Como funciona um lançamento de foguete

O princípio básico: ação e reação

Um foguete se move porque expulsa massa em alta velocidade para trás. Esse é o princípio de ação e reação descrito por Isaac Newton: ao lançar gases quentes pelo bocal, o motor recebe uma força em sentido contrário, o empuxo. Diferentemente de um avião a hélice ou a jato, o foguete carrega consigo tanto o combustível quanto o oxidante, e por isso funciona no vácuo, onde não há ar para ser aproveitado.

Para sair do chão, o empuxo precisa superar o peso do veículo inteiro, incluindo o propelente que ainda não foi queimado. É por isso que os lançadores parecem subir devagar nos primeiros segundos e depois aceleram: à medida que o combustível é consumido, a massa diminui e a mesma força produz aceleração cada vez maior.

Chegar ao espaço, porém, não é o mesmo que ficar em órbita. Subir a algumas dezenas de quilômetros de altitude pode ser feito com trajetória quase vertical. Permanecer em órbita exige velocidade horizontal muito alta. A NASA informa, por exemplo, que a Estação Espacial Internacional viaja a cerca de cinco milhas por segundo, o que equivale a aproximadamente oito quilômetros por segundo. A maior parte da energia de um lançamento é gasta para atingir essa velocidade lateral, não apenas para ganhar altura.

Por que os foguetes têm estágios

Quase todos os lançadores orbitais são divididos em estágios. Cada estágio é um conjunto de tanques e motores que, depois de esgotado, é descartado. Ao se livrar do peso do tanque vazio, o restante do foguete precisa acelerar menos massa e alcança velocidades maiores com a mesma quantidade de propelente restante.

Um exemplo documentado pela NASA é o Sistema de Lançamento Espacial, o SLS, usado na missão Artemis I. A configuração combina um estágio central com quatro motores RS-25 e dois propulsores laterais de combustível sólido. O estágio central tem cerca de 64,6 metros de comprimento, o que o torna o estágio de foguete mais alto da NASA, e carrega hidrogênio e oxigênio líquidos em tanques com capacidade declarada de 537 mil galões e 196 mil galões, respectivamente.

Na sequência de voo da Artemis I, os propulsores sólidos foram ejetados logo no início da subida, e o estágio central seguiu queimando até cerca de oito minutos após a decolagem. Segundo a NASA, o estágio central funciona por aproximadamente 500 segundos antes de o estágio superior se separar. Aproximadamente um minuto depois da separação dos propulsores, estava previsto o descarte da carenagem do módulo de serviço e do sistema de escape de emergência da cápsula Orion, estruturas que deixam de ser necessárias quando a atmosfera mais densa já ficou para trás.

Essa divisão em fases explica a aparência de um lançamento transmitido ao vivo: eventos discretos, como separação de propulsores, corte do motor principal e ejeção da carenagem, cada um com hora prevista no plano de voo. A NASA divulga esses marcos de antemão para que o público acompanhe o que está acontecendo.

Propelentes: sólidos e líquidos

Existem duas grandes famílias de propelente. Nos motores de combustível sólido, o propelente já vem moldado dentro da carcaça e, depois de aceso, queima até acabar, sem possibilidade simples de desligamento. Eles entregam empuxo muito alto e são úteis como propulsores auxiliares na decolagem. É esse o papel dos dois propulsores laterais do SLS.

Nos motores de combustível líquido, combustível e oxidante ficam em tanques separados e são bombeados para a câmara de combustão. Isso permite controlar o empuxo, desligar e, em alguns projetos, religar o motor. O estágio central do SLS usa hidrogênio líquido como combustível e oxigênio líquido como oxidante, combinação que precisa de armazenamento criogênico, isto é, em temperaturas extremamente baixas.

Escolher entre um tipo e outro é uma decisão de engenharia que envolve desempenho, custo, complexidade e segurança. Muitos lançadores reais combinam ambos, como acontece no SLS.

Onde lançar: a importância da latitude

A localização da base de lançamento faz diferença. A Terra gira de oeste para leste, e um foguete lançado para leste herda parte dessa velocidade de rotação. A ESA explica que o Porto Espacial Europeu, em Kourou, na Guiana Francesa, está a 5 graus e 3 minutos de latitude, muito perto do equador, e que os lançadores aproveitam o efeito de estilingue da rotação terrestre, que acrescenta cerca de 460 metros por segundo à velocidade do veículo.

