Um foguete é nomeado em homenagem a uma bobina de costura. A palavra vem do italiano rocchetto, que significa bobina, porque as versões iniciais se pareciam com bobinas em forma de fuso usadas para enrolar linha. É uma história de origem estranha para uma máquina que eventualmente transportou humanos além da atmosfera.
No seu núcleo, um foguete é simples: um veículo alongado que queima o combustível que carrega consigo para acelerar, sem precisar de ar ambiente. Esta única decisão de design é o que separa um foguete de um motor a jato, e é a razão pela qual os foguetes podem voar onde os motores a jato não podem: através do vácuo do espaço, onde um motor de foguete realmente funciona melhor do que ao nível do mar.
A história do foguete vai muito além da Era Espacial. Ela se estende através dos arsenais chineses, campos de batalha indianos, cabanas de troncos russos e bunkers de mísseis alemães antes de nunca deixar intencionalmente a atmosfera. Aqui está como um fogo de artifício em forma de bobina se tornou uma espaçonave.
Não um Motor a Jato Com uma Estratégia de Marketing Melhor
Os motores a jato respiram. Eles puxam oxigênio do ar ambiente e o misturam com combustível para queimar. Um foguete, em vez disso, embalagem tanto o combustível quanto o oxidante em seu próprio corpo, portanto nunca precisa inalar nada. Essa única diferença é o que permite a um foguete voar através do vácuo do espaço, onde não há ar para respirar.
A parte contra-intuitiva é o que acontece com o desempenho uma vez que o ar desaparece. Os motores de foguete não apenas toleram o vácuo, eles realmente operam mais eficientemente lá do que na atmosfera. Qualquer coisa projetada para funcionar bem no solo acaba funcionando ainda melhor uma vez que o deixa, o que é o oposto de quase qualquer outro tipo de motor que os humanos construíram.
Nascido na Dinastia Song da China
Os foguetes construídos para guerra e celebração remontam a pelo menos o século XIII na China, tornando o foguete uma das armas mais antigas ainda em uso ativo hoje, apenas direcionada para algo muito mais ambicioso agora. Segundo o historiador Joseph Needham, a marinha da dinastia Song já tinha foguetes organizados o suficiente para usá-los em um exercício militar documentado em 1245.
Essa data é importante porque significa que os foguetes de pólvora eram uma parte estabelecida do arsenal militar de um estado séculos antes que a Europa tivesse algo equivalente, com sua origem como uma ferramenta naval e de campo de batalha firmemente enraizada na China Song.
O Dragão que Disparou da Água
Os foguetes modernos quase sempre voam em estágios, descartando tanques de combustível vazios enquanto sobem para que o veículo fique mais leve e rápido. Essa ideia não é uma invenção do século XX. Um manual militar chinês do século XIV chamado Huolongjing descreve um dispositivo chamado "dragão de fogo emergindo da água", que é o foguete multestágio mais antigo conhecido, construído para uso pela marinha chinesa.
O próprio nome sugere a lógica de design: um foguete que parecia estourar da água, usando um estágio para começar a se mover e um segundo para continuar, a mesma lógica em estágios que cada foguete multestágio construído desde então seguiu de uma forma ou outra.
Cápsulas de Ferro de um Reino Indiano
Durante séculos após os primeiros foguetes chineses, a maioria dos corpos de foguetes eram feitos de papel ou metal fino que poderia estourar sob pressão. Isso mudou no final do século XVIII, quando o Reino de Mysore, sob o domínio de Hyder Ali, construiu os foguetes Mysorean, os primeiros foguetes com cápsulas de ferro bem-sucedidos na história.
Uma cápsula de ferro permitiu a um foguete sustentar pressão interna mais alta sem falhar, o que significava mais empuxo e mais alcance. Quando o design mais tarde chegou à Grã-Bretanha, inspirou o programa de foguetes Congreve, cujo maior modelo, o Cartucho de 32 libras, carregava um bastão de 15 pés de comprimento apenas para mantê-lo em voo. Uma inovação de campo de batalha indiana havia se tornado, em uma geração, um recurso da artilharia europeia.
Uma Ideia Grega Dois Mil Anos Cedo Demais
O dispositivo mais antigo conhecido para demonstrar os princípios básicos do voo de foguete não era uma arma. Por volta de 400 aC, o pitagórico grego Arquitas construiu um pássaro de madeira, suspendeu-o em fios e o propulsou ao longo deles usando vapor como força motriz.
