A História dos Foguetes - Corrida Espacial

    A corrida espacial foi uma das fases mais bacanas da história moderna. Em plena guerra fria as duas super-potências mundias brigavam pela ver quem chegava primeiro à Lua. E ela quase foi Vermelha. Mas por trás da disputa da Lua, os interesses eram muitos maiores. A corrida espacial teve origem na corrida armamentista iniciada após a segunda guerra mundial, entre Estados Unidos e União Soviética. Foi uma disputa pela supremacia da tecnologia da exploração espacial, oque significava espiar inimigos com satélites e foguetes para para mandar bomba atômica. Porém a tecnologia e ciência necessária para leva o homem a Lua começou bem antes.

     Entre as várias tecnologias necessárias, a principal é a tecnologia dos foguetes. O primeiro combustível sólido para foguetes era uma espécie de pólvora. A pólvora foi descoberta na china,durante a dinastia Han, acidentalmente por alquimistas taoistas que procuravam o elixir da longa vida, produziram vários incêndios ao fazer testes com enxofre e salitre (nitrato de potássio). As primeiras referências aparecem em textos como avisos para não misturarem certos materiais com outros. No séc. VIII, ao final da dinastia Tang, foi descoberta a fórmula para fazer a pólvora. Inicialmente usado para fogos de artifícios, a pólvora começou com propósito militares a partir do séc. X na china, como foguetes e bombas explosivas lançadas por catapulta. A primeira referência a canhão surge em 1126, usando tubos de bambu para lançar foguetes contra os inimigos. Após, o bambu foi substituído por tubos de metal. Da china, o uso militar da pólvora foi difundido para o Japão e Europa. A pólvora foi usada pela primeira vez para lançar projéteis de uma arma portátil semelhante à um rifle em 1304. A pólvora clássica (explosiva) é composta de 75% de salitre, 15% de carvão e 10% de enxofre. Ao longo dos séculos, a composição da pólvora foi modificada, dependendo da utilização, surgindo as pólvoras de caça, de minas e de guerra. A pólvora pode ser dividida em duas categorias: propelente, de combustão lenta e controlada; e explosiva, de combustão rápida e explode se confinada.

     Nesse ponto da história aparecem os primeiros foguetes primitivos. Os documentos chineses registram o uso de "setas de fogo", apenas uma seta com propulsão usadas para repelir invasores mongóis na batalha de Kai-fung-fu em 1232 d.C. Nos séculos que se seguiram, esses foguetes foram espalhado pelos resto do mundo, sofrendo algumas alterações e melhoramentos. Na parte teórica, o primeiro passo importante foi dado em 1687, quando Isaac Newton publicou sua obra-prima Princípios Matemáticos da Filosofia Natural, anunciando a famosa e temida (pelos estudantes) Lei da Gravitação Universal, usada para calcular a trajetórias de todos os corpos sob ação da gravidade, sendo essencial para levar o Homem a Lua. A partir de então começou-se a pensar em usar essa tecnologia para sair da Terra. Em seus primórdios a Astronáutica era puramente teórica. Muito antes de ser possível enviar foguetes ao espaço, o voo espacial maravilhou muitas das mentes do séc. XIX, como Julio Verne e HG Wells. Mas os primeiros passos para a Astronáutica moderna só seriam dados no séc. XX.

Tsiolkovsky

     O próximo passo na parte teórica da astronáutica foi dado pelo professor e cientista russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Caso se lembrem (se é que alguém lê este blog), já falei brevemente dele no post sobre Selos Postais que homenageiam grandes Equações Matemáticas. Nascido em Izhevskoye, no território do Império Russo, no ano de 1857, Tsiolkovsky foi um pioneiro no estudo dos foguetes e cosmonáutica (não há diferença entre a cosmonáutica e astronáutica, apenas os russos adotaram o primeiro termo e os EUA adotaram o segundo). Durante a infância, Konstantin sofreu um infecção no ouvido reduzindo suas capacidades auditivas. Não sendo aceito nas escolas primárias por esse problema auditivo, ele recebeu educação em casa até os 16 anos. Quase surdo, trabalhou como professor de matemática do ensino secundário até a reforma em 1920. Tsiolkovsky estabeleceu as fundações teórica para muitos aspectos da propulsão de foguetes e viagem espacial. Em 1903 publicou o primeiro estudo acadêmico sobre foguetes, chamado "A exploração do espaço cósmico por meio de dispositivos de reação", baseando-se na Terceira Lei de Newton, conhecida como Lei da Ação e Reação. Ele também foi o primeiro a calcular que a velocidade de escape (velocidade necessária para escapar da gravidade da Terra) para a órbita era de 8 km/s e para atingir essa era necessário um foguete de múltiplo estágios utilizando oxigênio líquido e hidrogênio líquido como propelentes. Durante vida ele publicou mais de 500 obras, sobre viagens espaciais e histórias de ficção científica. Tsiolkovsky também estudou sobre aviação, efetuando independentemente muitos dos cálculos que Santos Dummont efetuou na mesma época, porém ele nunca construiu modelos práticos. Ele foi um grande teórico, porém suas idéias permaneceram desconhecidas fora da rússia por um tempo. Com sua famosa equação de foguetes tornou-se possível calcular a velocidade final do foguete v em função da massa final do foguete m0 (sem propelente), sobre sua massa inicial m1 (foguete + propelente) e a velocidade de exaustão do propelente ve:

Goddard e seu foguete de 1926

     Agora que já se tinha a base teórica para os foguetes modernos, o próximo passo seria dado no campo prático. E quem deu esse passo foi um seguidor de Tsiolkovsky, o físico experimental Robert Goddard, nascido em 1882. Quando criança ficou fascinado pelo foguetes e efeitos pirotécnicos em festas, e desde então ficou imaginando como se poderia aproveitar aquela energia para por objetos a voar. Goddard estudou no Instituto Politécnico de Worcester e na Clark University, onde se especializou em física. Seus estudos sobre foguetes o levou a provar que eles poderiam viajar no vácuo, recorrendo às leis da ação e reação. Em 1919 publicou um livro chamado "Um Método para alcançar Altitudes Extremas" onde descrevia um foguete capaz a alcançar a lua. Quatro anos depois iniciou os primeiros testes de motores de foguetes usando combustível líquido. Em 1926 lançou o primeiro foguete usando como combustível uma mistura de petróleo e oxigênio líquido. Esse teste foi realizado no quintal de uma tia de Goddard, e o foguete atingiu uma altura de 12,5 metros. O voo durou 2,5 segundos e caiu a uma distância de 56 metros em cima de uma barraca abandonada. Em seus próximos foguetes ele foi aperfeiçoando as técnicas de propulsão e estabilidade, além de adicionar instrumentos como barômetro, termômetro e câmera de filmar. Entre 1930 e 1942, Goddard trabalhou em Roswell, no estado do Novo México. Durante esse período ele registrou 200 patentes sobre engenharia de foguetes. Ao final dessa época seus foguetes já tinham evoluídos a tal ponto que atingiam a velocidade de 885 K/h e 2 quilômetros de altura. Os foguetes de Goddard eram pequenos em comparação aos modernos, mas já tinham todos os princípios dos foguetes modernos, como orientação por giroscópio.
     Bom, saindo um pouco da parte histórica, quero falar um pouco da prática. O princípio básico do funcionamento de foguetes é a Propulsão, que é o movimento criado a partir da força que dá o impulso, seguindo o princípio da Lei da Ação e Reação. Como propulsão, os motores baseiam-se em uma reação química de combustão rápida, mas não explosiva, com alto desenvolvimento de alto volume de gases de combustão. Como vimos no início, primeiramente foi usado combustível sólido, mas depois perceberam que o combustível líquido era mais eficiente, embora atualmente ainda se usa combustível sólido para alguns casos. Na figura à esquerda, o aspecto básico de um motor mostrando a progressão de queima do combustível com o tempo. Na direita a Câmara de Combustão, que contém o combustível, e na esquerda a Tubeira, corpo convergente-divergente que canaliza os gases para a saída. O princípio de funcionamento baseia-se na liberação dos gases, que darão uma alta pressão na câmara de combustão, saindo depois pela tubeira em alta velocidade. A tubeira é uma parte essencial, desenhada de modo que o escoamento de gases para o exterior provoque o maior impulso possível. O escape dos gases provoca, por ação/reação, uma força sentido contrário ao escoamento, e é essa força F que é responsável pelo movimento do foguete.
     Embora trabalho Goddard não tivesse sido imediatamente reconhecido nos Estados Unidos, os alemães aproveitaram suas pesquisas para dar o próximo passo, e desenvolveram as primeiras armas baseadas na engenharia de foguetes: os terríveis mísseis V-2. A paritr daí essa corrida começa a ficar cada vez mais maneira, mas irei deixar para contar na segunda parte do post.