thumb|300px|Diagrama simplificado do combustível líquido do foguete. 1. Combustível do foguete . 2. Oxidante. 3. As bombas transportam o combustível e o oxidante. 4. A Câmara de combustão mistura e queima os dois líquidos. 5. O escapamento quente é sufocado pela garganta, o que, entre outras coisas, determina a quantidade de impulso produzido. 6. O escape sai do foguete.
Um foguete com propelente líquido ou um foguete líquido utiliza um motor com propelente líquido. Os líquidos são desejáveis porque possuem uma densidade razoavelmente alta e um impulso específico alto (Isp). Isso permite que o volume dos tanques de propelente seja relativamente baixo. Também é possível usar centrífugas leves para bombear o propelente dos tanques para a câmara de combustão, o que significa que os propelentes podem ser mantidos sob baixa pressão. Isso permite o uso de tanques de propulsão de baixa massa, resultando em uma alta razão de massa para o foguete.
Às vezes, um gás inerte armazenado em um tanque em alta pressão é usado em vez de bombas em pequenos motores mais simples para forçar os propelentes para a câmara de combustão. Esses motores podem ter uma taxa de massa mais baixa, mas geralmente são mais confiáveis e, portanto, são amplamente utilizados em satélites para manutenção em órbita.
Foguetes líquidos podem ser foguetes monopropelentes usando um único tipo de propelente, ou foguetes bipropelentes usando dois tipos. Foguete tripropulsor usando três tipos de propelentes são raros. Alguns projetos são throttleable para operação de empuxo variável e alguns podem ser reiniciados após um desligamento anterior no espaço. Propelentes líquidos também são usados em foguetes híbridos, com algumas das vantagens de um foguete sólido.
História A ideia do foguete líquido, como é conhecido no contexto moderno, primeiro aparece no livro “The Exploration of Cosmic Space by Means of Reaction Devices” (A exploração do espaço cósmico pelos meios de dispositivos de reação) pelo professor Konstantin Tsiolkovsky. Esse tratado influente na Astronáutica foi publicado em maio de 1903, mas não foi distribuído fora da Rússia até anos depois, e os cientistas russos prestaram pouca atenção a isso.
O primeiro voo do foguete de propelente líquido aconteceu em 16 de março, 1926 em Auburn, Massachusetts, quando o professor americano Dr. Robert H. Goddard lançou um veículo usando oxigênio líquido e gasolina como propelente. O foguete, que foi denominado “Nell”, subiu apenas 41 pés durante 2.5 segundos de voo que caiu em um campo de repolho, mas foi importante para uma demonstração que foguete de propelente líquido era uma possibilidade. Goddard propôs propelente líquido 15 anos antes e começou a experimentar com eles em 1921. O alemão-romeno Hermann Oberth publicou um livro em 1922 sugerindo o uso de propelente líquido.
Na Alemanha, engenheiros e cientistas começaram a ficar encantados com os foguetes de propelente líquido, construíram e testaram eles no início dos anos 1930, em um campo perto de Berlim. Esse grupo amador, os VfR, incluíram Wernher von Braun, que se tornou o chefe da estação de pesquisa do exército que projetou os foguetes V-2 para os nazistas.
No final da década de 1930, o uso do foguete propulsor para voo tripulado começou a ser seriamente experimentado, como o Heinkel He 176 alemão fez o primeiro voo tripulado com foguete usando um motor de foguete a combustível líquido, projetado pelo engenheiro aeronáutico alemão Hellmuth Walter em 20 de junho de 1939. A única aeronave de combate movida a foguete produzida que já se utilizou no serviço militar, o Me 163 Komet em 1944-45, também usou um motor de foguete a combustível projetado por Walter, o Walter HWK 109-509, que produziu até 1.700 kgf (16,7 kN) impulso à potência máxima.
Depois da Segunda Guerra Mundial, o governo Americano e sua administração militar começaram considerar, seriamente, foguetes de propelente líquido como armas e foi iniciado o investimento neles. A União Soviética fez o mesmo, e assim começou a corrida espacial.
