A história dos foguetes

Os primeiros foguetes foram construídos há cerca de mil anos, na China. Eram muito semelhantes aos fogos de artifício atualmente usados em comemorações e festas. Tinham aplicações militares e eram chamados de flechas de fogo. O projeto básico desses foguetes só foi alterado no século XIX, quando surgiram os foguetes militares do tipo Congreve.

Em 1903, o cientista russo Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935) apresentou a tese de que foguetes com propelentes líquidos poderiam chegar ao espaço. O primeiro lançamento moderno de foguetes foi realizado pelo americano Robert Goddard, em 1926. Já na década de 30, os militares alemães desenvolveram os foguetes V-2, que serviam para bombardear Londres a partir da Alemanha. Esses foguetes tinham a designação de A-4 na Alemanha.

As bombas V2 e a II Guerra Mundial

Em termos de tecnologia avançada e empenho de recursos, o lance de Hitler (1889-1945), para construir um arsenal de mísseis ofensivos, constituiu a mais ousada tentativa de aplicar a ciência de alta tecnologia aos armamentos da II Guerra Mundial. Os alemães projetaram e construíram um míssil supersônico, o A-4, que acabou sendo chamado V-2. Pretendiam lançar uma carga-útil de 1 tonelada de explosivos a 250 km, voando a 5 vezes a velocidade do som. O jovem Wernher von Braun (1912-1977) foi um dos principais responsáveis por este projeto. A partir de setembro de 1944, mais de 4 mil “armas de vingança” foram lançadas pelos alemães, matando 2.500 londrinos. Diante desta novidade, os aliados alteraram sua estratégia de guerra, visando à derrota dos nazistas.

A Guerra Fria e a Corrida Espacial

Finda a II Guerra Mundial, os melhores cientistas alemães do Terceiro Reich foram cortejados por soviéticos e americanos, ávidos por seus conhecimentos. Wernher von Braun foi para os Estados Unidos, levando consigo 1.500 técnicos e 14 toneladas de papéis. Outros cientistas, técnicos e equipamentos foram levados para a URSS. A valorização dos especialistas mostrava o apogeu do poder da ciência. Ao final da guerra, a Alemanha foi dividida entre os aliados, dando origem à Alemanha Ocidental e à Oriental, esta última sob controle russo. A capital do Terceiro Reich, Berlim, que ficava na Alemanha Oriental, também foi dividida ao meio. Desde então, o mundo ficou dividido entre dois blocos político-militares. O capitalista, liderado pelos EUA, e o comunista, liderado pela URSS. Em 1948, o Partido Comunista Americano foi considerado ilegal. O período do pós-guerra até 1989 ficou conhecido como Guerra Fria. A Guerra Fria foi um período em que a guerra era improvável, e a paz, impossível. Improvável a guerra porque, a partir de 1949, a URSS passou a construir bombas atômicas. Conseqüentemente, na hipótese de um conflito armado, as duas superpotências tinham a capacidade de se destruírem mutuamente. Por outro lado, a paz era impossível, visto que cada lado representava pontos de vista políticos e econômicos antagônicos. Estavam plantadas as sementes para a Corrida Espacial.

Nos EUA do pós-guerra, a idéia da felicidade no dia-a-dia estava associada à posse de bens de consumo. Os meios de comunicação difundiam a imagem de que só poderia ser feliz o americano que tivesse em casa todos os eletrodomésticos disponíveis no mercado, além de pelo menos um automóvel na garagem. Coisas de um consumismo assumido, que não existia nos países socialistas.

Nesta época, os cientistas alemães levados para os EUA e para a URSS deram início a um intenso programa de desenvolvimento de mísseis. Não tardou para que o projeto da V-2 se transformasse em projetos de mísseis balísticos intercontinentais (ICBM: Intercontinental Ballistic Missile), capazes de carregar em suas ogivas bombas nucleares e de hidrogênio a qualquer ponto do território inimigo. Utilizando-se de um foguete derivado de um ICBM, os russos surpreenderam o mundo com o lançamento do primeiro satélite artificial da Terra. Era 4 de outubro de 1957 e o satélite chamava-se Sputnik, esfera metálica de 84 kg, com 58 cm de diâmetro, que transmitiu sinais à Terra por 21 dias. Em 3 de novembro de 1957, os soviéticos lançaram o Sputnik 2, com a cadela Laika a bordo. Atônitos, os americanos reagiram e, em 1958, o presidente Dwight Eisenhower (1890-1969) criou a NASA, centralizando nas mãos de civis as pesquisas do Exército, da Marinha e da Aeronáutica. O significado do Sputnik pode ser depreendido da fala do então senador Lyndon Johnson (1908-1973), que, ao saber do Sputnik, disse:

