Entenda o que é MaxQ, Delta-V e outros conceitos aeroespaciais

Toda área de conhecimento tem conceitos próprios, vocabulário, expressões e nomenclatura, e a ciência e engenharia aeroespacial não seria diferente, mas agora esses termos estão invadindo o dia a dia. A SpaceX lança foguetes duas vezes por semana, por todo canto há fotos do Falcon 9 e da Starship.

• A excêntrica e inédita órbita da sonda CAPSTONE
• “Ela é azul” — em 1961, Yuri Gagarin fazia a primeira órbita em torno da Terra

Soon (Crédito: Flux)

Claro, o povo ainda está bem cru em termos de informação. O Falcon 9 já pousou 342 vezes desde 2016, mesmo assim só depois do pouso da Starship na missão IFT5 a Internet foi inundada com aquela irritante frase “foguete não dá ré”.

A solução para falta de informação é simples: informação, e para isso vamos explicar alguns conceitos e termos que você já escuta ou escutará em lançamentos espaciais. Então, sem nenhuma ordem em especial, nem alfabética, vamos a eles:

1 – Max-Q

Max-Q é o termo usado para o momento de máxima pressão dinâmica, e é tudo que dizem nas transmissões. O conceito em verdade é bem simples de entender. Sabe quando você coloca a mão pra fora da janela do carro? OK, se for no Rio de Janeiro roubam seu relógio, mas voltemos: Quando o carro está parado, você não sente nada. Quando está em mais velocidade, se você coloca a mão espalmada, sente a pressão do ar. Muito rápido e sua mão é empurrada com força para trás.

Um objeto em movimento enfrenta a resistência do ar, quando mais rápido, mais resistência. Se o objeto estiver rápido demais, pode exceder sua capacidade estrutural, como uma lata vazia de refrigerante sendo pisada. Isso, em geral, é ruim para os foguetes.

E é pior para o Falcon 9. Como ele é reutilizável, enfrenta Max-Q duas vezes. Durante a a viagem de volta, por volta de 60Km de altitude ele ativa os motores e reduz a velocidade de descida em mais ou menos 1000Km/h.

Isso é essencial para que ele não ganhe velocidade demais e seja danificado pela pressão dinâmica sempre crescente, por causa da atmosfera mais densa.

Um foguete é um objeto se movendo mais rápido que o som, o que gera muita pressão. Exceto que... a densidade do ar diminui com a altitude, há menos ar para resistir ao movimento do foguete.

Você tem de um lado um foguete acelerando cada vez mais, aumentando a resistência do ar, do outro a pressão atmosférica diminuindo, o que reduz a resistência. Em um certo ponto os foguetes reduzem os motores, pois ainda estão em baixa altitude, e não é eficiente acelerar demais com muita resistência aerodinâmica.

A pressão dinâmica é calculada com a fórmula:

q= 0.5 * r * v²

Onde q é a pressão dinâmica, r é a densidade do ar, e v é a velocidade. Plotando em um gráfico, temos algo assim:

Gráfico de MaxQ em condições teóricas ideais (Crédito: ChatGPT)

Em resumo: Quanto mais rápido na atmosfera, maior a pressão; quanto mais alto na atmosfera, menor a pressão.

2 – Delta-V, ou Δv

Foguetes são rápidos, é um fato, mas velocidade é um elemento inútil no espaço. Velocidade precisa de um ponto de referência, e quando todos os pontos de referência estão se movendo a velocidades diferentes, perde o sentido dizer que o foguete está se movendo a XX Km/h.

Os cientistas decidiram usar outro fator, chamado de Delta-V, que representa a variação de velocidade.

Imagine dois carros na estrada, um Uno velho e um carro pica. Os dois a 80Km/h. O Uno acelera para 100Km/h. O Uno tem um Delta-V de 20Km/h.

Acelerar um objeto exige energia, e esse é o grande problema dos foguetes: você tem que gastar energia para acelerar. Isso exige combustível. Esse combustível tem massa. Você precisa de mais combustível, pois tem que acelerar seu foguete E o combustível. No final você acaba com um Saturno V, um transatlântico que é 99% combustível, leva 3 passageiros e afunda depois da 1ª viagem.

Um foguete é limitado pela quantidade de combustível e capacidade dos motores, esse conjunto determina o Delta-V máximo que ele consegue atingir. No falso do Falcon 9, em modo totalmente descartável, ele consegue 9,5Km/s.

O Delta-V é uma unidade importante para missões espaciais, as manobras orbitais são bem conhecidas e suas demandas de energia são igualmente familiares. Para entrar em órbita baixa terrestre, um objeto precisa de um Delta-V de 9.3Km/s, já compensando a resistência do ar durante a ascensão. Daí em diante, tudo fica mais fácil.

Robert Heinlein disse “se você consegue colocar sua nave em órbita, já está na metade do caminho pra qualquer lugar”.  E é verdade. Para colocar uma nave em órbita baixa na Terra em uma trajetória até a Lua, o Delta-V necessário é de 3.1Km/s.  Marte? 3.6Km/s.

Por isso sondas relativamente pequenas viajam facilmente para esses lugares, sem necessitar de foguetes enormes.

