Estou mandando um pequeno texto que escrevi meses
atras sobre a V-2, ele foi escrito para ilustar uma
aula minha sobre estratégia de projeto, queria
explorar alguns pontos, fiz uns cortes para ficar
menos tecnico e mais ao gosto de voces, mas mesmo
assim o enfoque ainda é mais para sala de aula,espero
que gostem. novamente ai vai a suguestao, colem o word
e imprimam é mais facil de ler.

fiquei meia chateada que nao comentaram nada sobre o
texto do VLS, nem contra nem a favor, beijos a todos  

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Projetada no inicio da década de 40, a V-2 é um dos
maiores prodígios da engenharia, seu projeto serviu de
ponto de partida para americanos e soviéticos
desenvolverem na década de 50 seus primeiros mísseis
balísticos. Projetar um foguete guiado na época da
Segunda guerra com a eletrônica ainda no tempo das
válvulas , com aços de menor desempenho e na ausência
de materiais compostos como os conhecemos hoje é um
desafio que somente um engenheiro de projetos tem
idéia da dimensão.

Para mim a V-2 sempre foi de grande interesse pois as
‘ saídas técnicas’  encontradas pêlos seus projetistas
são o melhor exemplo de como conceito, inventividade e
tecnologia se combinam na solução dos problemas de
prancheta. 

A V-2 EM NUMEROS.

A V-2 é um foguete de:

Altura  14.04m
Diâmetro 1.65m
Envergadura. 3.65m

Peso. 12.700Kg
Empuxo. 25.400Kg
Ogiva. 1000Kg

Alcance. 300Km
Apogeu. 80Km
Vel max. 5400Km/h

Combustível. Álcool +  Oxigênio liquido 
Guiagem. Giroscópica.

Foram construídas um numero próximo de 5800 unidades,
com um custo em valores de hoje de US$ 20 mil a
unidade. O que pôr si só são números impressionantes,
seja pelo enorme numero de projeteis construídos seja
preço acessível de cada unidade.

ESTRUTURA & AERODINAMICA

Uma analise de projeto destes foguetes nos mostra
soluções extremamente simples para problemas de
prancheta com um belo grau de complexidade, a começar
pela estrutura toda feita em alumínio aeronáutico, que
lhe conferem a forma característica de míssil de
desenho animado, com o meio mais ‘ gordo’ afinando na
ponta e na base.

A analise das forçar estruturais de um foguete como a
V-2 nos levam para duas grande tensões aos quais a
estrutura tem que responder. Com a ogiva de 1000Kg na
ponta, e o foguete na plataforma de lançamento uma
força de flambagem teria que ser equilibrada pelo
corpo do projetil, força esta que teria um momento
suficientemente grande devido a altura do foguete para
provocar tensões de ruptura em sua estrutura quando na
plataforma, ou durante o vôo em qualquer movimento do
sistema de guiagem.

Outra força presente neste sistema seria a do motor em
ignição, que daria no momento da partida uma
aceleração de 2g, com a deflexão do fluxo pelo sistema
de direção novamente os momentos de flambagem sobre a
estrutura estariam presentes, e precisariam de se
equilibrar.

Apesar destas forças estruturais estarem presentes em
todos os projetos de foguetes, no caso da V-2 haviam 
complicadores, não existiam matérias com a qualidade
estrutural que os projetistas de foguetes contam hoje,
tudo estava sendo feito em meio ao esforço de guerra e
a posição da ogiva (que neste foguete tinha uma
proporção do peso total muito grande) teria que ser
mais alta para uma melhor qualidade de estabilidade na
reentrada balística.

Todos estes problemas foram solucionados com uma
geometria estrutural simples, alargar o centro do
corpo do foguete para que os momentos que atuariam no
eixo longitudinal fossem melhor absorvidos tornando a
estrutura mais leve. 

Se do ponto de vista estrutural esta idéia foi boa, do
ponto de vista aerodinâmico um maior arrasto foi
induzido. Ocorre que quando o fluxo chega a porção
mais larga no centro da fuselagem ele não volta a se
uniformizar conforme a fuselagem vai se tornando mais
fina novamente, formando uma zona de forte turbulência
tendendo a ficar cada vez com uma pressão menor
conforme se aproxima da parte inferior da fuselagem. 