“Quem controlar a posição privilegiada do espaço controlará o mundo. O Império Romano controlava o mundo porque abria estradas. Depois, o Império Britânico foi dominante porque tinha navios. Na era da aviação fomos poderosos porque tínhamos avião. Agora, os comunistas firmaram presença no espaço. Logo eles terão plataformas espaciais e jogarão bombas atômicas sobre nós, como pedras do alto de uma ponte!”

Poucos anos depois, os russos surpreendem novamente quando, em 12 de abril de 1961, Yuri Gagarin (1934-1968) deu uma volta completa ao redor da Terra a 28.800 km/h. Era o primeiro homem em órbita da Terra. Em seguida, em 5 de maio de 1961, o americano Alan Shepard tornou-se o segundo homem a viajar ao espaço, mesmo que em um vôo suborbital com 15 minutos de duração. Finalmente, em fevereiro de 1962, a bordo da Mercury 6, John Glenn (1921-) completou três órbitas em torno da Terra, tornando-se o primeiro americano em órbita. Ciente de que os americanos estavam ficando para trás na disputa com os russos, o jovem presidente John Kennedy, então com 44 anos, fez o célebre discurso no qual disse:

“Penso que esta nação deve empenhar-se para que o objetivo de pousar um homem na Lua e trazê-lo de volta à Terra a salvo seja atingido antes do fim desta década. Nenhum outro projeto será mais importante para a humanidade, mais difícil ou mais caro de ser alcançado.”

Estava consolidada a Corrida Espacial e o prêmio era a Lua. Entre os anos de 1957 e 1969, russos e americanos desenvolveram uma corrida pela conquista deste prêmio. Além da supremacia militar, o objetivo dessa corrida era mostrar a superioridade de um sistema político-econômico sobre o outro. Era a Guerra Fria alimentando a Corrida Espacial.

A chegada do homem à Lua

Os anos 60 viram um incrível desenvolvimento da tecnologia de foguetes e satélites nos dois lados do mundo. No final da década, cumprindo a promessa do presidente Kennedy, a Apollo 11 marcou a História da Humanidade. Lançada em 16 de julho de 1969, a Apollo 11 pousou na Lua (alunissou) 4 dias depois, num domingo, para deslumbramento de milhões de pessoas do planeta Terra. Às 15h18min (horário de Houston, EUA) do dia em que Santos-Dumont, se vivo fosse, completaria 96 anos, Neil Armstrong (1930-) e Buzz Aldrin (1930-) pousaram no solo lunar. Era o dia 20 de julho de 1969 e o homem já tinha inventado o satélite e a TV. Dessa forma, quase um bilhão de pessoas assistiram, ao vivo, à concretização de um sonho acalentado desde que o homem surgiu na face da Terra. Eram 21h56min, horário de Houston, quando Neil Armstrong pisou no solo lunar e proferiu a seguinte frase:

“Este é um pequeno passo para o homem, mas um salto gigantesco para a humanidade”

Os russos continuaram com o seu programa de exploração lunar não tripulado. Para chegarem à Lua, os americanos tiveram que desenvolver novos foguetes. Para tanto, continuavam a contar com os extraordinários talentos de Wernher von Braun. Coube a ele a responsabilidade pelo desenvolvimento do Saturno V, o qual permanece até hoje como o maior e mais potente foguete construído pelo homem. Com 110 metros de comprimento e 10 metros de diâmetro, pesava 3 milhões de quilos (equivalente ao peso aproximado de 3.000 automóveis pequenos). Era tão pesado que, mesmo antes da sair do solo, consumia dezenas de toneladas de combustível (querosene e oxigênio). Sua altura era equivalente a um edifício de 36 andares. Destes, apenas um era ocupado pelos astronautas. Os demais eram tanques de combustível. Dividido em três estágios, o primeiro estágio possuía cinco motores que queimavam querosene e oxigênio líquidos. O segundo e terceiro estágios usavam hidrogênio e oxigênio líquidos. Uma maravilha tecnológica, mesmo para os padrões atuais.

