EspaçoModelismo

O Espaçomodelismo, também conhecido como Model Rocketry ou simplesmente Rocketry, pode ser considerado um hobby, um esporte, um passatempo ou uma ferramenta educacional. Na verdade, agrega um pouco de cada um destes aspectos e a sua prática abrange as mais diversas áreas da ciência e tecnologia modernas. É uma atividade segura, fácil e financeiramente acessível que conta atualmente com milhões de praticantes espalhados pelos Estados Unidos, Canadá, Grã-Bretanha, Austrália, Holanda, Alemanha, Espanha, Suíça, Polônia, Bulgária, Romênia, Iugoslávia e Rússia.
O Espaçomodelismo surgiu nos Estados Unidos em 1957 como resultado da combinação das já conhecidas técnicas de aeromodelismo, da antiga arte da pirotecnia e da moderna tecnologia de foguetes . Embora todos estes elementos existissem separadamente há mais uma década, só então puderam ser combinadas com sucesso através da associação de duas pessoas com habilidades e conhecimentos singulares, Stine e Carlisle.

A Origem do Espaçomodelismo

Os espaçomodelos e, talvez mais importante do que isso, os motores foguete para modelos, foram desenvolvidos em 1954 por Orville Carlisle, um experiente pirotécnico, e seu irmão Robert, um aeromodelista. Eles originalmente projetaram foguetes e motores para ilustrar as palestras de Robert sobre os princípios do vôo propulsado por motor foguete. Foi nesta época que Orville leu artigos escritos por George Harry Stine na revista Mecânica Popular relatando os problemas de segurança experimentados por jovens tentando fabricar seus próprios motores foguete.
Durante o final da década de 50, muitas pessoas foram levadas pela idéia de viagens espaciais e tentaram construir seus próprios foguetes, da mesma forma como a tomada dos céus por aviões em décadas passadas havia estimulado em muitos o sonho de fabricar o seu próprio aeroplano.
Infelizmente, desenvolver e construir um foguete que funcionasse não era tão simples ou seguro quanto no caso de aviões. A maioria tentou construir seus modelos com a total ausência de partes metálicas e misturou perigosos produtos químicos para produzir propelentes. Os resultados foram desastrosos e a maior parte destes foguetes explodiu. A ocorrência de acidentes levou ao surgimento de alguns opositores que tentaram tornar a atividade ilegal, ou pelo menos, restringir a disponibilidade dos produtos químicos utilizados. Orville percebeu que seus projetos poderiam resolver estes problemas e enviou amostras de foguetes e motores para G. Harry Stine em janeiro de 1957. Stine, um engenheiro e oficial de segurança do campo de testes de mísseis de White Sands, testou o modelos e foi responsável pelo aperfeiçoamento final através da adição de elementos da tecnologia aeroespacial. Assim foi o início do Espaçomodelismo como conhecemos nos dias de hoje.O que torna um Espaçomodelo seguro.
O Espaçomodelismo é, e tem sido desde o início com Stine e Carlisle, um dos hobbies mais seguros disponíveis tanto para jovens quanto para adultos.

Um espaçomodelo é um modelo em escala reduzida de um veículo espacial com todas as características abaixo :

1. É confeccionado com papel, madeira balsa, plástico, papelão e outros materiais não-metálicos. Metais não serão utilizados como partes estruturais.

2. Pesa menos de 453g e carrega menos de 113g de propelente sólido.

3. Utiliza motores foguete com propelente sólido industrializado, pré-carregado, não-metálico, descartável, que será reposto a cada lançamento. Isto elimina os riscos de manusear produtos químicos perigosos.

4. O motor foguete de propelente sólido é acionado eletricamente e a uma distância mínima de 5 metros, utilizando uma fonte elétrica e um sistema de controle com dispositivos de segurança que evitem que a ignição do motor seja efetuada involuntariamente.

5. Contém um ou mais sistemas de recuperação que garantam seu retorno suave e seguro ao solo. Assim, o modelo poderá ser lançado repetidas vezes através da susbtituição do motor foguete e recolocação do dispositivo de recuperação.

