: com mais massa passando pela turbina que aciona a turbobomba, a turbobomba é acionada com mais força, atingindo pressões mais altas. Pressões mais altas equivalem a um desempenho melhor do foguete.
Esse projeto nunca foi usado em um foguete a combustível líquido nos EUA antes, de acordo com Gary Genge no Marshall Space Flight Center da NASA. Genge é o vice-gerente de projeto do Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) - um mecanismo de teste para esses conceitos.
"Esses projetos que estamos explorando podem aumentar o desempenho de várias maneiras", diz Genge. "Esperamos uma melhor eficiência de combustível, maior relação empuxo / peso, confiabilidade aprimorada - tudo a um custo menor".
"Nesta fase do projeto, no entanto, estamos apenas tentando fazer com que esse padrão de fluxo alternativo funcione corretamente", observa ele.
Eles já alcançaram um objetivo principal: um mecanismo de funcionamento mais frio. "As turbinas que utilizam padrões de fluxo tradicionais podem aquecer até 1800 ºC", diz Genge. Isso é muito estresse térmico no motor. A turbina de "fluxo total" é mais fria, porque com mais massa passando por ela, temperaturas mais baixas podem ser usadas e ainda atingem um bom desempenho. "Baixamos a temperatura em várias centenas de graus", diz ele.
IPD é apenas um teste para novas idéias, observa Genge. O próprio manifestante nunca voará para o espaço. Mas, se o projeto for bem-sucedido, algumas das melhorias da IPD poderão ser introduzidas nos veículos de lançamento do futuro.
Quase cem anos e milhares de lançamentos após Goddard, os melhores foguetes a combustível líquido ainda estão por vir.
Fonte original: Artigo científico da NASA