Esta zona de turbulência e esta de baixa pressão
causam um maior arrasto aerodinâmico, mas tem um
atenuante, que é a formação de uma zona de baixa
pressão, melhorando sensivelmente o desempenho do
motor.

Se a menor pressão na parte inferior próxima ao motor 
melhora sensivelmente o empuxo é péssima para o
projeto da superfície de estabilização aerodinâmica (
aleta) pois esta inserida em uma zona onde sua
eficiência fica diminuída daí o motivo pelo qual a
envergadura proporcional das aletas da V-2 serem
grandes, para que elas pequem o fluxo mais energisado
longe da fuselagem.

Como as aletas estão no ponto de ‘máxima preocupação’
estrutural, próximas ao motor, seu projeto foi
considerado satisfatório pois suas forças poderiam ser
facilmente transferias para a estrutura naquele ponto.

O projeto estrutural foi o delineador  da forma base
do projetil e não o aerodinâmico, mas com os recursos
da época era a única saída possível para acomodar as
necessidades de estrutura do míssil, aceitar um pouco
mais de arrasto que seria compensado com o perfil de
vôo acima das camadas mais densas da atmosfera e com
uma aceleração menor de lançamento.

PROPULSÃO.

O motor A-4 com as suas mais de 25 toneladas de empuxo
no lançamento é na minha opinião o ponto de maior
desafio no projeto da V-2. Ele queimada seus 9000Kg de
combustível em 68 segundos.  

Ele é uma coletania de soluções engenhosas a começar
pela escolha do combustível, ÁLCOOL + OXIGÊNIO
LIQUIDO. Em outros projetos alemães como os
interceptadores movidos a foguete se usava uma mista
de combustíveis hipergolicos ( que se inflamam com o
simples contado), mas para a V-2 a escolha foi
diferente, mesmo que passasse pelo problema de que o
oxigênio liquido tem que ser armazenado a temperaturas
muito baixas, mas a escolha desta combinação assim
como a do projeto estrutural & aerodinâmico, foi uma
escolha de risco calculado feita pêlos engenheiros
alemães. 

Ocorre que os aços daquela época não tinham a resposta
adequada para as temperaturas e pressões presentes na
câmara de combustão e sendo este o maior motor foguete
já construído até então em pleno esforço de guerra não
se justificava o desenvolvimento de uma nova liga para
a V-2, pois não se tinha certeza nem do fato de que
seria possível um novo tipo de aço, nem quando ele
chegaria. A saída era apenas uma, projetar o foguete
com o que se tinha disponível. 

A escolha do álcool se deu como resposta a este
problema, de duas formas. O álcool poderia ser
misturado tranqüilamente com  água reduzindo a sua
energia de combustão e os projetistas poderiam
controlar a ‘ energia’ do combustível conforme
evoluíssem no projeto da câmara de combustão, mundano
a quantidade de água no álcool. 

Outra grande vantagem é que a água ao entrar na câmara
tomaria rapidamente a forma de vapor, e com a pressão
dentro da câmara era muito grande este vapor ficaria
retido próximo as paredes internas, o que era
exatamente o que os projetistas precisavam pois com o
vapor entre a combustão e as paredes estas se
aqueceriam com maior dificuldade tornando a qualidade
térmica do aço menos critica. É interessante lembrar
que o projeto dos injetores de álcool estavam
dispostos em uma geometria tal que a formação da
camada de vapor fosse maior próximo ao estrangulamento
da tubeira de modo a que neste ponto de máxima
temperatura e pressão o aço estivesse mais protegido. 
 

Para remover o calor da parede da câmara de combustão
o projeto do motor, assim com o que se faz ainda hoje,
previa que o combustível seria bombeado sob alta
pressão pôr serpentinas que circulariam a câmara de
combustão removendo parte do calor, sendo ele depois
injetado para a queima já com uma temperatura maior. 
Mas tanto álcool como o oxigênio liquido tinham que
ser injetados sobre pressão na câmara de combustão, o
que só pode ser feito de duas forma, ou pôr injeção
positiva ou pôr turbo-bombeamento.