Aqui um mapa com o Delta-V necessário para viajar para diversos lugares do Sistema Solar. Note que é preciso levar em conta o Delta-V necessário para desacelerar, entrar em órbita, etc.

Mapa com o custo em Δv para viajar para qualquer ponto do Sistema Solar (Crédito: Wikimedia Commons)

3 – Órbitas, órbitas, órbitas

Orbitar é girar em torno de alguma coisa, mas órbitas podem ser bem mais complexas. A mais simples e comum é a órbita baixa terrestre, LEO, em inglês. Qualquer coisa orbitando entre 160Km e 2000Km de altitude, está em LEO.

Aqui é bom salientar que órbita não é só altitude. É preciso velocidade. Uma coisa em órbita não está voando nem flutuando, está caindo, e caindo rápido, a diferença é que ela está se movimentando lateralmente também muito rápido, o segredo da órbita é que você, literalmente, erra o chão, pois está caindo acompanhando a curvatura da Terra.

Quanto à gravidade, é quase a mesma. Nos 400Km de altitude onde orbita a Estação Espacial Internacional, a força a gravidade é mais de 90% da força ao nível do mar. Se a ISS cessasse seu movimento horizontal, ela cairia feito uma pedra.

Uma órbita bem mais interessante é a chamada Órbita Geoestacionária, GEO, ou Órbita de Clarke. Ela foi calculada e proposta em um artigo de 1945, pelo cientista e segundo melhor autor de ciências (Segundo as cláusulas do Tratado Clarke-Asimov).

Órbita Geoestacionária (Crédito: Wikimedia Commons)

Um objeto que orbite a uma altitude de 35.786Km terá um período orbital idêntico à rotação da Terra, permanecendo aparentemente fixo em relação ao planeta. Isso é excelente para satélites de comunicação, incluindo TV por assinatura. Se você tem Sky, OiTV ou similares, está recebendo sinais de mais de 35 mil Km no espaço.

Isso só funciona no Equador, claro, um satélite com uma órbita inclinada não permaneceria parado sobre o mesmo ponto, da mesma forma não existe órbita geoestacionária polar.

A Órbita Solar Síncrona é bem interessante também. É uma órbita bem inclinada, em geral seguindo direção norte-sul e entre 300 e 600km de altitude. Calculada levando em conta um monte de fatores, ela sincroniza a rotação da Terra com o período orbital e a precessão do Sol durante o ano.

O resultado é que todo dia, no mesmo horário, o satélite passa por cima do mesmo lugar. Isso é excelente para monitoramento de plantações, áreas industriais, controle urbano, medição de dados ambientais... só não é bom para espionagem, o inimigo sabe perfeitamente quando seu satélite vai passar, e é só esconder o que tiver que ser escondido.

A Órbita Molniya é uma alternativa para o problema de atingir latitudes altas usando satélites geoestacionários. Desenvolvida pelos soviéticos, a idéia é bem simples: Um satélite lançado com uma inclinação bem alta é colocado em uma órbita extremamente elíptica. No perigeu de 600Km ele percorre rapidamente o Hemisfério Sul, depois inicia uma longa subida até 39.700km, período durante o qual ficará ao alcance de estações em terra, no território soviético. O período orbital é de mais ou menos 24h.

Órbita Molniya - Crédito: Wikimedia Commons

4 – Velocidade de escape e esfera de influência

Ao contrário do que a gente vê nos filmes, navegar no espaço é algo bem restrito. Sua altitude depende de sua velocidade, órbitas são infinitos trilhos circulares invisíveis, se você acelerar em direção ao movimento orbital, aumentará a altitude do ponto oposto da órbita. Se inverter a direção da nave a acelerar contra o movimento, irá reduzir a altitude no ponto oposto.

Quanto mais alto, menor a velocidade necessária para permanecer em órbita, mas como a força da gravidade é reduzida na razão inversa do quadrado da distância, chega um momento em que o objeto sofrerá tão pouca atração que não estará mais em órbita do planeta, passando a orbitar diretamente a estrela do sistema.

Esse região dentro da qual a gravidade do planeta é mais forte do que a da estrela se chama Esfera de Influência. No caso da Terra ela tem 1.5 milhões de Km de raio.

Velocidade de Escape

Da mesma forma que a Máxima Pressão Dinâmica, a atração gravitacional também diminui com a altitude. Um objeto lançado para cima sofre cada vez menos atração, mas tem sua velocidade reduzida. Temos o mesmo quadro: A velocidade se reduz, mas a força que faz com que a velocidade se reduza, está diminuindo com a altitude.

Saindo da superfície da Terra, ignorando a atmosfera, qualquer coisa que suba com uma velocidade inicial de 11.2km/s não retornará, não entrará em órbita, se afastará para sempre. A velocidade de escape depende da atração gravitacional do objeto, que depende de massa volume e densidade. Na superfície da Lua a velocidade de escape é de apenas 2.38Km/s, por isso os astronautas da Apollo conseguiram voltar com uma nave dezenas de vezes menor que o Saturno V que precisaram para chegar lá.

Já na superfície do Sol, a velocidade de escape é de 617.7Km/s, não que faça diferença, você morreria tostado antes.

Se a massa aumentar demais, a velocidade de escape se torna maior do que a velocidade da luz. Nada consegue escapar daquele objeto. É o que chamamos de buraco negro.