Para alcançar a órbita da Terra, foguetes necessitam de toneladas de combustível e oxidantes a fim de garantir a propulsão adequada. Este grande volume de material também demanda muito espaço na espaçonave – não é à toa que o Falcon 9, da SpaceX, tem cerca de 70 metros de comprimento.
Um novo motor em desenvolvimento por dois engenheiros norte-americanos, no entanto, propõe uma alternativa para otimizar a quantidade de oxidantes transportados por foguetes e reduzir o custo de lançamentos. Trata-se do sistema de propulsão por aspiração de ar Fernis, uma tecnologia que combina características de um motor de foguete convencional e um motor a jato.
Aaron Davis e Scott Stegman já contam com um protótipo construído para o captar o ar diretamente da atmosfera durante o percurso da espaçonave e usá-lo como oxidante para induzir a propulsão do veículo. O Fernis aspira passivamente o ar por uma extremidade e então o comprime e o combina com querosene e um pouco de oxigênio gasoso em uma câmara de combustão.
As chamas residuais da reação no interior do compartimento são liberadas na outra extremidade. De acordo com cálculos dos engenheiros, quando completo o sistema poderia reduzir a quantidade de oxidantes transportados por um foguete em até 20%. Em teoria, isso significa que foguetes equipados com a tecnologia poderiam ser mais compactos ou destinar mais espaços de compartimento a cargas úteis.
Motor de propulsão híbrido SABRE. Imagem: Reprodução
Histórico
Como aponta o site Wired, a ideia de combinar um motor e um motor de foguete convencional não é nova. No entanto, historicamente, esse recurso está associado a um uso em etapas. A Virgin Galactic, um empresa de voos espaciais, por exemplo, usa aviões a jato para transporte foguetes convencionais por vários quilômetros na atmosfera e então libera os veículos, que concluem sozinhos a etapa final da viagem ao espaço.
Projetada pela Nasa, a aeronave X-43 apresenta um motor de foguete para dar impulso inicial para o veículo. Na sequência, um sistema hipersônico a jato de respiração aérea – conhecido como scramjet – assume o controle do veículo.
O Fernis, por outro lado, corresponde a um sistema de estágio único para órbita (SSTO). Ou seja, ele impulsiona veículos que chegam até a órbita da Terra sem ajuda de dispositivos externos e não precisam destacar nenhuma de suas partes de maquinário durante o percurso. Nesta categoria também está inclusa a tecnologia SABRE, um conceito de motor híbrido de motor de foguete e jato hipersônico desenvolvido pela empresa britânica Reaction Engine.
Há, no entanto, um desafio fundamental aplicado aos sistemas SSTO: para atingir a velocidade necessária para chegar na órbita é preciso um volume tremendo de propulsores. Ao adicionar combustível e outros materiais, o foguete fica mais pesado – isso dificulta que o veículo alcance as velocidades necessárias.
É por essa razão que muitos foguetes contam com sistemas de dissociação, em que parte da espaçonave é desconectada durante o voo, e não se enquadram na categoria SSTO. A expectativa de David e Stegman, portanto, é que o sistema de propulsão por aspiração de ar dê conta do recado, dispensando parte da necessidade de oxidantes a bordo das espaçonaves.
Testes
Em dezembro de 2019, a dupla de engenheiros obtive sucesso em um teste de ignição e comprovaram que o sistema é capaz de captar e comprimir o ar, assim como liberar as chamas de forma segura, a velocidade zero. Ainda assim, como retrata um vídeo divulgado no YouTube, o protótipo está longe de apresentar um potencial suficiente para a propulsão de foguetes.
Imagem capturada durante teste do protótipo Fernis. Imagem: Mountain Aerospace Solutions
A dupla ainda pretende conduzir alguns testes mais avançados no final deste ano para estudar a energia máxima suportada pelo mecanismo experimental. Ao Wired, Davis afirmou que espera obter mais de 600 segundos de impulso específico – medida de eficiência de jato – durante os testes futuros.
A meta é bastante ambiciosa, uma vez que o recorde mundial, detido pela Nasa, corresponde a 542 segundos. A maioria dos foguetes orbitais em operação possui impulsos específicos em torno de 300 segundos. Caso tudo ocorra bem com os experimentos, David espera realizar o primeiro voo de um veículo equipado com o Fernis até 2022.
Contestação
O sistema de propulsão por aspiração de ar, no entanto, é visto com um certo ceticismo por alguns especialistas. Em entrevista à Wired, Adonios Karpetis, engenheiro aeroespacial formado pela Texas A&M University e um expert em combustão de alta velocidade, argumenta que foguetes se locomovem em velocidades supersônicas ou hipersônicas, mas a câmara de combustão desses veículos não sofrem os impactos da velocidade elevada.
Não se pode dizer o mesmo de motores hipersônicos por aspiração de ar, que apresentam fluxos de ar hipersônicos no interior do motor. Karpetis lembra que esse foi um desafio para empresas que fabricam motores scramjet hipersônicos e provavelmente será um barreira para o motor Fernis.
“O que acontecerá quando o Fenris se tornar verdadeiramente supersônico e o ar entrar nele em alta velocidade? Um palpite simples seria um comportamento decrescente, reduzindo rapidamente o impulso específico de 600 segundos para um valor menor.”, disse o especialista.
Já Dan Erwin, professor de engenharia aeroespacial da University of Southern California, diz que a atmosfera é composta por nitrogênio inerte, que ao ser aquecido pela combustão entre o oxigênio e a querosene pode provocar uma redução da temperatura da reação e reduzir a pressão do sistema. Ele afirma ainda que a velocidade de escape pode ser maior que a velocidade da sonda.
Fonte: Wired
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