Esta primeira técnica é usada apenas em motores de
pequeno porte como os de satélites ou em retrofoguetes
de naves tripuladas e consiste em injetar um gás sobre
alta pressão (geralmente Hélio) dentro dos tanques de
propelentes forçando-os a entrarem na câmara de
combustão sobre pressão, mas esta técnica apesar de
simples não tem uma grande eficiência de peso/empuxo,
para um foguete como a V-2 era necessário o
turbo-bombeamento.  

Nesta técnica duas bombas (uma para o combustível
outra para o comburente) são acionadas pôr uma turbina
de modo a bombear os fluidos para a câmara. Mas existe
um ponto importante, como o turbina é movida?

Basicamente existem 4 técnicas para isto, ciclo
monopropelente, Bi propelente, sangria de pressão,
expansão de criogenicos.

Vou deixar os dois últimos meios de fora pôr uma
questão de espaço, mas no ciclo monopropelente uma
substancia,  geralmente peroximo de hidrogênio ou
hidrazina, sofre decomposição catalítica formando
vapores sobre alta pressão que são usados para acionar
a turbina de bombeamento.  No ciclo Bi propelente os
combustíveis ( geralmente hipergolicos) são pré
queimados em uma mini câmara de combustão e os gases
aplicados na turbina de bombeamento gerando o
movimento. É interessante que se diga que no ciclo Bi
propelente a mistura na câmara de combustão que
antecede a turbina é sempre pobre em oxidante como
forma de manter a temperatura dos gases  dentro do
envelope da turbina.

A titulo de curiosidade, aquela pequena hélice que
aparece na frente do caça a foguete KOMET, é
justamente a forma que foi encontrada para gerar
movimento para o bombeamento de combustível do motor
foguete, ele parte como um sistema de injeção positiva
e depois para  um regime de bombeamento.    

Voltando a V-2, nela os alemães usaram um sistema mono
propelente, com o peroxido de hidrogênio denso
decomposto pôr permanganto de potássio o resultado era
um jato de gases que movia uma turbina de quase 60cm
de diâmetro que produzia cerca de 300Hp e acionada as
turbo-bombas da V-2. Para os que tem o livro –
plataforma para marte- que narra a historia de
projetos secretos alemães, tem uma foto da parte de
baixo da V-2 em que aparece um tanque na forma
esférica, aquilo era o reservatório de peroxido de
hidrogênio, que tinha a forma esférica para que o
liquido altamente corrosivo atacasse menos as paredes
do tanque.       

Com as questões de resistência de aço e de bombeamento
de combustível resolvidas restava um ultimo ponto
sobre o sistema de propulsão, o vetoramento de empuxo.
Hoje os motores de combustível líquidos são montados
sobre juntas universais ( tipo as usadas em eixo
cardan) com atuadores hidráulicos mudando a direção do
fluxo.

Mas no projeto da V-2 existiam alguns problemas para 
o uso de um sistema a base de juntas universais. O
primeiro dizia respeito a base da fuselagem ser muito
fina devido as razoes que apontei no inicio sobre o
projeto estrutural, sendo assim a geometria do
movimento da tubeira, mais a posição dos atuadores
seria de projeto muito complexo.

Mesmo que isto fosse contornado existia o fato que a
junta universal concentraria todo o empuxo em um só
ponto, tornando necessário um complicador no projeto
estrutural que seria uma estrutura primaria para
distribuir tensões ao longo da circunferência da
fuselagem, coisa que com o motor fixo e parafusado em
vários pontos não era necessário. 

Estes eram os dois problemas principais, mas existiam
outros, como potência hidráulica,  vibrações,
realimentaçao eletrônica ou mecânica etc.. que
precisariam de maior profundidade técnica no texto.