O pós Lua

Após a conquista da Lua, os americanos retornaram em várias missões até que, em dezembro de 1972, os últimos homens pousam na Lua na missão Apollo 17. No primeiro vôo do programa Apollo-Soyuz, a Apollo 18, com três astronautas, acopla-se à Soyuz 19, com dois cosmonautas a bordo. Era o fim da Guerra Fria no espaço. A década de 70 marcou também o início do uso de estações espaciais com a Salyut russa e o Skylab americano. Ainda na década de 70, a pesquisa interplanetária se intensificou, com o lançamento de diversas sondas, como as Viking, Pioneer 10, Venera, entre outras. Entre 1975 e 1981, nenhum americano orbitou a Terra. O Ônibus Espacial Columbia inaugurou, em 12 de abril de 1981, o programa americano do Space Shuttle, 20 anos após o vôo tripulado inaugural de Gagarin. Nas décadas de 80 e 90, o uso de estações espaciais se consolida, com a estação Mir russa, que orbitou a Terra entre os anos de 1986 e 2001. A Estação Espacial Internacional começou a ser montada em 20 de novembro de 1998, sendo transportada pelo Ônibus Espacial e por foguetes russos.

Nas últimas décadas, os lançamentos comerciais e o uso de satélites, nas suas várias aplicações, se expandiram e tornaram-se comuns. Em função de ser reutilizável, acreditava-se que o Ônibus Espacial traria uma grande redução nos custos da exploração espacial. Com exceção do tanque de combustível líquido, a nave e os tanques de combustível sólido são reutilizáveis. No entanto, os custos operacionais do ônibus espacial, da ordem de 500 milhões de dólares por vôo, consomem cerca de 40% do orçamento anual da NASA. Para completar, houve dois acidentes. O primeiro em 1986 e o último em 2003, ceifando as vidas de 14 astronautas.

Como funcionam os foguetes

Os princípios físicos básicos dos fogos de artifício são os mesmos que lançam uma nave ao espaço. Os foguetes e os fogos de artifício funcionam da mesma maneira: o combustível é misturado com um material chamado oxidante, que é rico em oxigênio e necessário para a combustão. Essa mistura, chamada de propelente, é queimada formando gases quentes que se expandem e escapam por um dispositivo, denominado bocal ou tubeira, fazendo o foguete subir.

São os gases escapando à velocidade elevada que geram a força (empuxo) necessária para mover o foguete em direção oposta. O mesmo efeito ocorre com uma bexiga de aniversário, quando a enchemos de ar e a soltamos, como mostrado na Fig. 1. Esse efeito físico foi explicado pela primeira vez no século XVIII, pelo cientista inglês Isaac Newton. Trata-se da Terceira Lei do Movimento, que explica que a cada ação (os gases escapando), há uma reação em sentido contrário e de mesma magnitude (a força que movimenta o foguete).

O movimento de um objeto em resposta a uma força externa foi descrito pela primeira vez há cerca de 300 anos por este mesmo cientista, através de suas três leis do movimento. Os engenheiros e físicos usam as leis de Newton para projetar e calcular o vôo de foguetes reais.

Figura 1: Princípio da Ação e Reação.

Figura 2: Forças no foguete.

Ao descrever a ação das forças, deve-se descrever sua magnitude e o seu sentido. Durante o vôo, um foguete é sujeito a quatro forças: seu peso, o empuxo do motor e duas forças aerodinâmicas, a força lateral e o arrasto.

A magnitude da força peso depende da soma das massas de todas as peças do foguete e da aceleração da gravidade (g). A força peso sempre é dirigida para o centro da Terra e age sobre o centro de gravidade (CG) do foguete, o ponto amarelo na Fig. 2. Ela atua no sentido de manter o foguete preso à superfície terrestre, da mesma forma que atua sobre os nossos corpos mantendo-os fixos à Terra.

