Propulsão da nave espacial - Spacecraft propulsion

Uma câmera remota captura uma visão de perto de um RS-25 durante um teste de disparo no Centro Espacial John C. Stennis em Hancock County, Mississippi .


A propulsão de espaçonaves é qualquer método usado para acelerar espaçonaves e satélites artificiais . A propulsão no espaço trata exclusivamente de sistemas de propulsão usados ​​no vácuo do espaço e não deve ser confundida com lançamento espacial ou entrada atmosférica .

Vários métodos de propulsão pragmática de espaçonaves foram desenvolvidos, cada um com suas próprias desvantagens e vantagens. A maioria dos satélites tem propulsores químicos simples e confiáveis ​​(geralmente foguetes monopropelentes ) ou foguetes resistojet para manter a estação orbital e alguns usam rodas de impulso para controle de atitude . Os satélites do bloco soviético têm usado propulsão elétrica por décadas, e novas espaçonaves ocidentais geo-orbitando estão começando a usá-las para manter a estação norte-sul e aumentar a órbita. Os veículos interplanetários também usam principalmente foguetes químicos, embora alguns tenham usado propulsores de íons e propulsores de efeito Hall (dois tipos diferentes de propulsão elétrica ) com grande sucesso.

As tecnologias de propulsão no espaço hipotéticas descrevem as tecnologias de propulsão que podem atender às necessidades futuras da ciência espacial e da exploração . Essas tecnologias de propulsão têm como objetivo fornecer uma exploração eficaz de nosso Sistema Solar e permitir que os projetistas de missões planejem missões para "voar a qualquer hora, em qualquer lugar e cumprir uma série de objetivos científicos nos destinos" e com maior confiabilidade e segurança. Com uma ampla gama de missões possíveis e tecnologias de propulsão candidatas, a questão de quais tecnologias são "melhores" para missões futuras é difícil. Um portfólio de tecnologias de propulsão deve ser desenvolvido para fornecer soluções ideais para um conjunto diversificado de missões e destinos.

Objetivo e função

A propulsão no espaço começa onde o estágio superior do veículo lançador termina ; executar as funções de propulsão primária , controle de reação , manutenção de estação , apontamento de precisão e manobra orbital . Os motores principais usados ​​no espaço fornecem a força propulsora primária para transferência de órbita , trajetórias planetárias e pouso e ascensão planetária extra . Os sistemas de controle de reação e manobra orbital fornecem a força propulsora para manutenção da órbita, controle de posição, manutenção de estação e controle de atitude da espaçonave.

Quando no espaço, o propósito de um sistema de propulsão é mudar a velocidade, ou v , de uma espaçonave. Como isso é mais difícil para espaçonaves mais massivas, os projetistas geralmente discutem o desempenho da espaçonave na quantidade de mudança no momento por unidade de propelente consumido, também chamado de impulso específico . Quanto maior o impulso específico, melhor será a eficiência. Os motores de propulsão iônica têm alto impulso específico (~ 3000 s) e baixo empuxo, enquanto os foguetes químicos como motores de foguetes monopropelentes ou bipropelentes têm baixo impulso específico (~ 300 s), mas alto empuxo.

Ao lançar uma espaçonave da Terra, um método de propulsão deve superar uma atração gravitacional maior para fornecer uma aceleração líquida positiva. Em órbita, qualquer impulso adicional, mesmo muito pequeno, resultará em uma mudança no caminho da órbita.

1) Progressão / retrocesso (ou seja, aceleração na direção tangencial / oposta na direção tangencial) - Aumenta / diminui a altitude da órbita

2) Perpendicular ao plano orbital - Altera a inclinação orbital

A taxa de variação da velocidade é chamada de aceleração e a taxa de variação do momento é chamada de força . Para atingir uma determinada velocidade, pode-se aplicar uma pequena aceleração por um longo período de tempo, ou pode-se aplicar uma grande aceleração por um curto período de tempo. Da mesma forma, pode-se atingir um determinado impulso com uma grande força por um curto período de tempo ou uma pequena força por um longo tempo. Isso significa que, para manobrar no espaço, um método de propulsão que produz pequenas acelerações, mas funciona por um longo tempo, pode produzir o mesmo impulso que um método de propulsão que produz grandes acelerações por um curto período de tempo. Ao lançar de um planeta, pequenas acelerações não podem superar a atração gravitacional do planeta e, portanto, não podem ser usadas.

A superfície da Terra está situada bem fundo em um poço gravitacional . A velocidade de escape necessária para sair dele é de 11,2 quilômetros / segundo. Como os seres humanos evoluíram em um campo gravitacional de 1g (9,8 m / s²), um sistema de propulsão ideal para voos espaciais humanos seria aquele que fornecesse uma aceleração contínua de 1g (embora os corpos humanos possam tolerar acelerações muito maiores em períodos curtos). Os ocupantes de um foguete ou nave espacial com tal sistema de propulsão estariam livres de todos os efeitos nocivos da queda livre , como náuseas, fraqueza muscular, paladar reduzido ou perda de cálcio dos ossos.