Em 1957 Stine fundou a NAR - National Association of Rocketry, a associação norte-americana que congrega os espaçomodelistas, e uma de suas primeiras medidas foi elaborar e divulgar um Código de segurança relacionando todas as 14 normas a serem seguidas para a prática segura do Espaçomodelismo.

ESPAÇOMODELISMO

Espaçomodelo Típico

A figura a seguir apresenta a concepção de um espaçomodelo típico.

Na sua construção, apenas empregam-se materiais leves como o papelão (tubo), madeira balsa (aletas, seções de transição e ogivas) e plásticos (ogivas e seções diversas). Um mínimo de material metálico é permitido em cargas úteis (componentes eletrônicos, etc.) e outros dispositivos menores. A figura a seguir apresenta alguns espaçomodelos típicos.

O peso total de um espaçomodelo está restrito, pelas normas do NAR (National Association ofRocketry), a 1500 gramas. Todo o espaçomodelo deve, segundo normas de segurança do NAR (e por bom senso), possuir um sistema de recuperação, seja por pára-quedas, streamer (fita) ou outro meio que impeça o engenho de retornar ao solo em velocidade elevada.
A ejeção do pára-quedas ou streamer é realizada pirotecnicamente através de uma carga de ejeção existente no próprio propulsor. Quanto ao número de estágios, um espaçomodelo deve conter no máximo três, tendo em vista que o modelo pode facilmente mudar sua trajetória e não é difícil acontecer de o terceiro estágio seguir uma trajetória horizontal ou até mesmo descendente ainda na fase propulsora.

As alturas atingidas normalmente não ultrapassam os 1000 metros.

As fases de um vôo típico compreendem:

a) Fase propulsada;

b) Fase não propulsada ascendente, com geração de fumaça para permitir rastreio ótico e ao mesmo tempo a temporização pirotécnica para ativar a carga de ejeção do pára-quedas;

c) Fase de queda livre (a menor possível);

d) Ejeção do pára-quedas (ou qualquer outro dispositivo de recuperação), preferencialmente logo após o apogeu;

e) Fase descendente com sustentação, até o impacto.

Aplicações típicas de espaçomodelos

Sem dúvida, a aplicação mais nobre do espaçomodelo é com suporte educacional. Afinal, por

trás do lançamento de tais engenhos, estão envolvidos conceitos de física, química, matemática, eletricidade e até mesmo de eletrônica e arte industrial. Assim, aquelas teorias normalmente ensinadas na escola podem ser melhor compreendidas e assimiladas, através da prática do espaçomodelismo.

Os espaçomodelos são também empregados com finalidade puramente recreativa (principalmente nos EUA), para pesquisas educativas em escolas e universidade, fotografia aérea, em experimentos científicos profissionais e em atividades comerciais (filmes, artes industriais).

ASPECTOS CONSTRUTIVOS DO PROPULSOR DE ESPAÇOMODELO

Os propulsores a propelente sólido, empregados em espaçomodelo são, geralmente, construídos a partir de papel resistente, em várias camadas, que resulta em um tubo de alta resistência mecânica, durável, leve e relativamente barato. Para permitir máximo rendimento,

são dotados de uma tubeira moldada em material cerâmico.

Visando permitir a recuperação dos espaçomodelos, os propulsores são dotados de uma carga de ejeção de pára-quedas ou fita, cujo acionamento é controlado por uma carga pirotécnica temporizadora que tem a finalidade, também, de gerar fumaça para permitir o rastreamento ótico de ascenção do espaçomodelo. Por útimo, para contenção da carga de ejeção, existe uma camada de cerâmica prensada, que se desfaz pela pressurização ocorrida no momento da queima dessa carga.

A finalidade de cada componente do propulsor,durante o vôo do espaçomodelo, pode ser visualizado na figura anterior.

Existem propulsores denominados "booster", sem a carga temporizadora e de ejeção de pára-quedas, destinados a estágios inferiores de espaçomodelos multiestágio.