Tipos Foguetes de combustíveis líquidos foram construídos como um foguete monopropulsor utilizando um único tipo de propelente, um foguete bipropulsor utilizando dois tipos de propelente, ou os mais exóticos foguetes tripropulsores, utilizando três tipos de propelente. Os foguetes bipropelentes líquidos ou bipropulsores geralmente usam um combustível líquido, como hidrogênio líquido ou um hidrocarboneto como RP-1, e um liquido oxidante, como oxigênio líquido. O motor pode ser um motor de foguete criogênico no qual o combustível e o oxidante, como o hidrogênio e o oxigênio, são gases os quais foram liquefeitos a uma temperatura muita baixa.
Foguetes com propulsor líquido podem ser acelerados (impulso variado) em tempo real, e ter controle da proporção da mistura (proporção na qual o oxidante e o combustível são misturados); eles também podem ser desligados e, com um sistema de ignição adequado ou propulsor auto-inflamável, reiniciados.
Foguete de combustível híbrido aplica um oxidante líquido ou gasoso a um combustível sólido.
Princípios de operação Todos os motores de foguete líquido possuem tanque e tubos para armazenar e transferir propelente, um sistema injetor, uma câmara de combustão que é tipicamente cilíndrica e uma (às vezes duas ou mais) tubeira. Os sistemas líquidos permitem maior impulso específico do que os motores de foguetes sólidos e híbridos e podem fornecer uma eficiência de tanque muito alta.
Diferentemente dos gases, um propulsor líquido típico tem uma densidade semelhante à da água, aproximadamente 0,7–1,4g / cm³ (exceto hidrogênio líquido que possui uma densidade muito menor)], enquanto exige apenas relativamente modesta pressão para impedir a vaporização. Essa combinação de densidade e baixa pressão permite uma tanque muito leve; aproximadamente 1% do conteúdo para propelentes densos e cerca de 10% para hidrogênio líquido (devido a sua baixa densidade e a massa do isolamento necessário).
Para injeção na câmara de combustão, a pressão do propulsor nos injetores precisa ser maior que a pressão da câmara; isso pode ser alcançado com uma bomba. As bombas adequadas geralmente usam bombas centrífugas (Turbobombas) devido à sua alta potência e peso leve, embora outras tenham sido empregadas no passado. As turbobombas geralmente são extremamente leves e podem oferecer excelente desempenho; com um peso na Terra bem abaixo de 1% do impulso. De fato, no motor de foguete a taxa empuxo / peso, incluindo uma turbobomba, chegou a 155: 1 com o motor de foguete SpaceX Merlin 1D e até 180: 1 com a versão a vácuo
Como alternativa, em vez de bombas, um tanque pesado de gás inerte de alta pressão, como o hélio, pode ser usado; mas o delta-v que o estágio pode atingir geralmente é muito menor devido à massa extra do tanque, reduzindo o desempenho; mas para alta altitude ou vácuo, a massa da tanque pode ser aceitável.
Os principais componentes de um motor de foguete são, portanto, a câmara de combustão (câmara de impulso), ignitor pirotécnico, sistema de alimentação do propelente, válvulas, reguladores, tanques de propulsão e as tubeiras. Em termos de alimentação de propelente para a câmara de combustão, os motores de propulsão líquida são alimentados por pressão ou alimentados por bomba e esses motores alimentados por bomba trabalham em um ciclo de gerador de gás, um ciclo de combustão em estágios ou um ciclo expansor.
Um motor de foguete líquido pode ser testado antes do uso, enquanto que para um motor de foguete sólido, uma rigorosa gestão da qualidade deve ser aplicada durante a fabricação para garantir alta confiabilidade.NASA:Liquid rocket engines, 1998, Purdue University Um motor de foguete líquido também pode geralmente ser reutilizado em vários vôos, como em Space Shuttle e Foguetes da série Falcon 9.