A lei da conservação do momento significa que, para que um método de propulsão mude o momento de uma nave espacial, ele também deve mudar o momento de outra coisa. Alguns projetos tiram vantagem de coisas como campos magnéticos ou pressão de luz para mudar o momento da espaçonave, mas no espaço livre o foguete deve trazer alguma massa para acelerar e se empurrar para frente. Essa massa é chamada de massa de reação .

Para que um foguete funcione, ele precisa de duas coisas: massa de reação e energia. O impulso fornecido pelo lançamento de uma partícula de massa de reação com massa m na velocidade v é mv . Mas essa partícula tem energia cinética mv ² / 2, que deve vir de algum lugar. Em um foguete convencional sólido , líquido ou híbrido , o combustível é queimado, fornecendo a energia, e os produtos da reação podem fluir para fora, fornecendo a massa de reação. Em um propulsor de íons , a eletricidade é usada para acelerar os íons na parte de trás. Aqui, alguma outra fonte deve fornecer a energia elétrica (talvez um painel solar ou um reator nuclear ), enquanto os íons fornecem a massa de reação.

Ao discutir a eficiência de um sistema de propulsão, os projetistas geralmente se concentram no uso eficaz da massa de reação. A massa de reação deve ser carregada junto com o foguete e é irremediavelmente consumida quando usada. Uma maneira de medir a quantidade de impulso que pode ser obtida de uma quantidade fixa de massa de reação é o impulso específico , o impulso por unidade de peso na Terra (normalmente designado por ). A unidade para este valor é segundos. Como o peso da massa de reação na Terra geralmente não é importante quando se trata de veículos no espaço, o impulso específico também pode ser discutido em termos de impulso por unidade de massa. Essa forma alternativa de impulso específico usa as mesmas unidades da velocidade (por exemplo, m / s) e, na verdade, é igual à velocidade de escape efetiva do motor (normalmente designada ). Surpreendentemente, os dois valores às vezes são chamados de impulso específico. Os dois valores diferem por um fator de g n , a aceleração padrão devido à gravidade 9,80665 m / s² ( ).

Um foguete com alta velocidade de escape pode atingir o mesmo impulso com menos massa de reação. No entanto, a energia necessária para esse impulso é proporcional à velocidade de exaustão, de modo que motores mais eficientes em massa requerem muito mais energia e são normalmente menos eficientes em termos de energia. Isso é um problema se o motor deve fornecer uma grande quantidade de empuxo. Para gerar uma grande quantidade de impulso por segundo, ele deve usar uma grande quantidade de energia por segundo. Portanto, os motores de alta eficiência de massa requerem enormes quantidades de energia por segundo para produzir impulsos elevados. Como resultado, a maioria dos projetos de motores com alta eficiência de massa também fornecem menor empuxo devido à indisponibilidade de grandes quantidades de energia.

A propulsão no espaço representa tecnologias que podem melhorar significativamente vários aspectos críticos da missão. A exploração do espaço consiste em chegar a algum lugar com segurança (habilitação da missão), chegar lá rapidamente (tempos de trânsito reduzidos), obter muita massa lá (maior massa da carga útil ) e chegar lá de forma barata (custo mais baixo). O simples ato de "chegar" lá requer o emprego de um sistema de propulsão no espaço, e as outras métricas são modificadores para essa ação fundamental.

O desenvolvimento de tecnologias resultará em soluções técnicas que melhoram os níveis de empuxo, Isp, potência, massa específica (ou potência específica ), volume, massa do sistema, complexidade do sistema, complexidade operacional, semelhança com outros sistemas de espaçonaves, capacidade de fabricação, durabilidade e custo. Esses tipos de melhorias resultarão em tempos de trânsito reduzidos, aumento da massa da carga útil, espaçonaves mais seguras e custos reduzidos. Em alguns casos, o desenvolvimento de tecnologias dentro desta área de tecnologia (TA) resultará em avanços capacitadores de missão que irão revolucionar a exploração espacial. Não existe uma tecnologia de propulsão única que irá beneficiar todas as missões ou tipos de missão. Os requisitos para a propulsão no espaço variam amplamente devido à aplicação pretendida. As tecnologias descritas devem oferecer suporte a tudo, desde pequenos satélites e exploração robótica do espaço profundo a estações espaciais e missões humanas a aplicações em Marte .

Definindo tecnologias

Além disso, o termo "missão puxada" define uma tecnologia ou uma característica de desempenho necessária para atender a um requisito de missão planejada da NASA. Qualquer outra relação entre uma tecnologia e uma missão (um sistema de propulsão alternativo, por exemplo) é categorizada como "impulso de tecnologia". Além disso, uma demonstração espacial se refere ao voo espacial de uma versão em escala de uma tecnologia específica ou de um subsistema de tecnologia crítica. Por outro lado, uma validação de espaço serviria como um vôo de qualificação para a futura implementação da missão. Um voo de validação bem-sucedido não exigiria nenhum teste espacial adicional de uma tecnologia específica antes que ela pudesse ser adotada para uma missão científica ou de exploração.

