O motor de foguete do futuro "respira" o ar como um motor a jato

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Prolongar / A entrada de ar no motor Fenris da Mountain Aerospace Research Solution após seu primeiro incêndio em julho passado. As linhas ao redor do cone alimentam querosene e oxigênio gasoso em uma câmara de combustão, onde são misturados com o ar e inflamados.

Aaron Davis Soluções de pesquisa aeroespacial de montanha

Há um pequeno aeroporto a cerca de duas horas de carro ao norte de Los Angeles, que fica à beira de uma vasta extensão de deserto e atrai dissidentes aeroespaciais, como mariposas, até uma chama. O Mojave Air & Space Port abriga empresas como a Scaled Composites, a primeira a enviar um astronauta particular para o espaço, e a Masten Space Systems, que atua no ramo de construção de pousos lunares. É o campo de prova para os projetos espaciais mais audaciosos da América e, quando Aaron Davis e Scott Stegman chegaram à pista sagrada em julho passado, eles sabiam que estavam no lugar certo.

Os dois homens chegaram ao campo de pouso antes do amanhecer para montar o posto de teste de um protótipo de seu motor de foguete que respirava ar, um novo tipo de sistema de propulsão que é um cruzamento entre um motor de foguete e um motor a jato. Eles chamam sua criação profana Fenris, e Davis acredita que é a única maneira de tornar o espaço barato o suficiente para o resto de nós. Enquanto um motor de foguete convencional deve transportar tanques gigantes de combustível e oxidante em sua jornada ao espaço, um motor de foguete que respira ar retira a maior parte de seu oxidante diretamente da atmosfera. Isso significa que um foguete que respira ar pode levantar mais coisas com menos propulsor e reduzir drasticamente o custo do acesso ao espaço – pelo menos em teoria.

A idéia de combinar a eficiência de um motor a jato com a potência de um motor de foguete não é nova, mas historicamente esses sistemas só foram combinados em etapas. galáctico virgem e Órbita Virgem, por exemplo, use aviões a jato para transportar foguetes convencionais várias milhas para a atmosfera antes de liberá-los para a etapa final da jornada ao espaço. Em outros casos, a ordem é revertida. o aeronave mais rápida já voada, O X-43 da NASA, usou um motor de foguete para fornecer um impulso inicial antes de um motor a jato hipersônico de respiração aérea – conhecido como scramjet– pegou e acelerou o veículo a 7.300 mph, quase 10 vezes a velocidade do som.

Mas se esses sistemas escalonados pudessem ser agrupados em um único mecanismo, os enormes ganhos de eficiência reduziriam drasticamente o custo de se chegar ao espaço. "O Santo Graal é um veículo de estágio único em órbita onde você simplesmente decola de uma pista, voa para o espaço e volta e reutiliza o sistema", diz Christopher Goyne, diretor do Laboratório de Pesquisa Aeroespacial da Universidade da Virgínia e um especialista em vôo hipersônico.

O grande desafio com uma foguete de estágio único em órbita ou SSTO é que alcançar as velocidades necessárias para a órbita – em torno de 17.000 mph – requer uma muitos de propulsor. Mas adicionar mais propulsor torna um foguete mais pesado, o que dificulta o alcance da velocidade orbital. Esse círculo vicioso é conhecido como a "tirania da equação do foguete" e é por isso que é necessário um foguete de dois estágios do tamanho de um prédio de escritórios para lançar um satélite do tamanho de um carro. Preparar um foguete ajuda porque ele pode perder peso quando o propulsor do primeiro estágio é usado, mas ainda é bastante ineficiente ter que queimar todo esse propulsor em primeiro lugar. É aqui que um foguete SSTO com motores que respiram ar forneceria um enorme aumento de eficiência.

"A idéia é usar motores que respiram ar no início do lançamento para aproveitar os ganhos de eficiência de motores que não precisam carregar seu próprio oxidante", diz Goyne. "Quando você fica alto o suficiente na atmosfera, começa a ficar sem ar para o sistema de respiração do ar e pode usar o foguete para o impulso final em órbita."

