miniatura|upright=0.85|alt=Motor de foguete em teste, com gases saindo da tubeira.|Motor principal de um ônibus espacial durante um teste no Centro Espacial Stennis.
Propelente, também chamado de propulsante, é uma substância que é expelida ou se expande de modo a produzir empuxo ou outra força motriz, impulsionando um veículo, um projétil ou uma carga fluida. Na propulsão por reação, constitui a massa de reação acelerada pelo sistema, cujo funcionamento é descrito pela terceira lei de Newton. Nos veículos, o motor que expele o propelente é chamado de motor de reação. Nos motores de foguete químicos, os propelentes também fornecem a energia necessária à sua expulsão. Nos sistemas que empregam combustão, o termo abrange o combustível e o oxidante, que podem ser armazenados separadamente ou reunidos em uma formulação. Isso não significa que propelente e combustível sejam sinônimos: o combustível fornece energia, enquanto o propelente constitui o material expelido. Um combustível pode, portanto, fornecer energia e participar da massa de reação, sem que as duas funções se confundam.
Veículos podem se deslocar expelindo propelente para trás, o que produz uma força de reação no sentido oposto. No lançamento de projéteis, gases em expansão fornecem a força necessária para colocá-los em movimento. Embalagens de aerossol utilizam fluidos pressurizados. Quando a válvula é aberta, a pressão força o produto para fora do recipiente. Um fluido comprimido também pode servir como propelente de um veículo simples, utilizando a energia armazenada durante a compressão para sua própria expulsão. Essa energia foi anteriormente fornecida ao sistema, como ocorre no armazenamento de ar comprimido. O gás pressurizado pode realizar trabalho ao se expandir. A compressão pode aquecer o gás, e parte da energia pode ser perdida para o ambiente como calor. Nem toda a energia fornecida é recuperável. O fluido comprimido também pode fornecer energia para expelir outra substância: em um foguete a água, por exemplo, o ar comprimido armazena a energia, enquanto a água funciona como propelente.
Na propulsão elétrica de veículos espaciais, a eletricidade é utilizada para acelerar o propelente. A força eletrostática pode acelerar íons positivos, enquanto a força de Lorentz atua sobre partículas eletricamente carregadas e pode acelerar um plasma. Os motores eletrotérmicos convertem energia elétrica em calor para aquecer gases de baixa massa molar, como hidrogênio, hélio ou amônia, antes de expeli-los. Conforme o tipo de motor, o aquecimento pode ou não produzir um plasma. Em um propulsor resistojato, o propelente é aquecido por resistência elétrica antes da expansão, aumentando a velocidade de exaustão e o impulso específico em relação à expansão sem esse aquecimento.
Em foguetes químicos e aeronaves a jato, combustíveis são usados para produzir gases quentes que podem ser direcionados por uma tubeira, gerando empuxo. Nos foguetes, a reação dos propelentes químicos produz material de exaustão, geralmente expelido sob pressão pela tubeira. Nos motores químicos, a exaustão é formada por gases quentes, que podem transportar gotículas ou partículas sólidas. Considerando também outros sistemas de propulsão, o material expelido pode ser gasoso, líquido, sólido ou um plasma. Nos aviões a jato que utilizam o ar atmosférico, a massa expelida inclui os produtos da combustão e o ar que não participou da reação. Em funcionamento estável, a massa total expelida em um dado intervalo é a soma das massas de ar admitido e de combustível consumido nesse intervalo.
Os foguetes fotônicos propostos utilizariam o momento dos fótons para produzir empuxo. Embora não tenham massa de repouso, os fótons transportam energia e momento e, por extensão, podem desempenhar o papel de agente propulsor. Como se deslocam à velocidade da luz no vácuo, sua contribuição deve ser descrita pela mecânica relativista e pela conservação do momento, e não apenas pela formulação newtoniana para partículas materiais.
Nos foguetes químicos, as reações liberam energia química, que é convertida em energia térmica e em movimento do fluido, permitindo expelir os produtos da reação e, por vezes, outras substâncias como propelente. Em um motor simples de hidrogênio e oxigênio, por exemplo, o hidrogênio é oxidado para formar H2O, e a energia liberada permite expelir gases quentes que incluem vapor de água, produzindo empuxo. Algumas formulações incluem combustíveis metálicos, como o alumínio, que contribuem para a energia liberada e passam a integrar a massa dos produtos expelidos.
O propelente também pode ser expelido pela expansão de gás pressurizado, sem combustão. Os propulsores de gás frio são usados para produzir pequenas variações de velocidade em veículos espaciais, geralmente em manobras de controle.
Para obter uma densidade adequada ao armazenamento, a maioria dos propelentes químicos é armazenada no estado sólido ou líquido.
Propelentes para veículos
miniatura|upright=0.8|alt=Foguete feito com garrafas plásticas subindo enquanto expele água.|Lançamento de um foguete a água. O ar comprimido fornece energia para expelir a água, que é o propelente.
Um propelente de foguete é uma massa de reação expelida de um veículo, como um foguete, de maneira a produzir empuxo, de acordo com a terceira lei de Newton, e impulsioná-lo. O motor que expele o propelente é chamado de motor de reação. Nos motores de foguete químicos, os propelentes fornecem a massa de reação e a energia liberada para acelerá-la. Nos sistemas que empregam combustão, esse conjunto abrange o combustível e o oxidante. O termo "propelente" não é, portanto, sinônimo de combustível.