Domínios operacionais

As naves espaciais operam em muitas áreas do espaço. Isso inclui manobras orbitais, viagens interplanetárias e viagens interestelares.

Orbital

Os satélites artificiais são primeiro lançados na altitude desejada por foguetes convencionais de propulsão líquido / sólido, após os quais o satélite pode usar sistemas de propulsão a bordo para manutenção de posição orbital. Uma vez na órbita desejada, eles geralmente precisam de alguma forma de controle de atitude para que sejam apontados corretamente em relação à Terra , ao Sol e, possivelmente, a algum objeto astronômico de interesse. Eles também estão sujeitos ao arrasto da fina atmosfera , de modo que para permanecer em órbita por um longo período de tempo alguma forma de propulsão é ocasionalmente necessária para fazer pequenas correções ( manutenção da estação orbital ). Muitos satélites precisam ser movidos de uma órbita para outra de vez em quando, e isso também requer propulsão. A vida útil de um satélite geralmente termina quando ele exaure sua capacidade de ajustar sua órbita.

Interplanetário

Para viagens interplanetárias , uma espaçonave pode usar seus motores para deixar a órbita da Terra. Não é explicitamente necessário, pois o impulso inicial dado pelo foguete, estilingue de gravidade, sistema de propulsão de controle de atitude monopropelente / bipropelente são suficientes para a exploração do sistema solar (ver Novos Horizontes ). Depois de fazer isso, ele deve, de alguma forma, chegar ao seu destino. As espaçonaves interplanetárias atuais fazem isso com uma série de ajustes de trajetória de curto prazo. Entre esses ajustes, a espaçonave simplesmente se move ao longo de sua trajetória sem acelerar. O meio mais eficiente em termos de combustível para passar de uma órbita circular para outra é com uma órbita de transferência de Hohmann : a espaçonave começa em uma órbita quase circular em torno do sol. Um curto período de impulso na direção do movimento acelera ou desacelera a espaçonave em uma órbita elíptica ao redor do Sol que é tangencial à sua órbita anterior e também à órbita de seu destino. A espaçonave cai livremente ao longo dessa órbita elíptica até chegar ao seu destino, onde outro curto período de impulso a acelera ou desacelera para coincidir com a órbita de seu destino. Métodos especiais, como aerofrenagem ou aerocaptura, às vezes são usados ​​para esse ajuste orbital final.

Conceito artístico de vela solar

Alguns métodos de propulsão de espaçonaves, como velas solares, fornecem empuxo muito baixo, mas inesgotável; um veículo interplanetário usando um desses métodos seguiria uma trajetória bastante diferente, ou empurrando constantemente contra sua direção de movimento para diminuir sua distância do Sol ou constantemente empurrando ao longo de sua direção de movimento para aumentar sua distância do Sol. O conceito foi testado com sucesso pela espaçonave de vela solar japonesa IKAROS .

Interestelar

Nenhuma espaçonave capaz de viagem interestelar de curta duração (em comparação com a vida humana) ainda foi construída, mas muitos projetos hipotéticos foram discutidos. Como as distâncias interestelares são muito grandes, uma velocidade tremenda é necessária para levar uma espaçonave ao seu destino em um período de tempo razoável. Adquirir tal velocidade no lançamento e livrar-se dela na chegada continua sendo um desafio formidável para os projetistas de naves espaciais.

Tecnologia de propulsão

As áreas de tecnologia são divididas em quatro grupos básicos: (1) Propulsão química, (2) Propulsão não química, (3) Tecnologias de propulsão avançadas e (4) Tecnologias de apoio; com base na física do sistema de propulsão e como ele deriva o empuxo, bem como sua maturidade técnica. Além disso, pode haver conceitos de propulsão no espaço meritórios credíveis não previstos ou revisados ​​no momento da publicação, e que podem se mostrar benéficos para futuras aplicações de missão.

Propulsão química

Uma grande fração dos motores de foguete em uso hoje são foguetes químicos ; isto é, eles obtêm a energia necessária para gerar impulso por meio de reações químicas para criar um gás quente que é expandido para produzir impulso . Uma limitação significativa da propulsão química é que ela tem um impulso específico (Isp) relativamente baixo , que é a razão entre o empuxo produzido e a massa de propelente necessária a uma determinada taxa de fluxo .

Propulsor de íons NSTAR de 2,3 kW da NASA para a espaçonave Deep Space 1 durante um teste de fogo quente no Laboratório de Propulsão a Jato.