PROPELENTE DE ESPAÇOMODELOS

Propulsores de espaçomodelo empregam propelente sólido, geralmente a pólvora negra com formulação adequada a esta finalidade. Atualmente tem sido produzidos em diversos países ( EUA, Rússia e outros ) propulsores que empregam propelente do tipo composite, basicamente semelhante aos empregados nos "boosters" laterais dos ônibus espaciais ou do Sonda IV por exemplo, mas com formulações e propriedades compatíveis para o emprego em espaçomodelismo.

Os propulsores industrializados que empregam a pólvora negra ( repetimos: com formulação adequada a esta finalidade ) apresentam impulso específico entre 50 e 100 segundos ( quanto maior o impulso específico, mais energético é o propelente ) e os que utilizam propelente composite, da ordem de 180segundos. A título de ilustração, os propelentes composite de uso profissional apresentam impulso específico real entre 220 e 265 segundos. Os impulsos específicos apresentados pelos propelentes de espaçomodelos têm sido suficientes para atender aos requisitos do espaçomodelismo.

A quantidade de propelente que um espçomodelo pode carregar, através de um único ou váriospropulsores é de no máximo 125 gramas, segundo as normas internacionais de segurança existentes.

TIPO DO GRÃO PROPELENTE

A maioria dos propulsores de espaçomodelo à pólvora negra possui o grão ( a carga moldada de propelente ) cilíndrico, com uma puequena perfurção próxima à garganta da tubeira. Tal perfuração tem a finalidade de permitir que a área de queima de propelente, logo após a sua ignição, se propague na direção longitudinal e também radial, até atingir um máximo valor ( superior àquele da seção reta da porção cilíndrica do grão ) quando então é gerado um pico de empuxo, para assegurar máxima aceleração na fase inicial do vôo do espaçomodelo. Após atingir a máxima área de queima, quando termina a propagação radial, a combustão passa a ser essencialmente longitudinal e a área de queima aproximadamente constante e suficiente para manter o vôo do espaçomodelo, sem submetê-lo a velocidade excessiva. Por outro lado, tudo isso ocorre normalmente, um intervalo de aproximadamente um segundo ou menos, a exemplo do propulsor B6-4 da ESTES, que emprega unicamente pólvora negra como propelente.

Existem também propulsores com um perfil de empuxo um pouco diferente do anteriormente discutido, como é o caso do propulsor B8-5, que se caracteriza por apenas um pico de empuxo, sem fase de sustentação. Isto é conseguido através da maior profundidade da perfuração do grão, que proporciona áreas de queima inicial e máxima superiores. Como a quantidade de propelente é idêntica a do B6-4, aproximadamente 6 gramas, a consequência disto é um menor tempo de combustão e empuxos médio e máximo maiores.

FUNCIONAMENTO DO PROPULSOR

O funcionamento de um propulsor de espaçomodelo, dotado de carga de ejeção de páraquedas, inicia-se com a ignição do propelente, que é sempre realizada eletricamente. A tubeira tem a finalidade de proporcionar uma pressão de combustão adequada e fazer com que a velocidade de ejeção dos gases, resultantes da combustão, seja a maior possível.

Após o consumo de propelente, inicia-se a queima da carga temporizadora e de geração de fumaça.

Terminada a fase de temporização, ocorre a ignição ( por contato físico ) da carga de ejeção do pára-quedas.

Se por algum problema ( normalmente decorrente do acondicionamento e transporte inadequados ) houver uma superpressurização interna do propulsor, que é reportada como sendo muito rara para os motores homologados, as suas consequências poderão ser minimizadas por três processos, possíveis graças às suas características construtivas: a primeira consiste na ejeção da tubeira e consequentemente despressurização; a segunda seria a ejeção da tubeira e também das cargas temporizadora e de ejeção, essas últimas em sentido contrário à da tubeira, ou seja, pela parte dianteira; e a terceira é o rompimento do tubo, que por ser de papel não produz estilhaços como materiais metálicos ( nocaso extremo de ocorrer a expulsão da tubeira e das cargas existentes acima do grão propelente ).

