Foguete de passo

Gráfico: Separação de etapas no Falcon 9

Desprendimento e detonação da terceira fase de um míssil Delta II

Gráfico: Separação de etapas no Saturn IB

Separação passo no decurso do voo de um LGM-30 Minuteman III ICBM

Um foguete de estágio ou foguete de múltiplos estágios consiste em vários estágios de foguete de tamanho decrescente , muitas vezes montados um acima do outro , nos quais tanques de combustível vazios e motores que não são mais necessários são lançados para que não tenham que ser acelerados mais junto com a carga útil. Desta forma, velocidades mais altas e, portanto, órbitas mais altas são alcançadas do que com foguetes de estágio único. Todos os foguetes usados para alcançar as órbitas da Terra eram e são de vários estágios.

história

As primeiras descrições e ilustrações de mísseis de múltiplos estágios apareceram no século 14 em Huo Lung Ching , um manual chinês de armas de fogo . O técnico militar austríaco Conrad Haas descreveu um grande número de tipos de foguetes em seu livro de arte (encontrado apenas em 1961) entre 1529 e 1556 , incluindo o foguete de múltiplos estágios. O oficial de artilharia polonês Casimir Simienowicz descreveu foguetes de três estágios em 1650. O professor russo e autodidata Konstantin Ziolkowski colocou o princípio de múltiplos estágios com sua equação básica de foguete em bases científicas. Isso afirma que a velocidade final de um foguete de estágio único no espaço sem peso depende apenas da velocidade de saída dos gases do motor e da razão entre a massa de decolagem e a massa final (massa de decolagem - combustível).

Sob a designação A9 / A10 , os engenheiros alemães começaram a desenvolver um foguete multiestágio baseado no foguete A4 durante a Segunda Guerra Mundial , mas nunca o concluíram. O desenvolvimento de grandes mísseis de múltiplos estágios avançou principalmente para uso militar nos Estados Unidos e na União Soviética a partir do final dos anos 1940. Várias configurações foram examinadas, das quais os foguetes empilhados e os foguetes com propulsores são usados ​​hoje.

Comparação de diferentes configurações. Da esquerda para a direita: míssil de estágio único, míssil de estágio único empilhado, míssil de estágio único com impulsionadores, míssil com tanques externos ejetáveis.

Descrição

Os foguetes mais simples consistem em apenas um estágio com motor. No caso de mísseis empilhados, os estágios são dispostos um acima do outro e acionados um após o outro. Teoricamente, este processo pode ser repetido quantas vezes forem necessárias, mas com mais de quatro estágios, o esforço para os motores é i. d. Geralmente maior do que o ganho de massa. Se os estágios são acionados ao mesmo tempo, mas queimam por períodos de tempo diferentes, geralmente são contados como meios estágios. Se este princípio for usado no início, falamos de reforçadores . Por exemplo, o Ariane 5 é um foguete de 2,5 estágios: ele libera seus propulsores antes que o primeiro estágio se esgote. O segundo estágio carrega uma carga útil, que geralmente tem seu próprio motor. Na verdade, é uma terceira etapa, mas muitas vezes não é contada no caso de lançadores. O impulso da carga útil real para alcançar o caminho planejado também não é contado, pois isso não faz parte do lançador.

Separação de fases

A implementação técnica é exigente e requer um tempo preciso. Em particular, a ligação entre os degraus, que foi sujeita a elevadas cargas mecânicas, deve ser separada mecanicamente. Isso geralmente é feito de forma pirotécnica, por exemplo, por meio de parafusos pirotécnicos ou cargas de corte , às vezes também por meio de sistemas de correias de tensionamento ou pneumaticamente . Depois disso, uma colisão deve ser evitada. Se o estágio a ser separado ainda tem um empuxo residual, pequenos motores auxiliares podem ser usados ​​no estágio superior, que os puxam para longe do estágio inferior e assim também causam uma posição definida dos propelentes nos foguetes líquidos (ver Ullage ). Finalmente, a sequência de ignição correta do estágio superior deve ser executada.

Um exemplo de separação fracassada é o voo tripulado Soyuz MS-10 de outubro de 2018. Na Soyuz , entre outras coisas, o oxigênio restante de seus tanques é usado para separar os propulsores do primeiro estágio; o gás flui pela parte superior do booster e cria um recuo. A válvula de oxigênio em um dos reforços não abriu, então colidiu com o segundo estágio e danificou seu tanque de combustível. A nave com os dois tripulantes foi automaticamente colocada em segurança por meio de motores de resgate.

Situação hoje

O Saturn V , o foguete de lançamento das missões lunares da Apollo , consistia em três estágios de foguete. A maioria dos foguetes de estágio usados em viagens espaciais hoje também tem três estágios, mas também existem sistemas de dois ou quatro estágios. O PSLV indiano ainda tem cinco níveis se você contar seu impulsionador como um nível independente. O último estágio é algumas vezes referido como o estágio de kick ou motor de kick , pois ele chuta o satélite de sua órbita atual para uma órbita mais alta ou interplanetária .