O uso de propelentes líquidos pode estar associado a vários problemas:
Como o propelente é uma proporção muito grande da massa do veículo, o centro de massa muda significativamente para trás à medida que o propelente é usado; normalmente, perderá o controle do veículo se sua massa central se aproximar demais do centro de arrasto. Quando operado em uma atmosfera, a pressurização dos tanques propulsores de paredes muito finas geralmente deve garantir sempre pressão manométrica positiva para evitar colapso catastrófico do tanque. Os propulsores líquidos estão sujeitos a slosh, que freqüentemente leva à perda de controle do veículo. Isso pode ser controlado com defletores de escória nos tanques, bem como leis de controle criteriosas no sistema de orientação. Eles podem sofrer de pogo oscillation onde o foguete sofre ciclos não comandados de aceleração. Os propulsores líquidos geralmente precisam de ullage motors quando em gravidade zero ou durante a preparação para evitar a entrada de gás nos motores na partida. Eles também estão sujeitos a vórtice dentro do tanque, principalmente no final da queima, o que também pode resultar na sucção de gás no motor ou na bomba. Os propulsores líquidos podem vazar, especialmente hidrogênio, possivelmente levando à formação de uma mistura explosiva. Turbopumps para bombear propelentes líquidos é complexo no design e pode sofrer falhas sérias, como velocidade excessiva se eles secarem ou derramar fragmentos em alta velocidade se partículas de metal do processo de fabricação entrarem na bomba. Propelentes criogênicos, como oxigênio líquido, congela o vapor de água atmosférico. Isso pode danificar ou bloquear as vedações e válvulas e pode causar vazamentos e outras falhas. Evitar esse problema geralmente requer procedimentos prolongados de "desaquecimento", que tentam remover o máximo de vapor possível do sistema. O gelo também pode se formar na parte externa do tanque e, mais tarde, cair e danificar o veículo. O isolamento externo da espuma pode causar problemas, como mostra o desastre do Space Shuttle Columbia. Propelentes não criogênicos não causam tais problemas. Propelentes líquidos são não armazenáveis e requerem uma preparação considerável imediatamente antes do lançamento. Isso os torna menos práticos do que os foguetes sólidos para a maioria dos sistemas de armas.
Propelentes Inúmeras combinações entre combustíveis e oxidantes vêm sendo testadas ao longo dos anos. Entre os mais comuns e práticos, temos :
Criogênicos • Oxigênio líquido (LO2) e hidrogênio líquido (H2)
- Motores principais do Ônibus Espacial, palco principal do Ariane 5 e segundo estágio do Ariane 5 ECA, BE-3 do New Shepard da Blue Origin, o primeiro e o segundo estágio do Delta IV, os estágios superiores do Ares I, segundo e terceiro estágios de Saturno V, Saturno IB e Saturno I, bem como o estágio de foguete Centaur, o primeiro estágio e o segundo estágio do H-II, H-IIA, H- IIB e o estágio superior do GSLV Mk-II e GSLV Mk-III. As principais vantagens dessa mistura é uma combustão limpa, pois o único produto formado é vapor de água(H2O), e o seu alto desempenho.
• Oxigênio líquido (LOX) e metano líquido (CH4, gás natural liquefeito, GNL)
- Motores Raptor em desenvolvimento, da SpaceX, e BE-4, da Blue Origin.
Apesar de ser uma das misturas mias eficientes, oxigênio e hidrogênio, sofre com as temperaturas extremamente baixas necessárias para armazenar o hidrogênio líquido (em torno de 20 K ou -253,2 ° C ou -423,7 ° F) e com a densidade do combustível ser muito baixa, exigindo, assim, tanques grandes que também devem ser leves e isolantes. O leve isolamento de espuma no tanque externo do Ônibus Espacial levou à destruição do Ônibus Espacial Columbia, quando uma peça se soltou, danificou sua asa e causou sua quebra na reentrada na atmosfera.