Uma melhora significativa (acima de 30%) no impulso específico pode ser obtida com o uso de propelentes criogênicos , como oxigênio líquido e hidrogênio líquido , por exemplo. Historicamente, esses propelentes não foram aplicados além dos estágios superiores . Além disso, numerosos conceitos para tecnologias de propulsão avançadas, como a propulsão elétrica , são comumente usados ​​para manutenção de estação em satélites de comunicações comerciais e para propulsão primária em algumas missões espaciais científicas porque eles têm valores significativamente mais altos de impulso específico. No entanto, eles geralmente têm valores de empuxo muito pequenos e, portanto, devem ser operados por longos períodos para fornecer o impulso total exigido por uma missão.

Várias dessas tecnologias oferecem desempenho significativamente melhor do que o obtido com a propulsão química.

O Glenn Research Center visa desenvolver tecnologias de propulsão primária que poderiam beneficiar missões científicas de curto e médio prazo, reduzindo o custo, a massa e / ou os tempos de viagem. As arquiteturas de propulsão de particular interesse para o GRC são os sistemas de propulsão elétrica , como os propulsores Ion e Hall . Um sistema combina velas solares , uma forma de propulsão sem propulsão que depende da luz das estrelas que ocorre naturalmente para energia de propulsão, e propulsores Hall. Outras tecnologias de propulsão em desenvolvimento incluem propulsão química avançada e aerocaptura.

Motores de reação

Os motores de reação produzem impulso ao expelir a massa de reação , de acordo com a terceira lei do movimento de Newton . Essa lei do movimento é mais comumente parafraseada como: "Para cada força de ação há uma força de reação igual, mas oposta."

Os exemplos incluem motores a jato , motores de foguete , jato de bomba e variações mais incomuns, como propulsores de efeito Hall , drives de íons , drivers de massa e propulsão de pulso nuclear .

Motores de foguete

SpaceX 's motor de Kestrel é testado

A maioria dos motores foguete são combustão interna motores de calor (embora existam formas não a combustão). Os motores de foguete geralmente produzem uma massa de reação de alta temperatura, como um gás quente. Isso é obtido pela combustão de um combustível sólido, líquido ou gasoso com um oxidante dentro de uma câmara de combustão. O gás extremamente quente pode então escapar através de um bico de alta taxa de expansão . Este bico em forma de sino é o que dá ao motor de foguete sua forma característica. O efeito do bico é acelerar drasticamente a massa, convertendo a maior parte da energia térmica em energia cinética. É comum a velocidade de exaustão atingir até 10 vezes a velocidade do som ao nível do mar.

Os motores de foguete fornecem essencialmente as mais altas potências específicas e impulsos específicos elevados de qualquer motor usado para propulsão de espaçonaves.

Foguetes de propulsão iônica podem aquecer um plasma ou gás carregado dentro de uma garrafa magnética e liberá-lo por meio de um bico magnético , de forma que nenhuma matéria sólida precise entrar em contato com o plasma. Claro, o mecanismo para fazer isso é complexo, mas a pesquisa em fusão nuclear desenvolveu métodos, alguns dos quais foram propostos para serem usados ​​em sistemas de propulsão, e alguns foram testados em um laboratório.

Consulte motor de foguete para obter uma lista de vários tipos de motores de foguete usando diferentes métodos de aquecimento, incluindo químico, elétrico, solar e nuclear.

Propulsão não química

Propulsão eletromagnética

Este motor de teste acelera íons usando forças eletrostáticas

Em vez de depender de alta temperatura e dinâmica de fluidos para acelerar a massa de reação a altas velocidades, há uma variedade de métodos que usam forças eletrostáticas ou eletromagnéticas para acelerar a massa de reação diretamente. Normalmente, a massa de reação é uma corrente de íons . Esse motor normalmente usa energia elétrica, primeiro para ionizar átomos e, em seguida, para criar um gradiente de voltagem para acelerar os íons a altas velocidades de exaustão.

A ideia da propulsão elétrica remonta a 1906, quando Robert Goddard considerou a possibilidade em seu caderno pessoal. Konstantin Tsiolkovsky publicou a ideia em 1911.

Para essas unidades, nas velocidades de exaustão mais altas, a eficiência energética e o empuxo são inversamente proporcionais à velocidade de exaustão. Sua velocidade de escape muito alta significa que eles requerem grandes quantidades de energia e, portanto, com fontes de energia práticas fornecem baixo empuxo, mas quase não usam combustível.

Para algumas missões, particularmente perto do Sol, a energia solar pode ser suficiente, e tem sido usada com muita freqüência, mas para outras mais distantes ou com maior potência, a energia nuclear é necessária; motores que extraem sua energia de uma fonte nuclear são chamados de foguetes elétricos nucleares .

Com qualquer fonte atual de energia elétrica, química, nuclear ou solar, a quantidade máxima de energia que pode ser gerada limita a quantidade de empuxo que pode ser produzida a um pequeno valor. A geração de energia adiciona massa significativa à espaçonave e, em última análise, o peso da fonte de energia limita o desempenho do veículo.