Na propulsão elétrica espacial, a eletricidade acelera o propelente. A força eletrostática pode acelerar íons positivos, enquanto a força de Lorentz atua sobre as partículas carregadas de um plasma. Os motores eletrotérmicos utilizam energia elétrica para aquecer gases de baixa massa molar, como hidrogênio, hélio ou amônia, que são posteriormente expelidos. A formação de plasma depende do tipo de motor. Em um propulsor resistojato, o propelente comprimido recebe calor por resistência elétrica antes de ser expelido, aumentando a velocidade de exaustão e o impulso específico em relação à expansão sem aquecimento.
Em foguetes químicos e aeronaves a jato, combustíveis produzem gases quentes que podem ser direcionados por uma tubeira, gerando empuxo. Nos foguetes, a reação dos propelentes produz o material de exaustão, geralmente expelido sob pressão. Nos motores químicos, a exaustão consiste em gases quentes, por vezes acompanhados de gotículas ou partículas sólidas. Em outros sistemas de propulsão também podem ser expelidos um líquido, um plasma ou partículas de um sólido, além de um gás. Nos aviões a jato que aspiram ar atmosférico, a massa expelida inclui os produtos da combustão e o ar que não participou da reação. Em funcionamento estável, a massa expelida em um dado intervalo corresponde à soma das massas de ar admitido e de combustível consumido.
O propelente também pode ser simplesmente um fluido comprimido, cuja energia armazenada é utilizada para sua própria expulsão. Essa energia foi adicionada ao sistema durante a compressão, como no armazenamento de ar comprimido. Parte da energia fornecida pode ser recuperada na expansão, mas o aquecimento do gás durante a compressão pode resultar em perdas de calor para o ambiente. Um fluido comprimido também pode apenas armazenar a energia usada para expelir outra substância, como em um foguete a água, no qual o ar comprimido fornece energia e a água é o propelente.
Os foguetes fotônicos propostos utilizariam o momento dos fótons para gerar empuxo. Embora não tenham massa de repouso, os fótons transportam energia e momento. Nesse caso, o funcionamento deve ser descrito pela mecânica relativista e pela conservação do momento, em vez de se aplicar somente a formulação newtoniana para partículas materiais.
Nos foguetes químicos, as reações liberam energia química, que aquece e põe em movimento um fluido, permitindo expelir os produtos dessas reações e, em alguns casos, outras substâncias. Em um motor simples de hidrogênio e oxigênio, o hidrogênio é oxidado para formar H2O. A energia da reação é utilizada para expelir gases quentes que incluem vapor de água e produzir empuxo. Certas formulações incluem combustíveis metálicos, como o alumínio, que contribuem para a energia liberada e para a massa dos produtos expelidos.
O propelente de um foguete também pode ser expelido por uma tubeira como gás frio, sem combustão, para produzir pequenas variações de velocidade por meio de propulsores de gás frio, geralmente empregados em manobras.
Para obter uma densidade adequada ao armazenamento, os propelentes químicos são geralmente armazenados como sólidos ou líquidos.
A energia fornecida por reações químicas pode ser utilizada para expelir materiais sólidos, líquidos ou gasosos. A energia elétrica permite expelir gases, plasmas, íons, partículas sólidas ou gotículas. Fótons também podem produzir empuxo por transportarem momento.
Desempenho e consumo de propelente
Em um motor de foguete, o impulso específico relaciona o empuxo ao consumo de propelente. Quando expresso em segundos, é dado por:
Nessa expressão, é o empuxo, é a vazão mássica do propelente, ou seja, a massa expelida por unidade de tempo e é a aceleração da gravidade padrão. Um impulso específico mais alto permite produzir mais impulso com a mesma massa de propelente. Isso não significa, por si só, que o motor produza um empuxo maior, pois o empuxo também depende da taxa de consumo.
A equação do foguete de Tsiolkovski relaciona a variação ideal de velocidade à massa consumida. Para uma velocidade efetiva de exaustão constante, sem perdas gravitacionais ou aerodinâmicas, pode ser escrita como:
As grandezas e são as massas totais do veículo antes e depois do consumo de propelente. A massa final inclui a estrutura, a carga útil e qualquer propelente restante. Para um mesmo impulso específico, uma variação de velocidade maior exige uma razão maior entre as massas inicial e final.
Propulsão química Propelentes sólidos
miniatura|upright=1.1|alt=Corte esquemático de um foguete com grão de propelente sólido e canal central.|Esquema de um motor de propelente sólido. O grão é indicado por 1, o dispositivo de ignição por 2 e a câmara de combustão por 3. Os gases passam pela garganta da tubeira, 4, e são expelidos, 5.
Entre as formulações de propelentes sólidos estão: Propelentes compósitos, feitos com um oxidante sólido, como perclorato de amônio ou nitrato de amônio, uma borracha sintética, como HTPB, PBAN ou poliuretano, e, geralmente, um metal combustível em pó, como alumínio. Polímeros energéticos, como nitrato de poliglicidila ou nitrato de polivinila, e componentes explosivos, como RDX ou nitroglicerina, também podem ser empregados para aumentar a energia disponível. Alguns propelentes utilizados no foguetismo amador empregam nitrato de potássio combinado com açúcar, epóxi ou outros combustíveis e compostos aglutinantes. O perclorato de potássio também foi utilizado como oxidante em combinação com asfalto, epóxi e outros aglutinantes.
Os motores convencionais de propelente sólido são projetados para que o material queime de forma controlada, e não para que detone durante o funcionamento. Também existem pesquisas com motores de detonação por pulsos. Compostos à base de bishomocubano foram investigados como materiais energéticos com possível aplicação em propelentes sólidos e líquidos.
Grãos