Nunca chegou perto do espaço, e ninguém construiu sobre a ideia por um longo tempo. Mas o princípio subjacente - que expelir um jato de gás em uma direção empurra um objeto na outra - é exatamente aquilo em que todo motor de foguete químico ainda confia hoje. Arquitas chegou a isso muito antes de qualquer pessoa ter pólvora para tentar.
O Homem que Projetou Viagem Espacial no Papel
Muito antes de qualquer foguete sair da atmosfera, um professor de escola na Rússia provincial elaborou a matemática de como eventualmente se poderia. Konstantin Tsiolkovsky é considerado o pai da viagem espacial, e também foi a primeira pessoa a conceber o elevador espacial, uma ideia à qual chegou em 1895 após ver a Torre Eiffel recém-construída.
Seu artigo mais importante sobre exploração do espaço com dispositivos acionados por foguetes apareceu em maio de 1903, décadas antes de qualquer governo ter a engenharia ou o dinheiro para testar suas equações. Ele elaborou a física da foguetaria orbital usando pouco mais do que um quadro negro, em um país que não lançaria nada em órbita por mais meio século.
Uma Arma que Alcançou o Espaço por Acaso
O primeiro foguete a deixar intencionalmente a atmosfera foi projetado para destruir cidades, não explorá-las. Lançando o voo de teste MW 18014 em 20 de junho de 1944, o V-2 cruzou a linha de Kármán e tornou-se o primeiro objeto feito pelo homem a atingir o espaço.
Este marco chegou no meio de uma campanha de bombardeio. A partir de setembro, a Wehrmacht disparou mais de 3.000 desses mísseis contra cidades aliadas, acertando primeiro Londres, depois Antuérpia e Liège. A mesma engenharia que tocou o espaço pela primeira vez era, na época, uma ferramenta do terror, um lembrete sombrio de que os caminhos militar e científico da foguetaria nunca foram completamente separados.
Por que os Foguetes Vêm em Seções
Estagiamento não é apenas uma curiosidade histórica do Huolongjing, ainda é o princípio operacional por trás de atingir uma órbita. Entre 1948 e 1950, engenheiros testaram a série RTV-G-4 Bumper em White Sands, depois em Cape Canaveral, construindo os primeiros foguetes multestágio de alta velocidade da era moderna. Um deles atingiu uma altitude de 393 quilômetros sobre White Sands em 24 de fevereiro de 1949, a maior altura que qualquer foguete já havia alcançado lá.
A física por trás do estagiamento é simples: descartar peso morto no meio do voo permite que os motores restantes acelerem um veículo mais leve. O primeiro estágio do Saturn V, por exemplo, teve de elevar a massa total de tudo acima dele, e ainda assim alcançou uma proporção de massa de cerca de 10 e impulso específico de 263 segundos, números que mostram por que engenheiros continuam perseguindo o estágio mais leve possível que ainda se mantém unido.
Extraindo Cada Joule do Escapamento
A estrutura seca de um motor de foguete, tudo que permanece uma vez que o propelente acabou, geralmente é apenas 5 a 20% da massa total de lançamento do veículo. Este pequeno hardware, não o combustível que carrega, é o que acaba dominando o custo de um programa de foguetes, porque construir tanques e motores que são leves e fortes é muito mais difícil do que enchê-los com propelente.
Tirar o máximo desse hardware se resume ao bico. Os bocais de foguete usam formas quase adiabáticas com alta razão de expansão que resfriam e aceleram o gás de escapamento, atingindo eficiência de energia de até 70%. A escolha do combustível também importa: hidrogênio e oxigênio juntos fornecem o impulso específico mais alto de qualquer combinação de propelente químico em uso, mas a densidade do hidrogênio é apenas cerca de um catorze avos da água, então motores que o queimam precisam de bombas turbo maiores e mais pesadas que cortam a relação empuxo-peso, um compromisso visível ao comparar um motor como o RS-25 com um design com combustível mais denso como o NK-33.
Nenhum desses compromissos desapareceu em um século de foguetaria. Cada lançamento ainda é uma negociação entre quanto peso morto um veículo pode descartar, com que eficiência seu bico pode moldar o escapamento e com que densidade um combustível ousa queimar, os mesmos compromissos que um oficial de arsenal chinês e um professor de escola russo já estavam rondando muito antes de qualquer um deles ter um nome em inglês.