O valor de empuxo depende do fluxo de massa dos gases escapando através da tubeira, da velocidade de escape desses gases e da pressão na saída do tubeira. Esses gases são expelidos para baixo, fazendo que o foguete se desloque para cima. A força de empuxo age normalmente ao longo da linha central longitudinal do foguete e passa, conseqüentemente, pelo centro de gravidade. Algumas tubeiras de foguete podem mover-se para produzir uma força que não seja alinhada com o centro de gravidade. O torque resultante sobre o centro de gravidade pode ser usado para manobrar o foguete.

O valor das forças aerodinâmicas depende da forma, do tamanho, da velocidade do foguete e das propriedades da atmosfera. A resultante das forças aerodinâmicas age através do centro da pressão (CP), o ponto preto e amarelo na Fig. 2. Uma delas, o arrasto, resulta da resistência que a atmosfera terrestre oferece ao movimento dos corpos e atua no sentido contrário ao movimento do foguete. Quando você está andando, você quase não percebe esta força. Entretanto, ao correr com a sua bicicleta você já deve ter experimentado a resistência do ar sobre o seu corpo.

Durante o vôo, se fizermos o somatório das forças, considerando o sentido e a magnitude, nós obtemos uma força externa resultante no foguete. É então possível calcular o movimento do foguete através das leis de Newton do movimento.

Propulsão Sólida versus Propulsão Líquida

Os sistemas propulsivos empregados nos foguetes baseiam-se no escape de gases a alta velocidade por um orifício. A geração desse gás pode ser feita através da combustão de propelente sólidos ou líquidos. A queima do propelente no interior da câmara de combustão gera gases a alta pressão e temperatura. Uma vez que a pressão interna é superior à externa, os gases no interior do motor escapam através de um orifício. Na engenharia de foguetes esse orifício é denominado de garganta da tubeira.

Em um propulsor sólido (Fig. 3), o combustível e o oxidante são misturados formando uma massa que é inserida no envelope motor. Sob condições de temperatura ambiente, o propulsor não entra em combustão. A combustão se iniciará sob uma fonte externa de calor. Um dispositivo de ignição, chamado de ignitor, é usado para iniciar a queima do propelente, sendo instalado normalmente em uma das extremidades do motor. Durante a queima, gases serão produzidos, até que todo o propelente seja consumido.

Em um propulsor líquido (Fig. 4), o combustível e o oxidante são armazenados em tanques separados e injetados na câmara de combustão, onde se misturam, e ocorre a combustão. Os propelentes líquidos podem ser do tipo em que o simples contato do combustível e oxidante é suficiente para iniciar a combustão. Esse é o caso, por exemplo, dos propulsores do módulo lunar, que pousou e tirou o homem da Lua. Nos outros casos, é necessário o uso de um sistema de ignição semelhante aos usados nos propulsores sólidos.

Figura 3: Propulsor sólido.

Figura 4: Propulsor líquido.

Veículos lançadores de satélites e foguetes de sondagem

Os foguetes de sondagem têm a missão de levar uma carga útil até a altitude requerida, ou prover um certo tempo de permanência acima de determinada altitude. Já os lançadores de satélites têm a missão de colocar um ou mais satélites em órbita da Terra. O que distingue um foguete de sondagem de um lançador de satélites é a velocidade imprimida à carga útil. No caso do lançador, essa capacidade é muito maior, uma vez que para manter o satélite em órbita é necessário impor-lhe uma velocidade de aproximadamente 28.800 km/h. Por isso, os lançadores de satélites têm uma massa de propelente e um tamanho muito maior do que os foguetes de sondagem. No caso dos foguetes de sondagem e foguetes suborbitais, a velocidade orbital não chega a ser atingida e a carga útil descreve uma trajetória parabólica retornando à Terra. A queda pode ser no solo ou no mar, e o local é previsto antes do lançamento, para que esse seja feito com segurança.