Os atuais geradores de energia nuclear têm aproximadamente metade do peso dos painéis solares por watt de energia fornecida, a distâncias terrestres do sol. Os geradores de energia química não são usados ​​devido à energia total disponível muito menor. A energia irradiada para a espaçonave mostra algum potencial.

6 kW Municipal propulsor em operação na NASA Jet Propulsion Laboratory .

Alguns métodos eletromagnéticos:

Em propulsores eletrotérmicos e eletromagnéticos, íons e elétrons são acelerados simultaneamente, nenhum neutralizador é necessário.

Sem massa de reação interna

Estudo da NASA de uma vela solar. A vela teria meio quilômetro de largura.

A lei da conservação do momento é geralmente considerada como implicando que qualquer motor que não usa massa de reação não pode acelerar o centro de massa de uma nave espacial (mudar a orientação, por outro lado, é possível). Mas o espaço não está vazio, especialmente o espaço dentro do Sistema Solar; existem campos gravitacionais, campos magnéticos , ondas eletromagnéticas , vento solar e radiação solar. As ondas eletromagnéticas, em particular, são conhecidas por conterem momento, apesar de não terem massa; especificamente, a densidade de fluxo de momento P de uma onda EM é quantitativamente 1 / c ^ 2 vezes o vetor de Poynting S , ou seja, P = S / c ^ 2, onde c é a velocidade da luz. Os métodos de propulsão de campo que não dependem da massa de reação, portanto, devem tentar tirar vantagem desse fato, acoplando-se a um campo de impulso, como uma onda EM que existe nas proximidades da nave. No entanto, como muitos desses fenômenos são de natureza difusa, as estruturas de propulsão correspondentes precisam ser proporcionalmente grandes.

Existem vários drives espaciais diferentes que precisam de pouca ou nenhuma massa de reação para funcionar. Um sistema de propulsão por corrente emprega um cabo longo com alta resistência à tração para alterar a órbita de uma espaçonave, por exemplo, pela interação com o campo magnético de um planeta ou por meio da troca de momento com outro objeto. As velas solares dependem da pressão da radiação da energia eletromagnética, mas requerem uma grande superfície de coleta para funcionar de forma eficaz. A vela magnética desvia as partículas carregadas do vento solar com um campo magnético, dando assim impulso à espaçonave. Uma variante é o sistema de propulsão de plasma mini-magnetosférico , que usa uma pequena nuvem de plasma mantida em um campo magnético para desviar as partículas carregadas do Sol. Uma vela E usaria fios muito finos e leves contendo uma carga elétrica para desviar essas partículas e pode ter uma direcionalidade mais controlável.

Como prova de conceito, o NanoSail-D se tornou o primeiro nanossatélite a orbitar a Terra . Em agosto de 2017, a NASA confirmou que o projeto de vela solar Sunjammer foi concluído em 2014 com lições aprendidas para futuros projetos de vela espacial. Cubesail será a primeira missão a demonstrar a navegação solar em órbita baixa da Terra e a primeira missão a demonstrar o controle total de três eixos de atitude de uma vela solar.

O Japão também lançou sua própria espaçonave movida a vela solar IKAROS em maio de 2010. A IKAROS demonstrou propulsão e orientação com sucesso e ainda está voando hoje.

Um satélite ou outro veículo espacial está sujeito à lei de conservação do momento angular , que restringe um corpo de uma mudança líquida na velocidade angular . Assim, para que um veículo mude sua orientação relativa sem gastar massa de reação, outra parte do veículo pode girar na direção oposta. Forças externas não conservadoras, principalmente gravitacionais e atmosféricas, podem contribuir em vários graus por dia para o momento angular, portanto, os sistemas secundários são projetados para "liberar" energias rotacionais indesejadas acumuladas ao longo do tempo. Consequentemente, muitas espaçonaves utilizam rodas de reação ou giroscópios de momento de controle para controlar a orientação no espaço.

Um estilingue gravitacional pode levar uma sonda espacial adiante para outros destinos sem o gasto de massa de reação. Ao aproveitar a energia gravitacional de outros objetos celestes, a espaçonave pode captar energia cinética. No entanto, ainda mais energia pode ser obtida com o auxílio da gravidade se foguetes forem usados.

A propulsão movida a feixe é outro método de propulsão sem massa de reação. A propulsão com feixe inclui velas empurradas por laser , microondas ou feixes de partículas.

Tecnologia de propulsão avançada

As tecnologias de propulsão avançadas e, em alguns casos, teóricas, podem usar física química ou não química para produzir empuxo, mas geralmente são consideradas de menor maturidade técnica com desafios que não foram superados. Para a exploração humana e robótica, atravessar o sistema solar é uma luta contra o tempo e a distância. Os planetas mais distantes estão a 4,5–6 bilhões de quilômetros do Sol e para alcançá-los em qualquer tempo razoável requer sistemas de propulsão muito mais capazes do que os foguetes químicos convencionais. As missões rápidas do sistema solar interno com datas de lançamento flexíveis são difíceis, exigindo sistemas de propulsão que estão além do atual estado da arte atual. A logística e, portanto, a massa total do sistema necessária para apoiar a exploração humana sustentada além da Terra para destinos como a Lua, Marte ou Objetos Próximos à Terra, são assustadoras, a menos que tecnologias de propulsão no espaço mais eficientes sejam desenvolvidas e colocadas em campo.