Muito dinheiro, grande desafio

Quando Davis fundou a Mountain Aerospace Research Solutions em 2018, ninguém havia fabricado um motor de foguete que respirava ar antes. A NASA e gigantes aeroespaciais como a Rolls-Royce haviam tentado, e todos os projetos fracassaram devido aos custos crescentes e aos principais desafios tecnológicos. Mas Davis, um ex-técnico de material de aviação dos fuzileiros navais, tinha uma idéia para um mecanismo de respiração do ar e não podia negar a idéia. "Contratei Scott Stegman para provar que não daria certo", diz Davis. Mas Stegman, que anteriormente trabalhou como engenheiro mecânico na Northrop Grumman, diminuiu os números e não encontrou nenhum empecilho. No que diz respeito à física, o mecanismo de Davis parecia que deveria funcionar.

Segundo os cálculos de Stegman, um motor Fenris em grande escala poderia reduzir a quantidade de oxidante que um foguete precisa transportar em cerca de 20%. Esse é um enorme ganho de eficiência, mas primeiro eles tiveram que demonstrar que o design de Davis funcionaria. Davis não tinha os fundos necessários para executar simulações detalhadas de dinâmica de fluidos para modelar o mecanismo em um computador, então a dupla decidiu construir um mecanismo físico. "No final do dia, você pode fazer simulações muito bonitas e ninguém vai acreditar em você", diz Davis. "Era mais barato sair e testar se minha ideia era válida ou não".

Quando Davis iniciou a contagem regressiva no Mojave Air & Space Port em julho passado, ele e Stegman estavam trabalhando no protótipo Fenris há quase um ano e meio. Davis diz que pagou totalmente pelo desenvolvimento do motor e estima que gastou cerca de US $ 500.000 no projeto até agora. O motor em forma de ampulheta não é muito maior que uma torradeira e é projetado para aspirar passivamente o ar de uma extremidade, combinar o ar com querosene e um pouco de oxigênio gasoso em uma câmara de combustão e cuspir chamas na outra extremidade. E quando Davis acionou a ignição no ano passado, o motor Fenris funcionou.

Davis afirma que o teste é a primeira e única vez que um motor de foguete que respira ar é acionado com sucesso. É uma grande afirmação e vem com uma ressalva importante: o mecanismo Fenris não era nem suficientemente poderoso para enviar algo ao espaço. A dupla não divulgou dados sobre o desempenho do mecanismo, mas em vídeo do motor acionado, fica claro que o escape não possui a estrutura ordenada que você esperaria ver em um motor de foguete de alto desempenho. Para ser justo, Davis e Stegman não estavam tentando chegar à fronteira final. Eles só queriam ver se o motor conseguia puxar o ar de um lado e arrotar chamas do outro sem explodir. "É literalmente um motor de foguete com buracos nas duas extremidades", diz Stegman. "Isso não é normal e é por isso que éramos realmente conservadores no primeiro teste".

No final deste ano, Davis e Stegman farão alguns testes de motor mais avançados em um silo de mísseis desativado em Wyoming. Diferentemente da primeira execução de teste, tudo isso levará o Fenris ao limite e extrairá o máximo de energia possível do mecanismo experimental. Com base em seus modelos de computador, Davis diz que espera obter mais de 600 segundos de impulso específico durante os testes, que é uma medida da eficiência com que um motor de foguete usa seu propulsor. Seria uma conquista monumental, dado que o impulso específico recorde mundial – mantido pela NASA – é de 542 segundos, e a maioria dos foguetes orbitais em operação possui impulsos específicos em torno de 300 segundos. Se as demonstrações em Wyoming correrem bem, o próximo grande passo seria demonstrar o motor em voo. Se ele encontrar um parceiro de lançamento, Davis diz que o motor Fenris poderá voar assim que 2022.