O legado de Santos Dumont

Em 1891, o brasileiro Alberto Santos Dumont (1873-1932) mudou-se para a capital francesa, com o propósito de se tornar aeronauta. Vários especialistas dão a Alberto Santos-Dumont o crédito de ter sido a primeira pessoa a realizar um vôo numa aeronave mais pesada do que o ar, por meios próprios, no vôo que foi assistido por centenas de pessoas em Paris. Era 23 de outubro de 1906 e o 14-Bis desafiava a Lei da Gravidade executando um vôo impulsionado apenas pela força de seu motor. No livro "O que eu vi, o que nós veremos", escrito por Santos Dumont em 1918, em um trecho encontramos as seguintes palavras:

“É tempo, talvez, de se instalar uma escola de verdade em um campo adequado. Não é difícil encontrá-lo no Brasil. Nós possuímos para isso excelentes regiões, planas e extensas, favorecidas por ótimas condições atmosféricas (...).
(...) os alunos precisam dormir próximo à escola, ainda que, para isso, seja necessário fazer instalações adequadas (...)
(...) margeando a linha da Central do Brasil, especialmente nas imediações de Mogi das Cruzes, avistam-se campos que me parecem bons (...).”

Com essas palavras Santos Dumont sugeria, em 1918, a criação de uma escola de aviação no Brasil, e citava uma região que fica próxima de onde hoje se encontra o Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA) e o Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), que foram implantados em 1950 em São José dos Campos, SP. No Brasil, Santos Dumont é considerado o “Pai da Aviação” e o ITA conferiu a ele o título de Doutor Honoris Causa, em 1956.

Os foguetes de sondagem brasileiros

As atividades espaciais no Brasil se iniciaram em 1961, ainda no início da corrida espacial entre russos e americanos. Na década de 60, foram criados o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) e o Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI). Foram lançados foguetes estrangeiros e iniciou-se o desenvolvimento dos foguetes de sondagem da família Sonda, que continuou durante os anos 70 e 80. Na década de 80, foi iniciada a Missão Espacial Completa Brasileira (MECB) e implantado o Centro de Lançamento de Alcântara (CLA). O IAE, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), o CLA e o CLBI eram os pilares da realização dos objetivos da MECB. Dentro desse programa, coube ao IAE o desenvolvimento do Veículo Lançador de Satélites (VLS); ao INPE, o desenvolvimento dos satélites e as estações de solo correspondentes; ao CLA, o encargo de realizar as atividades referentes à operação de lançamento do VLS e, ao CLBI, operar como estação no acompanhamento do lançamento, com seus radares e meios de telemetria.

Dentro do programa de desenvolvimento de veículos espaciais, diversos foguetes de sondagem e para vôos suborbitais foram projetados, qualificados e lançados (Fig. 5). Destacam-se a família de foguetes Sonda (II, III e IV) e os veículos para experimento de microgravidade da série VS (VS-30, VSB-30 e VS-40). Desde então, centenas de foguetes brasileiros foram lançados e o Brasil hoje se orgulha de vender seus veículos espaciais aos inventores dos foguetes modernos: os alemães.

Diversas tecnologias desenvolvidas para os foguetes da família Sonda tiveram aplicação no projeto do Veículo Lançador de Satélites (VLS-1). Podemos ressaltar os sistemas de separação de estágios, sistemas de controle de atitude e do vetor empuxo, materiais metálicos e compostos de alto desempenho, entre outros.

Figura 5: Foguetes de sondagem desenvolvidos no CTA-IAE.

O Veiculo Lançador de Satélites (VLS-1)

O desenvolvimento do VLS-1 teve, efetivamente, o seu início em 1984, após o primeiro lançamento do foguete Sonda IV. O projeto do VLS-1 baseou-se numa premissa de que o sistema deveria fazer o máximo uso das tecnologias, dos desenvolvimentos e das implantações já disponíveis no País. O embargo sofrido pelo País, no que se refere ao fornecimento de componentes com aplicação espacial, fez com que fossem adotadas alternativas para a substituição de componentes inicialmente especificados para o projeto VLS-1, então disponíveis para a venda no mercado internacional. Isto acarretou a necessidade de novos desenvolvimentos e/ou a procura de novos fornecedores, acarretando atrasos sucessivos no programa de desenvolvimento do projeto. Ademais, as décadas de 80 e 90 foram marcadas por sucessivas crises econômicas, o que limitou os recursos disponíveis ao Programa Espacial.

O VLS-1 conta com motores a propelente sólido divididos em quatro estágios. Acionados um após a queima do outro, oferecem, nas diferentes fases da trajetória do lançador, o impulso necessário à colocação do satélite no espaço. O VLS-1 é um lançador de satélites convencional lançado a partir de plataforma terrestre. Na decolagem, o comprimento do veículo é de 19 m, a massa é de 50 toneladas e o empuxo de 1.000 kN (aproximadamente 100 toneladas).

