Como um foguete de propulsor sólido funciona

Foguetes de propulsor sólido incluem todos os foguetes de fogos de artifício mais antigos, no entanto, agora existem combustíveis, projetos e funções mais avançados com propulsores sólidos.

Propulsor sólido foguetes foram inventados antes de foguetes a combustível líquido. O tipo de propulsor sólido começou com contribuições dos cientistas Zasiadko, Constantinov e Congreve. Agora, em um estado avançado, os foguetes de propulsão sólidos continuam sendo amplamente utilizados atualmente, incluindo os motores de propulsão dupla Space Shuttle e os estágios de série da Delta.

Área de superfície é a quantidade de propulsor exposto a chamas de combustão interna, existindo em uma relação direta com o empuxo. Um aumento na área da superfície aumentará o empuxo, mas reduzirá o tempo de queima, uma vez que o propulsor está sendo consumido a uma taxa acelerada. O impulso ideal é tipicamente constante, o que pode ser alcançado mantendo uma área de superfície constante durante a queima.

Exemplos de projetos de grãos de área de superfície constante incluem: queima de extremidade, queima de núcleo interno e externo e queima interna de núcleo em estrela.

Várias formas são usadas para otimizar as relações de empuxo de grãos, já que alguns foguetes podem exigir uma componente de empuxo inicialmente alto para decolagem, enquanto um empuxo mais baixo será suficiente para seu empuxo regressivo pós-lançamento requisitos. Padrões de núcleo de grão complicados, no controle da área de superfície exposta do combustível do foguete, geralmente têm peças revestidas com um plástico não inflamável (como acetato de celulose). Este revestimento evita que as chamas de combustão interna inflamam essa parte do combustível, inflamada apenas mais tarde quando a queima atingir o combustível diretamente.

Ao projetar o impulso específico do grão propulsor do foguete deve ser levado em consideração, pois pode ser a falha de diferença (explosão) e um impulso otimizado com sucesso para produzir foguetes.

• Uma vez que um foguete sólido é acionado, ele consumirá a totalidade de seu combustível, sem nenhuma opção de desligamento ou ajuste de impulso. O foguete lunar Saturn V usou quase 8 milhões de libras de empuxo que não seriam viáveis ​​com o uso de propulsor sólido, exigindo um propulsor líquido de alto impulso específico.
• O perigo envolvido nos combustíveis pré-misturados de foguetes monopropelentes, isto é, às vezes a nitroglicerina é um ingrediente.

Uma vantagem é a facilidade de armazenamento de foguetes propulsores sólidos. Alguns desses foguetes são pequenos mísseis como Honest John e Nike Hercules; outros são grandes mísseis balísticos, como Polaris, Sergeant e Vanguard. Os propulsores líquidos podem oferecer melhor desempenho, mas as dificuldades no armazenamento e no manuseio de líquidos perto de zero absoluto (0 graus) Kelvin) limitou seu uso, incapaz de atender às rigorosas demandas exigidas pelos militares de seu poder de fogo.

Os foguetes a combustível líquido foram teorizados por Tsiolkozski em sua "Investigação do espaço interplanetário por meios de dispositivos reativos", publicada em 1896. Sua idéia foi concretizada 27 anos depois, quando Robert Goddard lançou o primeiro foguete a combustível líquido.

Foguetes a combustível líquido lançaram russos e americanos profundamente na era espacial com os poderosos foguetes Energiya SL-17 e Saturn V. As altas capacidades de empuxo desses foguetes permitiram nossas primeiras viagens ao espaço. O "passo gigante para a humanidade" que ocorreu em 21 de julho de 1969, quando Armstrong pisou na lua, foi possível pelos 8 milhões de libras de impulso do foguete Saturno V.

Dois tanques de metal retêm o combustível e o oxidante, respectivamente. Devido às propriedades desses dois líquidos, eles normalmente são carregados em seus tanques antes do lançamento. Os tanques separados são necessários, pois muitos combustíveis líquidos queimam em contato. Após uma sequência de lançamento definida, duas válvulas se abrem, permitindo que o líquido flua pela tubulação. Se essas válvulas simplesmente abrirem, permitindo que os propulsores líquidos fluam para a câmara de combustão, um ocorreria uma taxa de empuxo fraca e instável; portanto, uma alimentação de gás pressurizado ou uma alimentação de turbobomba é usava.