A mesma página da ESA registra que o governo francês escolheu Kourou em 1964, entre outros catorze locais, como base para lançar seus satélites, e que a instalação passou a ser compartilhada com a ESA quando esta foi criada, em 1975. A proximidade do equador também facilita missões para a órbita de transferência geoestacionária, pois pouca correção de trajetória é necessária depois do lançamento. Além disso, a região é pouco povoada, o que contribui para a segurança das operações.

O Brasil tem um argumento geográfico semelhante. Segundo a Agência Espacial Brasileira, o Centro de Lançamento de Alcântara, no Maranhão, fica a 2 graus e 18 minutos ao sul do equador, posição que a agência descreve como estratégica e privilegiada. O Programa Espacial Brasileiro é tratado em outro guia deste site.

Do lançamento à órbita: as etapas do voo

Um voo típico tem uma sequência reconhecível. Primeiro vem a decolagem, com o empuxo total dos motores. Depois, o veículo inclina gradualmente a trajetória para leste, trocando altura por velocidade horizontal. Em algum momento os propulsores auxiliares terminam e são descartados. O estágio principal segue até esgotar o propelente, separa-se, e o estágio superior assume para completar a inserção em órbita.

Quando o objetivo é uma órbita geoestacionária, o caminho costuma ser indireto. A NASA descreve que, para chegar a essa órbita, a espaçonave é lançada primeiro para uma órbita elíptica cujo ponto mais distante fica em torno de 37 mil quilômetros de altitude. Depois, um motor da própria carga ou do estágio superior é aceso nesse ponto para tornar a órbita circular. Essa etapa intermediária é chamada de órbita de transferência geoestacionária.

Se o destino é outro corpo do Sistema Solar, o estágio superior ou um motor da própria sonda acelera o conjunto a ponto de ele deixar a órbita terrestre e seguir uma trajetória interplanetária. Esse tema aparece em detalhes nos guias sobre órbitas e sobre sondas planetárias.

Capacidade de carga e o que ela significa

Todo lançador é caracterizado pela massa que consegue levar a determinado destino. A NASA informa que a configuração Block 1 do SLS pode enviar mais de 27 toneladas métricas para órbitas além da Lua. Esse tipo de número só faz sentido junto com o destino: o mesmo foguete leva muito mais massa para uma órbita baixa do que para uma trajetória lunar, e menos ainda para um planeta distante.

A capacidade depende do equilíbrio entre o empuxo, a eficiência dos motores, a massa dos tanques e da estrutura e do local de lançamento. Reduzir a massa vazia do veículo tem efeito multiplicador, pois cada quilograma economizado pode virar um quilograma a mais de carga útil.

Segurança e o que pode dar errado

Lançar foguetes é uma atividade de risco. Os combustíveis são energéticos, a estrutura opera perto dos seus limites e o veículo atravessa a atmosfera em alta velocidade. Por isso, as bases são instaladas em áreas de baixa densidade populacional, como destaca a ESA sobre a Guiana Francesa, e cada voo tem zonas de segurança e critérios de interrupção.

A cápsula tripulada Orion, por exemplo, conta com um sistema de escape de emergência montado no topo, que permanece acoplado durante a fase inicial da subida e é ejetado depois que o risco de falha mais grave já passou, como mostra a sequência de eventos divulgada pela NASA para a Artemis I. Esse tipo de sistema existe para proteger a tripulação caso o foguete apresente problema logo após a decolagem.

Acidentes marcaram a história espacial, inclusive a brasileira. Em 22 de agosto de 2003, três dias antes da data prevista para um lançamento no Centro de Lançamento de Alcântara, um acidente com o Veículo Lançador de Satélites causou a morte de 21 pessoas, segundo a Agência Espacial Brasileira, que o classifica como o maior acidente da história do programa espacial do país.

Para acompanhar um lançamento

Ao assistir a uma transmissão, vale prestar atenção em alguns elementos. A contagem regressiva costuma incluir pausas programadas para verificações. A janela de lançamento é o período em que a missão pode decolar para atingir o destino desejado, e ela é determinada pela posição da Terra, da órbita ou do alvo no espaço. Depois da decolagem, os marcos seguem a ordem descrita acima, com hora e altitude atualizadas no vídeo.

Vale lembrar também que a data anunciada para o lançamento é sempre a data planejada. Condições meteorológicas, problemas técnicos e questões de segurança podem adiar a decolagem, e as agências divulgam as atualizações em seus canais oficiais. Para o histórico de lançamentos que mudaram a exploração espacial, veja os eventos relacionados na linha do tempo do site.