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Prolongar / A entrada de ar no motor Fenris da Mountain Aerospace Research Solution após seu primeiro incêndio em julho passado. As linhas ao redor do cone alimentam querosene e oxigênio gasoso em uma câmara de combustão, onde são misturados com o ar e inflamados.

Aaron Davis Soluções de pesquisa aeroespacial de montanha

Historicamente falando, Davis e Stegman estão em boa companhia. O nascimento de modernos foguetes a combustível líquido foi impulsionado por amadores como Robert Goddard, Jack Parsons e Werner von Braun, que abriram caminho para os enormes programas de foguetes estatais que se seguiram. Mas nem todo mundo está convencido de que Fenris é um divisor de águas.

"Sou cético em relação a todo o conceito", diz Dan Erwin, professor de engenharia aeroespacial da Universidade do Sul da Califórnia e especialista em propulsão. Uma preocupação é que a atmosfera seja principalmente nitrogênio inerte – e em um motor de foguete esse nitrogênio age como um cobertor molhado. Ele é aquecido pela reação de combustão entre o oxigênio e o querosene, sem contribuir para isso, o que reduz a temperatura de combustão e reduz a pressão. E embora o nitrogênio possa contribuir para o impulso de um motor – já que ele é aquecido na câmara de combustão e expelido pelo bico – a velocidade de escape deve ser maior que a velocidade da sonda. Caso contrário, diz Erwin, o ar está avançando em relação à atmosfera estacionária quando sai do motor, o que prejudicaria o impulso para a frente do foguete. Embora esse mecanismo não seja impossível, ele teria que ter um desempenho incrivelmente alto.

Adonios Karpetis, engenheiro aeroespacial da Texas A&M University e especialista em combustão em alta velocidade, também tem dúvidas sobre a viabilidade do motor Fenris. Ele ressalta que, embora os foguetes passem a maior parte do tempo se movendo em velocidades supersônicas ou hipersônicas, a própria câmara de combustão não experimenta essas condições. Esse não é o caso dos motores hipersônicos de respiração aérea, que apresentam fluxo de ar hipersônico no próprio motor. Esse foi um grande desafio técnico para as empresas que fabricam motores scramjet hipersônicos e também seria enfrentado por um motor que respira ar como Fenris durante o voo. "O único teste estático de incêndio do dispositivo Fenris ocorreu em velocidade zero", diz Karpetis. "O que acontecerá quando o dispositivo Fenris se tornar verdadeiramente supersônico e o ar entrar nele através da entrada em alta velocidade? Um palpite simples preveria um comportamento decrescente, reduzindo rapidamente o impulso específico de 600 segundos para um valor menor".

Não é fácil

Há uma longa história de organizações com muito dinheiro e muita experiência que lutavam para dar vida a motores de foguetes que respiram ar. Na década de 1980, a NASA e uma parceria de empresas aeroespaciais britânicas buscavam conceitos para os aviões espaciais da SSTO que poderiam substituir o ônibus espacial. Veículo da NASA, conhecido como Avião Espacial Nacional, foi projetado para usar um jato de ar de respiração para acelerar a 25 vezes a velocidade do som (PDF) e alcance a órbita sem um motor de foguete. O veículo britânico, chamado Decolagem Horizontal e Pouso (ou Hotol), deveria ter um motor híbrido que combinasse aspectos de um motor a jato e de foguete.

As restrições orçamentárias mataram os dois programas de aviões espaciais antes de serem construídos, mas Alan Bond, um dos principais engenheiros de Hotol, não conseguiu abandonar a idéia. Em 1989, Bond fundou a Reaction Engines para construir um novo motor de foguete que respira ar, com base nos projetos de Hotol. Ele imaginou usar o motor em um avião espacial conceitual chamado Skylon, que parece um foguete equipado com um motor que respira ar nas pontas de suas duas asas estreitas. O motor de Skylon é conhecido como Synergetic Air Breathing Rocket Engine, ou Saber, e embora o avião espacial ainda seja pouco mais que um conceito, o motor é muito real.