O mais simples dos dois, a alimentação de gás pressurizado, adiciona um tanque de gás de alta pressão ao sistema de propulsão. O gás, um gás não reativo, inerte e leve (como o hélio), é mantido e regulado, sob pressão intensa, por uma válvula / regulador.

A segunda solução, e frequentemente preferida, para o problema de transferência de combustível é uma turbobomba. Uma bomba turbo é igual a uma bomba normal em funcionamento e ignora um sistema pressurizado a gás, sugando os propulsores e acelerando-os na câmara de combustão.

O oxidante e o combustível são misturados e inflamados dentro da câmara de combustão e o impulso é criado.

Infelizmente, o último ponto torna os foguetes propulsores líquidos intrincados e complexos. Um motor bipropelente líquido moderno e moderno possui milhares de conexões de tubulação que transportam vários fluidos de refrigeração, combustível ou lubrificação. Além disso, as várias sub-partes, como a turbobomba ou o regulador, consistem em vertigens separadas de tubos, fios, válvulas de controle, medidores de temperatura e suportes de suporte. Dadas as muitas partes, a chance de uma função integral falhar é grande.

Como observado anteriormente, o oxigênio líquido é o oxidante mais comumente usado, mas também tem suas desvantagens. Para atingir o estado líquido desse elemento, uma temperatura de -183 graus Celsius deve ser obtido - condições sob as quais o oxigênio evapora rapidamente, perdendo uma grande soma de oxidante apenas durante o carregamento. O ácido nítrico, outro poderoso oxidante, contém 76% de oxigênio, está em estado líquido no STP e possui alto Gravidade EspecíficaTodas as grandes vantagens. O último ponto é uma medida semelhante à densidade e, à medida que aumenta, o desempenho do propulsor também aumenta. Porém, o ácido nítrico é perigoso no manuseio (a mistura com a água produz um ácido forte) e produz subprodutos nocivos na combustão com combustível, portanto, seu uso é limitado.

Desenvolvido no século II aC pelos chineses antigos, os fogos de artifício são a forma mais antiga de foguetes e a mais simplista. Originalmente, os fogos de artifício tinham fins religiosos, mas mais tarde foram adaptados para uso militar durante a Idade Média na forma de "flechas flamejantes".

Durante os séculos X e XIII, os mongóis e os árabes trouxeram o principal componente desses primeiros foguetes para o Ocidente: pólvora. Embora o canhão e a arma tenham se tornado os principais desenvolvimentos da introdução oriental da pólvora, os foguetes também resultaram. Esses foguetes eram essencialmente fogos de artifício ampliados que impulsionavam, além do arco ou canhão, pacotes de pólvora explosiva.

Durante as guerras imperialistas do final do século XVIII, o coronel Congreve desenvolveu seus famosos foguetes, que percorrem distâncias de seis quilômetros. O "brilho vermelho dos foguetes" (Hino Americano) registra o uso da guerra de foguetes, em sua forma inicial de estratégia militar, durante a inspiradora batalha de Fort McHenry.

Um fusível (barbante de algodão revestido com pólvora) é aceso por um fósforo ou por um "punk" (uma vara de madeira com uma ponta vermelha brilhante como carvão). Esse fusível queima rapidamente no núcleo do foguete, onde inflama as paredes de pólvora do núcleo interior. Como mencionado anteriormente, um dos produtos químicos da pólvora é o nitrato de potássio, o ingrediente mais importante. A estrutura molecular deste produto químico, KNO3, contém três átomos de oxigênio (O3), um átomo de nitrogênio (N) e um átomo de potássio (K). Os três átomos de oxigênio presos nessa molécula fornecem o "ar" que o fusível e o foguete usavam para queimar os outros dois ingredientes, carbono e enxofre. Assim, o nitrato de potássio oxida a reação química, liberando facilmente seu oxigênio. Essa reação não é espontânea e deve ser iniciada por calor, como a partida ou "punk".