Alguns mísseis podem ser equipados com diferentes estágios superiores. Então, principalmente o nível superior e o nível inferior, cada um tem seu próprio sistema de controle (sistemas de giroscópios e outros sensores ). Outros foguetes como o Ariane basicamente têm apenas um sistema de controle que fica no estágio superior e controla todos os estágios (mesmo com versões com diferentes estágios superiores, como Ariane 5 GS e Ariane 5 ECA). O nível superior é geralmente separado de seu nível inferior por pequenas cargas explosivas antes de detonar.

O segundo estágio de foguete de um Saturn V é baixado para o primeiro

A velocidade final é composta pelas velocidades atingidas individualmente por cada estágio, se desconsiderada a aceleração negativa causada pelo campo gravitacional terrestre :

${\ displaystyle \ v = c_ {1} \ ln {m_ {1}} + c_ {2} \ ln {m_ {2}} + c_ {3} \ ln {m_ {3}},}$

onde c _{1 é} a velocidade de escoamento dos gases a partir da primeira fase do motor (a alguns quilómetros por segundo), e ln m representa para o logaritmo da respectiva relação de massa de take-off de peso para peso vazio . Deve-se notar que m _1, como peso vazio, também deve transportar o segundo e terceiro estágios, etc., mas m ₃ apenas deve transportar a carga útil - o satélite ou satélites .

A tara é não só sobre o invólucro do míssil é determinada (que não deve ser demasiado fino por razões de estabilidade), mas também sobre o bico de Laval e o combustível - bomba e unidades auxiliares. Em foguetes baratos, a proporção de massa é superior a 5, de modo que os motores com velocidades do bico em torno de c = 3 km / s alcançam cerca de 5 km / s (3 km / s · ln 5 = 4,8 km / s). Na verdade, no entanto, a gravidade reduz significativamente a velocidade dos estágios inferiores do foguete (normalmente em cerca de 1 a 2 km / s com um tempo de queima de três minutos, dependendo da aceleração inicial), o que deve ser levado em consideração ao projetar o sistema .

Oportunidades de melhoria

Um aumento na eficiência dos foguetes de combustível líquido com propulsores poderia ser alcançado conectando o motor ou motores do estágio de foguete mais baixo aos tanques de combustível dos propulsores. Se os motores auxiliares e os do estágio de foguete mais baixo retirassem seu combustível dos tanques dos propulsores desde o início, estes seriam esvaziados mais rapidamente e os propulsores poderiam ser lançados mais cedo. Só então o estágio de foguete mais baixo queimaria o combustível de seus próprios tanques.

Essa alimentação cruzada de propelente foi inicialmente planejada para o Falcon Heavy da SpaceX, mas não foi realizada.

literatura

• Ernst Grimsehl: livro didático de física de Grimsehl. Volume 1, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 1991, ISBN 978-3-663-05733-8 .
• Helmuth Hausen , Rudolf Plank : Manual de tecnologia de refrigeração. Oitavo volume, produção de temperaturas muito baixas, Springer Verlag Berlin Heidelberg GmbH, Berlin Heidelberg 1957.
• Josef Stemmer: Propulsão de Foguete. Schweizer Druck- und Verlagshaus AG, Zurique.
• Capítulo 2.5 Veículos lançadores de produtos químicos de estágio único e múltiplo. In: Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas: Sistemas espaciais. Springer Verlag Berlin Heidelberg, 5ª edição, Berlin Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-49637-4 .
• Capítulo 3 Preparação de foguetes. In: Ulrich Walter: Astronautics: The Physics of Space Flight , Springer, 3ª edição, 2018, ISBN 978-3-319-74372-1 .
• Capítulo 3.2 Step Technologies. Em: W. Ley, K. Wittmann, W. Hallmann (eds.): Handbuch der Raumfahrttechnik , Hanser, 4ª edição, Munique 2011, ISBN 978-3-446-42406-7 .

Links da web

• Requisitos do sistema de propulsão Fhio / v para uma sonda interestelar (acessado em 26 de maio de 2016)

Evidência individual

1. ^ Anatoly Zak: Soyuz MS-10 faz pousos de emergência após uma falha de lançamento. In: Russian Space Web. Outubro de 2018, acessado em 15 de agosto de 2019 . 
2. ↑ John K. Strickland, Jr.: O impulsionador pesado SpaceX Falcon: Por que é importante? National Space Society, setembro de 2011, acessado em 25 de agosto de 2019 . 
3. ↑ Mensagem de Elon Musk no Twitter , 1º de maio de 2016.