Concepção artística de um design warp drive

Foi considerada uma variedade de técnicas de propulsão hipotéticas que requerem uma compreensão mais profunda das propriedades do espaço, particularmente estruturas inerciais e o estado de vácuo . Até o momento, esses métodos são altamente especulativos e incluem:

Uma avaliação da NASA de seu Breakthrough Propulsion Physics Program divide tais propostas em aquelas que são inviáveis ​​para propulsão, aquelas que são de potencial incerto e aquelas que não são impossíveis de acordo com as teorias atuais.

Tabela de métodos

Abaixo está um resumo de algumas das tecnologias comprovadas mais populares, seguidas por métodos cada vez mais especulativos.

Quatro números são mostrados. A primeira é a velocidade efetiva de escape : a velocidade equivalente à saída do propulsor do veículo. Esta não é necessariamente a característica mais importante do método de propulsão; impulso e consumo de energia e outros fatores podem ser. Contudo:

  • se o delta-v for muito maior do que a velocidade de escape, então quantidades exorbitantes de combustível são necessárias (consulte a seção sobre cálculos, acima)
  • se for muito mais do que o delta-v, então, proporcionalmente mais energia é necessária; se a potência for limitada, como acontece com a energia solar, isso significa que a viagem leva um tempo proporcionalmente mais longo

O segundo e o terceiro são as quantidades típicas de impulso e os tempos de queima típicos do método. Fora de um potencial gravitacional, pequenas quantidades de empuxo aplicadas por um longo período terão o mesmo efeito que grandes quantidades de empuxo por um curto período. (Este resultado não se aplica quando o objeto é significativamente influenciado pela gravidade.)

O quarto é o delta-v máximo que essa técnica pode fornecer (sem estadiamento). Para sistemas de propulsão do tipo foguete, isso é uma função da fração de massa e da velocidade de exaustão. A fração de massa para sistemas semelhantes a foguetes é geralmente limitada pelo peso do sistema de propulsão e pelo peso do tanque. Para um sistema atingir esse limite, normalmente a carga útil pode precisar ser uma porcentagem insignificante do veículo e, portanto, o limite prático em alguns sistemas pode ser muito menor.

Métodos de propulsão
Método
Velocidade efetiva de exaustão
(km / s)
Empuxo (N)
Duração do disparo

Delta-v máximo (km / s)

Nível de preparação da tecnologia
Foguete de combustível sólido <2,5 <10 7 Minutos 7 9 : Voo comprovado
Foguete híbrido <4 Minutos > 3 9 : Voo comprovado
Foguete monopropelente 1 - 3 0,1 - 400 Milissegundos - minutos 3 9 : Voo comprovado
Foguete de combustível líquido <4,4 <10 7 Minutos 9 9 : Voo comprovado
Propulsor de íon eletrostático 15 - 210 Meses - anos > 100 9 : Voo comprovado
Propulsor de efeito Hall (HET) até 50 Meses - anos > 100 9 : Voo comprovado
Foguete Resistojet 2 - 6 10 −2 - 10 Minutos ? 8 : Qualificado para voo
Foguete Arcjet 4 - 16 10 −2 - 10 Minutos ? 8 : Qualificado para voo

Propulsão elétrica de emissão de campo
(FEEP)
100 - 130 10 −6 - 10 −3 Meses - anos ? 8 : Qualificado para voo
Propulsor de plasma pulsado (PPT) 20 0,1 80 - 400 dias ? 7 : Protótipo demonstrado no espaço
Foguete de propulsão de modo duplo 1 - 4,7 0,1 - 10 7 Milissegundos - minutos 3 - 9 7 : Protótipo demonstrado no espaço
Velas solares 299 792 , leve 9,08 / km 2 a 1  AU
908 / km 2 a 0,1 AU
10 −10 / km 2 a 4 ly
Indeterminado > 40
Foguete tripropelente 2,5 - 5,3 0,1 - 10 7 Minutos 9 6 : Protótipo demonstrado no solo

Propulsor magnetoplasmadinâmico
(MPD)
20 - 100 100 Semanas ? 6 : Modelo, 1 kW demonstrado no espaço
Foguete nuclear-térmico 9 10 7 Minutos > 20 6 : Protótipo demonstrado no solo
Propulsores motoristas de massa 0 - 30 10 4 - 10 8 Meses ? 6 : Modelo, 32 MJ demonstrado no solo
Propulsão de corda N / D 1 - 10 12 Minutos 7 6 : Modelo, 31,7 km demonstrado no espaço
Foguete de ar aumentado 5 - 6 0,1 - 10 7 Segundos - minutos > 7? 6 : Protótipo demonstrado no solo
Motor de ciclo de ar líquido 4,5 10 3 - 10 7 Segundos - minutos ? 6 : Protótipo demonstrado no solo
Propulsor indutivo pulsado (PIT) 10 - 80 20 Meses ? 5 : Componente validado no vácuo