A idéia por trás do Sabre é usar o modo de respiração do ar do motor para acelerar a espaçonave até velocidades hipersônicas na atmosfera mais baixa e depois mudar para o modo de foguete completo na borda do espaço. É conceitualmente simples, mas o diabo está nos detalhes. Por exemplo, como o motor trabalha a aeronave até velocidades hipersônicas em baixas altitudes, a temperatura do ar se aproxima de 1.800 graus Fahrenheit, que é quente o suficiente para derreter os componentes do motor. Para superar esse desafio, o Sabre usa um pré-resfriador para diminuir a temperatura do ar, circulando combustível de hidrogênio pelo motor. Isso reduz o ar às temperaturas ambientes em altitude, que são cerca de -200 graus Fahrenheit. "Efetivamente, o mecanismo principal não sabe que está voando hipersonicamente", diz Shaun Driscoll, diretor de programas da Reaction Engines. "O pré-resfriador cuida disso."

Depois que o ar é baixado para uma temperatura gerenciável, ele é passado para um compressor para aumentar a pressão do gás, como em um motor a jato convencional. Em seguida, é encaminhado para uma câmara de combustão de foguetes, onde é misturado com combustível líquido de hidrogênio e inflamado para produzir empuxo. Quando o veículo atinge velocidades hipersônicas, a atmosfera é muito fina para um motor que respira o ar e o sistema muda para o tanque de oxidação a bordo para a etapa final da jornada ao espaço.

Bond se aposentou da Reaction Engines em 2017, mas o trabalho no mecanismo do Sabre continua em ritmo acelerado. Nos últimos quatro anos, a empresa levantou mais de US $ 100 milhões para desenvolver o Sabre e, pouco depois que Bond se afastou, a Reaction Engines contratou a Darpa para desenvolver uma instalação de teste para o pré-resfriador do motor no Colorado. No final do ano passado, a empresa demonstrou que seu pré-resfriador podia lidar com o calor extremo gerado em condições hipersônicas, um marco importante no caminho para uma demonstração completa do motor. Na mesma época, a Agência Espacial Européia concluiu sua análise de projeto do motor e deu à empresa luz verde para começar a testar seu núcleo do motor.

O CEO da Reaction Engines, Mark Thomas, diz que a empresa espera começar esses testes no próximo ano. O núcleo do motor Sabre é o coração que respira o ar do sistema de propulsão, despojado do bico de escape e do pré-resfriador. "Esses testes ocorrerão durante o próximo ano e serão um passo significativo em direção ao primeiro motor de respiração aérea do mundo capaz de acelerar de zero a Mach 5", diz Thomas. Se esses testes forem bem-sucedidos, Thomas diz que o próximo grande passo será integrar todos os componentes do motor e realizar uma demonstração de voo de alta velocidade com uma estrutura personalizada. Thomas diz que antecipa o primeiro voo de demonstração que acontecerá em meados da década de 2020.

“Nos últimos anos, as empresas de lançamentos comerciais apresentaram avanços significativos na reutilização e reduções nos custos de lançamento, no entanto, sua abordagem está utilizando essencialmente a tecnologia existente de foguetes químicos que é usada há mais de 70 anos”, diz Thomas. "Somente um sistema de respiração aérea fornecerá uma redução quântica adicional nos custos de lançamento e confiabilidade".

O Sabre é o culminar de mais de 40 anos de pesquisa e desenvolvimento, apoiados por milhões de dólares em financiamento do governo e da indústria. É o máximo que você pode conseguir de dois caras que fazem um pequeno protótipo de motor de foguete no deserto, mas Davis não se deixa levar pelas probabilidades longas. "Isso importa mais do que tudo", diz ele. "Apenas 600 pessoas já estiveram no espaço sideral e não vou desistir até perceber essa capacidade para todos".

Esta história apareceu originalmente em wired.com.

Fonte: Ars Technica