Quanto empuxo um foguete lunar gera?

Pronto para o lançamento, com a cápsula Orion montada em sua ponta, o foguete Space Launch System (SLS), da NASA, que será usado na missão Artemis I tem 98 metros de altura e pesa 2,6 milhões de toneladas. Você já imaginou quanta “força” é necessária para empurrar tudo isso para o espaço?

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Quanto maior essa força, chamada empuxo, mais massa (“peso”) poderá ser enviada ao espaço, e mais longe essa carga pode ir. E nesse ponto, os foguetes projetados para missões tripuladas à Lua são campeões.

O que é empuxo?

Antes de contar quanto empuxo um foguete lunar gera, devemos explicar que empuxo é uma força e como ela é calculada. Mas antes disso, precisamos definir uma unidade de medida chamada Newton.

Um Newton (batizado em homenagem ao cientista Isaac Newton) é a quantidade de força que deve ser aplicada sobre um corpo com massa de 1 kg para movê-lo a uma velocidade de 1 m/s².

Agora lembre-se da segunda e terceira leis de Newton. Quando você empurra (ou acelera) uma massa em uma direção, essa massa gera uma força de mesma intensidade, mas sentido oposto, em você. Essa força é o empuxo.

Imagine um motor de foguete em funcionamento. O produto da queima de combustível de um foguete são gases, expelidos em alta velocidade pelo bocal do motor. Esses gases têm massa, ou seja, assim como são “empurrados” para baixo, também empurram o foguete na direção oposta, para cima.

Esse “empurrão” é o empuxo exercido, o qual é um produto da massa dividida pelo tempo (ou “fluxo de massa”), multiplicada pela velocidade do movimento.

Ou seja, o empuxo é variável, conforme os valores dos componentes dessa fórmula. Controlando a quantidade de combustível queimado pelo motor, é possível controlar quanto empuxo ele irá produzir.

O empuxo dos foguetes lunares

Agora, sim, podemos responder à pergunta: “quanto empuxo um foguete lunar gera?”. Por foguete lunar estamos considerando os projetados para o envio de missões tripuladas ao nosso satélite natural, como o Saturn V, SLS ou Starship, dos EUA, ou o N1, da União Soviética.

Obviamente, esses não são os únicos foguetes capazes de enviar cargas à Lua. Inúmeros satélites e rovers já foram enviados com foguetes menores, como os Long March chineses, ou Falcon 9 e Atlas dos EUA.

Saturn V (EUA, 1967)

Vamos começar com o campeão do empuxo, invicto há mais de 50 anos: o Saturn V, que levou o homem à Lua nas missões Apollo. Seu primeiro estágio era composto por cinco poderosos motores F-1, que na decolagem eram capazes de produzir 35,1 milhões de Newtons (ou 35,1 Meganewtons, MN) de força.

Com isso, o foguete era capaz de enviar até 140 toneladas até a órbita baixa da Terra (LEO, Low Earth Orbit), ou colocar 43,5 toneladas em “Injeção Translunar” (TLI, Translunar Injection), uma manobra que enviará a carga até a Lua. Até hoje, ele é o foguete com a maior capacidade a LEO já produzido.

N1 (União Soviética, 1969)

O Saturn V não era o único foguete lunar de sua época. Os soviéticos também pretendiam pousar cosmonautas na Lua, e para isso estavam desenvolvendo o N1, um verdadeiro monstro com 30 (sim, 30!) motoroes NK-15 no primeiro estágio, que na decolagem poderiam produzir 45,4 MN de força.

Apesar de tudo isso, sua capacidade para LEO e TLI seria bem menor: 95 e 23,5 toneladas, respectivamente. Digo “seria” porque o N1 nunca sequer chegou à órbita: com um design extremamente complexo, os projetistas soviéticos tinham dificuldade em equalizar o empuxo de todos os motores e reduzir as intensas vibrações e oscilação que eles geravam sobre o veículo e sua carga.

Entre fevereiro de 1969 e novembro de 1972 foram feitos apenas quatro tentativas de lançamento, e todas elas acabaram em desastres. Na segunda tentativa, em 3 de julho de 1969, uma falha na bomba de combustível do motor nº 8 durante a decolagem causou um desligamento em cascata de praticamente todos os outros, fazendo com que o foguete caísse de volta sobre a plataforma de lançamento e resultando na maior explosão não-nuclear já feita pelo homem.

SLS (EUA, 2022)

Se tudo correr como planejado pela agência espacial dos EUA, o recorde do Saturn V não vai durar muito. O Space Launch System que será usado na missão Artemis I é capaz de produzir 39 MN de empuxo.

Para isso, usa quatro motores RS-25 no estágio central (o “foguete laranja”) e dois propulsores auxiliares de estado sólido, tudo isso reaproveitado dos ônibus espaciais, que foram aposentados em 2011.

Mas essa é a primeira versão, ou Block 1, do SLS. Ao longo do programa Artemis a NASA pretende desenvolver uma versão ainda mais poderosa, a Block 2, que deverá ser usada a partir da missão Artemis IX, e terá um empuxo de 41 MN.

Starship (EUA, 2022)

Por fim, temos a Starship, da SpaceX, que é um sistema composto por duas partes: o foguete Super Heavy e a espaçonave Starship propriamente dita, que são lançados em conjunto.

Se o N1 parece complicado, o que a SpaceX quer fazer com o Super Heavy pode ser chamado de “insano”. O foguete tem 33 motores Raptor, que juntos conseguem produzir 72 MN de empuxo. Sim, mais que o dobro do Saturn V.

Isso sem contar os seis motores na Starship, que funcionam como um “segundo estágio” em um lançamento a partir da Terra ou serão, em teoria, suficientes para enviá-la ao espaço por conta própria decolando da Lua ou Marte.

A Starship ainda está em desenvolvimento: tudo o que foi feito até agora são voos de baixa altitude, no máximo 15 km, e pouso na vertical nas instalações da SpaceX. Espera-se que o primeiro teste orbital do sistema completo seja feito ainda em 2022.