A propulsão principal é fornecida por propulsores a propelente sólido em todos os estágios, com massa total de 41 toneladas de propelente, ou seja, mais de 80% da massa total. O desempenho nominal do VLS-1 permite a colocação de satélites com massa de 100 a 350 kg em órbitas circulares de 250 a 1.000 km.

O primeiro estágio é composto por quatro motores. Eles são fixados lateralmente em relação ao corpo central composto pelos segundo, terceiro e quarto estágios e pela carga útil (Fig. 6). Após o vôo do primeiro estágio, seus propulsores são ejetados do corpo central. O vôo continua com o acionamento sucessivo dos propulsores do segundo, terceiro e quarto estágios, com as respectivas separações desses estágios logo que o propelente seja consumido (Fig. 7). O corpo central é composto pelos propulsores empilhados um acima do outro, numa configuração chamada de “tandem”.

O VLS-1, atualmente, encontra-se na fase de qualificação em vôo. Até o presente, foram construídos três protótipos e efetuados dois lançamentos a partir do Centro de Lançamento de Alcântara (CLA). Nos lançamentos dos protótipos V01 e V02, realizados em 1997 e 1999, respectivamente, problemas técnicos impediram o cumprimento da missão, mas permitiu a qualificação em vôo de diversos componentes do veículo. O protótipo V03, cujo lançamento deveria ter ocorrido em 2003, resultou em acidente, em 22 de agosto daquele ano, antes da tentativa de lançamento.

O futuro do programa de lançadores no Brasil

O desenvolvimento do VLS-1 continua, com a revisão de diversos sistemas. É previsto o lançamento do quarto protótipo e, posteriormente, o desenvolvimento de novos lançadores, dando continuidade ao Programa Nacional de Atividades Espaciais (PNAE).

Em 24 de outubro de 2005, a AEB e o CTA anunciaram um novo Programa de Lançadores. Ele é denominado Programa Cruzeiro do Sul (em referência às cinco estrelas da constelação Cruzeiro do Sul). A nova família de lançadores é composta pelos veículos Alfa, Beta, Gama, Delta e Épsilon (Fig. 8), e atenderá tanto às missões espaciais propostas no PNAE, como às missões de clientes internacionais. O programa, que prevê uma evolução gradativa dos seus veículos para alcance de maiores capacidades de transporte de carga útil, terá como um de seus maiores desafios o desenvolvimento e fabricação de motores à propulsão líquida de médio e grande porte. O primeiro veículo do programa, o VLS Alfa é um lançador de três estágios e é baseado no VLS-1. Ele utiliza o 1º e o 2º estágios do VLS-1 e incorpora um novo propulsor a propelente líquido em substituição aos 3º e 4º estágios do VLS-1. O programa tem previsão de lançamento do veículo de maior porte (VLS Epsilon) em 2022, ano do Bicentenário da Independência. O programa possibilitará ao Brasil a independência no transporte espacial de satélites de pequeno a grande porte.

Figura 8: Lançadores Cruzeiro do Sul.

Bibliografia consultada:

VILLAS BOAS, D.J.F. O Veículo Lançador de Satélites – VLS-1. 1ª Jornada Espacial. Brasília: AEB, 2005. 1 CD-ROM (várias outras referências são mencionadas neste texto).

PESSOA FILHO, J.B. O Contexto histórico da corrida espacial. 1ª Jornada Espacial. Brasília: AEB, 2005. 1 CD-ROM (várias outras referências são mencionadas neste texto).

Centro Técnico Aeroespacial – CTA. CD-ROM distribuído durante a 1a Jornada do Espaço (2005). Contém vídeos institucionais da AEB e do IAE.

Folha conta a conquista do espaço. Produção de Max Filmes. São Paulo: Videoteca Folha, 1995. 1 videocassete (35 minutos), VHS, son., color.

Jornal Folha de São Paulo. A Conquista do Espaço. Videoteca Folha.

Nota:

1- Tecnologista Sênior do Instituto de Aeronáutica e Espaço (CTA-IAE), em São José dos Campos (SP).