Foguete de magnetoplasma de impulso específico variável

(VASIMR)
10 - 300 40 - 1.200 Dias - meses > 100 5 : Componente, 200 kW validado no vácuo

Propulsor amplificado oscilante de campo magnético
10 - 130 0,1 - 1 Dias - meses > 100 5 : Componente validado no vácuo
Foguete solar térmico 7 - 12 1 - 100 Semanas > 20 4 : Componente validado em laboratório
Foguete de radioisótopo / propulsor a vapor 7 - 8 1,3 - 1,5 Meses ? 4 : Componente validado em laboratório
Foguete nuclear-elétrico Como método de propulsão elétrica usado 4 : Componente, 400 kW validado em laboratório
Projeto Orion (
propulsão de pulso nuclear de curto prazo )
20 - 100 10 9 - 10 12 Dias 30 - 60 3 : Validado, prova de conceito de 900 kg
Elevador espacial N / D N / D Indeterminado > 12 3 : prova de conceito validada
Motores de reação SABRE 30 / 4,5 0,1 - 10 7 Minutos 9,4 3 : prova de conceito validada
Velas elétricas 145 - 750, vento solar ? Indeterminado > 40 3 : prova de conceito validada
Velas magnéticas 145 - 750, vento solar 2 / t Indeterminado ? 3 : prova de conceito validada
Mini-magnetospheric
plasma de propulsão
200 1 / kW Meses ? 3 : prova de conceito validada
Alimentação por feixe / laser Como método de propulsão alimentado por feixe 3 : Validado, prova de conceito de 71 m
Laço de lançamento / anel orbital N / D 10 4 Minutos 11-30 2 : Conceito de tecnologia formulado
Propulsão de pulso nuclear
( propulsão do Projeto Daedalus )
20 - 1.000 10 9 - 10 12 Anos 15.000 2 : Conceito de tecnologia formulado
Foguete de reator de núcleo de gás 10-20 10 3 - 10 6 ? ? 2 : Conceito de tecnologia formulado
Foguete nuclear de água salgada 100 10 3 - 10 7 Meia hora ? 2 : Conceito de tecnologia formulado
Vela de fissão ? ? ? ? 2 : Conceito de tecnologia formulado
Foguete de fragmento de fissão 15.000 ? ? ? 2 : Conceito de tecnologia formulado
Foguete nuclear-fotônico / foguete Photon 299.792 10 −5 - 1 Anos - décadas ? 2 : Conceito de tecnologia formulado
Foguete de fusão 100 - 1.000 ? ? ? 2 : Conceito de tecnologia formulado

Propulsão de pulso nuclear catalisada por antimatéria
200 - 4.000 ? Dias - semanas ? 2 : Conceito de tecnologia formulado
Foguete de antimatéria 10.000 - 100.000 ? ? ? 2 : Conceito de tecnologia formulado
Bussard Ramjet 2,2 - 20.000 ? Indeterminado 30.000 2 : Conceito de tecnologia formulado
Método
Velocidade efetiva de exaustão
(km / s)
Empuxo (N)
Duração do disparo

Delta-v máximo (km / s)

Nível de preparação da tecnologia

Testando

Os sistemas de propulsão de naves espaciais são freqüentemente testados estaticamente pela primeira vez na superfície da Terra, dentro da atmosfera, mas muitos sistemas requerem uma câmara de vácuo para serem testados completamente. Foguetes são geralmente testados em uma instalação de teste de motor de foguete bem longe de habitações e outros edifícios por razões de segurança. Os drives de íons são muito menos perigosos e exigem uma segurança muito menos rigorosa, geralmente apenas uma grande câmara de vácuo é necessária.

Locais de teste estáticos famosos podem ser encontrados nas Instalações de teste de solo do foguete

Alguns sistemas não podem ser adequadamente testados no solo e lançamentos de teste podem ser empregados em um local de lançamento de foguetes .

Propulsão planetária e atmosférica

Uma prova de conceito bem-sucedida do teste Lightcraft , um subconjunto de propulsão movida a feixe .

Mecanismos de assistência ao lançamento

Muitas ideias foram propostas para mecanismos de auxílio ao lançamento que têm o potencial de reduzir drasticamente o custo de entrada em órbita. Os mecanismos propostos de auxílio ao lançamento espacial sem lançamento de foguete incluem:

Motores que respiram ar

Os estudos geralmente mostram que os motores respiratórios convencionais, como ramjets ou turbojatos, são basicamente muito pesados ​​(têm uma relação empuxo / peso muito baixa) para fornecer qualquer melhoria significativa de desempenho quando instalados no próprio veículo de lançamento. No entanto, os veículos de lançamento podem ser lançados do ar de veículos de elevação separados (por exemplo, B-29 , Pegasus Rocket e White Knight ) que usam tais sistemas de propulsão. Motores a jato montados em um trilho de lançamento também podem ser usados.