Quanto aos aspectos de segurança e confiabilidade dos propulsores comerciais, as estatísticas são bastante favoráveis ( no catálogo da ESTES, estão registrados cerca de 300 milhões de propulsores comercializados em 30 anos de sua existência ).

CLASSIFICAÇÃO DOS PROPULSORES DE ESPAÇOMODELO

Os propulsores de espaçomodelo são classificados de acordo com seu impulso total, definindo como sendo o produto entre o empuxo médio desenvolvido pelo propulsor e o tempo de combustão efetivo.

Os códigos que especificam os propulsores são constituídos por uma letra e por dois números subsequentes ( Ex: B6-4 ). A letra indica a classe de impulso total, o primeiro número informa o empuxo médio, em Newton, e o último número indica o período de temporização, em segundos, até a ejeção do páraquedas ( quando o propulsor é do tipo "booster"não há carga temporizadora e nem de ejeção e portanto, o número correspondente é zero).

O máximo impulso total, permissível para um propulsor de espaçomodelo, de acordo com as regulamentações da NAR, é de 160 Newton-segundo [N.s], conforme podemos verificar na tabela seguinte.

SISTEMAS DE RECUPERAÇÃO DE ESPAÇOMODELOS

"Todo espaçomodelo deve possuir um sistema de recuperação que permita seu retorno suave ao solo" diz uma das regras de segurança da NAR para espaçomodelos e, por bom senso, não poderia ser diferente, ou seja : em espaçomodelismo, tudo que sobe deve retornar suavemente ao solo para não causar acidentes e permitir sua reutilização. Entretanto, o sistema de recuperação deve ser o mais simples, seguro e funcional possível.

Vamos detalhar a seguir aquele de uso mais consagrado entre aqueles que surgiram nestes mais de 30 anos de existência do espaçomodelismo.

Sistemas de Recuperação Existentes

O sistema de recuperação mais empregado em espaçomodelismo é o que emprega pára-quedasnormalmente confeccionado a partir de folha de plástico. Entretanto, quando a área livre para lançamento não for muito grande e para os dias de vento um pouco mais forte, o pára-quedas é substituído pelo "streamer" que nada mais é do que uma fita, a qual permite um retorno relativamente mais rápido e com menos vulnerabilidade ao vento lateral.

Em ambos os casos, a ejeção destes dispositivos é realizada pirotecnicamente, através da carga de ejeção já incorporada ao propulsor, que gera uma pressurização instantânea no interior do espaçomodelo. A temporização para ativação também é realizada pirotecnicamente, através da carga de temporização e geração de fumaça.

Na especificação dos propulsores, por exemplo o D12-5, o número 5 indica, em segundos, o tempo decorrido desde a ignição do propelente até a ativação da carga de ejeção do páraquedas.

Como a pressurização é realizada através dos produtos de combustão à alta temperatura, deve haver entre o propulsor e o pára-quedas (ou streamer) um elemento para sua proteção. Geralmente um tecido de material não inflamável. Este último aspecto é fundamental, pois tem a finalidade de evitar possíveis incêndios devido à queda desse elemento no local em que haja vegetação ou materiais combustíveis.

Para amenizar os esforços nos diversos elementos que compõe o sistema de recuperação nomomento da ejeção, é instalado um elo elástico entre a estrutura do espaçomodelo e o pára-quedas (ou streamer). Normalmente os elásticos que acompanham os kits são aqueles também empregados em aeromodelos, e feitos de látex. Entretanto, os elásticos usados em confecções, ao menos a nosso ver, são mais confiáveis pois são mais resistentes, não se deterioram com o tempo e podem ser colados ao tubo do espaçomodelo, reforçando ainda mais a fixação normalmente realizada através de fitas adesivas.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CANNON, Robert l. and BANKS, Michael A. "The Rocket Book: A Guide to Building and Lauching Model Rocket for the Space Age". Prentice-Hall, 1985.

[2] BANKS, Michael A. "Advanced Model Rocket ( Second Stage )". Kalmback Books, 1985.

[3] ESTES INDUSTRIES. Catálogo,1997.

[4] NAR - National Association of Rocketry - USA - "Safety Code", 1997