Por outro lado, foram propostos motores muito leves ou de velocidade muito alta que aproveitam o ar durante a subida:

  • SABRE - um turbojato leve movido a hidrogênio com pré-resfriador
  • ATREX - um turbojato leve movido a hidrogênio com pré-resfriador
  • Motor de ciclo de ar líquido - um motor a jato movido a hidrogênio que liquefaz o ar antes de queimá-lo em um motor de foguete
  • Scramjet - motores a jato que usam combustão supersônica
  • Shcramjet - semelhante a um motor scramjet, porém aproveita as ondas de choque produzidas pela aeronave na câmara de combustão para auxiliar no aumento da eficiência geral.

Os veículos de lançamento de foguetes normais voam quase verticalmente antes de rolar a uma altitude de algumas dezenas de quilômetros antes de entrar em órbita lateralmente; esta subida vertical inicial desperdiça propelente, mas é ótima, pois reduz bastante o airdrag. Os motores que respiram o ar queimam o propelente com muito mais eficiência e isso permitiria uma trajetória de lançamento muito mais plana. Os veículos normalmente voariam tangencialmente à superfície da Terra até deixar a atmosfera, em seguida, executariam uma queima de foguete para estabelecer uma ponte entre o delta-v final e a velocidade orbital.

Para espaçonaves já em órbita muito baixa, a propulsão elétrica com respiração aérea usaria gases residuais na alta atmosfera como propelente. A propulsão elétrica com respiração aérea poderia tornar viável uma nova classe de missões de longa duração e baixa órbita na Terra, em Marte ou em Vênus .

Chegada e pouso planetário

Uma versão de teste do sistema de airbag Mars Pathfinder

Quando um veículo deve entrar em órbita ao redor de seu planeta de destino, ou quando deve pousar, ele deve ajustar sua velocidade. Isso pode ser feito usando todos os métodos listados acima (desde que possam gerar um empuxo alto o suficiente), mas existem alguns métodos que podem tirar proveito de atmosferas e / ou superfícies planetárias.

  • A aerofrenagem permite que uma espaçonave reduza o ponto alto de uma órbita elíptica por repetidas batidas com a atmosfera no ponto baixo da órbita. Isso pode economizar uma quantidade considerável de combustível porque leva muito menos delta-V para entrar em uma órbita elíptica em comparação com uma órbita circular baixa. Como a frenagem é feita ao longo de muitas órbitas, o aquecimento é comparativamente menor e um escudo térmico não é necessário. Isso foi feito em várias missões a Marte, como Mars Global Surveyor , 2001 Mars Odyssey e Mars Reconnaissance Orbiter , e pelo menos uma missão Venus, Magellan .
  • A aerocaptura é uma manobra muito mais agressiva, convertendo uma órbita hiperbólica de entrada em uma órbita elíptica em uma passagem. Isso requer um escudo térmico e uma navegação muito mais complicada, porque deve ser concluída em uma passagem pela atmosfera e, ao contrário da aerofrenagem, nenhuma previsão da atmosfera é possível. Se a intenção é permanecer em órbita, então pelo menos mais uma manobra de propulsão é necessária após a aerocaptura - caso contrário, o ponto baixo da órbita resultante permanecerá na atmosfera, resultando em uma eventual reentrada. A aerocaptura ainda não foi tentada em uma missão planetária, mas o salto de reentrada pela Zond 6 e Zond 7 no retorno lunar foram manobras de aerocaptura, porque transformaram uma órbita hiperbólica em uma órbita elíptica. Nessas missões, como não houve tentativa de elevar o perigeu após a aerocaptura, a órbita resultante ainda cruzou a atmosfera e a reentrada ocorreu no próximo perigeu.
  • Um ballute é um dispositivo de arrasto inflável.
  • Pára-quedas podem pousar uma sonda em um planeta ou lua com uma atmosfera, geralmente após a atmosfera ter eliminado a maior parte da velocidade, usando um escudo térmico .
  • Os airbags podem suavizar o pouso final.
  • A frenagem de lítio , ou parada por impacto na superfície, geralmente é feita por acidente. No entanto, pode ser feito deliberadamente com a expectativa de sobrevivência da sonda (ver, por exemplo, Deep Impact (nave espacial) ), caso em que sondas muito robustas são necessárias.

Em ficção

Na ficção científica, as naves espaciais usam vários meios para viajar, alguns deles cientificamente plausíveis (como velas solares ou ramjets), outros, principalmente ou totalmente fictícios (como antigravidade , warp drive , spindizzy ou viagem hiperespacial ).

Veja também

Referências

links externos