Diante destes problemas a equipe de projeto mais uma
vez se valeu de uma boa dose de pragmatismo e optou
pôr aletas defletoras de empuxo na saída da tubeira,
uma saída simples cuja principal desvantagem era a
precisão, mas como o sistema de guiagem não fornecia
uma precisão maior ficava contornada a questão.

              
SISTEMA DE GUIAGEM.

Com os projetos de estrutura, aerodinâmica e propulsão
resolvidos o ultimo grande desafio tecnológico em jogo
era o sistema de direcionamento do foguete. 

Hoje um sistema inercial é basicamente centrado em
cima de um giroscopio mecânico ou laser, com
acelerômetros e um sistema de processamento digital
que efetua as operações de integrações  sucessivas que
dão a posição do projetil, mas nada disto existia até
a década de 60, e projetar um sistema de
direcionamento eficiente era um desafio tão grandioso
como foram os outros do projeto.

Na década de 50 quando os primeiros mísseis balísticos
começaram a entrarem em serviço, apesar de não
existirem os circuitos integrados existia o
transistor, e devido a enorme massa das primeiras
ogivas o foguete era projetado com uma potência muito
grande, de modo a que o peso do sistema eletrônico era
mais diluído dentro do peso total do míssil. Estes
primeiros sistemas INS eram verdadeiras obras primas
da eletrônica com centenas de transistores formando
blocos funcionais que efetuavam qualquer operação
aritmética de forma analógica tornando o
direcionamento do míssil possível. 

Mas em 1940? Não existia transistores apenas válvulas,
e apesar dos conceitos que guiaram os foguetes que
lançaram os primeiros satélites já serem conhecidos
não era possível sua implementação sobre pena de que o
peso das válvulas a vácuo e dos correspondentes
acumuladores elétricos para agüentar a demanda  fosse
tão grande que a V-2 não sairia do chão, e mesmo que
saísse custo seria tão grande que não teria uma boa
relação de beneficio. Era necessário ser criativo
novamente, achar respostas simples para problemas
complexos, e os engenheiros alemães encararam e
venceram o desafio. 

O sistema de guiagem da V-2 esta estruturado em cima
de um giroscopio mecânico linkado mecanicamente as
aletas defletoras. Quando a V-2 estava na plataforma
de lançamento o giroscopio era ligado e setado de modo
a que as aletas de controle ficassem em posição
neutra.

A azimute e o alcance do alvos eram calculados em
função do ponto de lançamento, e programadas no
mecanismo, quando o foguete era lançado ele subia
algumas centenas de metros e um dispositivo
barostatico então liberava o sistema de guiagem para
agir, o as aletas de controle então defletiam o fluxo
de modo a que a V-2 estivesse na direção e na
inclinação adequadas para o alvo, com isto o ‘erro’
era zerado  e assim que qualquer perturbação do vôo
surgisse o giroscopio mecanicamente linkado gerava um
movimento nas aletas que corrigiam o problema. 

A bordo haviam um transceptor que transmitiam de volta
para a terra todos os sinais emitidos pela base de
lançamento, com o delay destes sinais os homens em
solo sabiam a distancia e a altura do foguete, quando
este tivesse no ponto certo, uma ordem pôr radio vinha
para cortar o combustível e a V-2 seguia uma
trajetória balística que a levaria até seu alvo. 

CONCLUSOES.

                             
A V-2 é o exemplo vivo que em engenharia o conceito
pelo qual se guia para a criação de um projeto é algo
decisivo. Sem o uso de nenhuma tecnogia que os aliados
não tivessem na época os alemães ousaram criar uma
arma que somente 15 anos depois soviéticos e
americanos conseguiriam fazer pôr conta própria,
apenas com criatividade, ousadia e simplicidade os
engenheiros nazistas venceram o desafio, prova viva de
que tecnologia apesar de fundamental não é nada para
uma engenharia que seja cinceitualmente pobre.

 Pôr sorte nos brasileiros, assim como vários países
latinos, termos uma riqueza conceitual  grande em
nossa engenharia, apesar de nosso complexo terceiro
mundista não nos permitir acreditar mais em nossas
soluções e potencialidades.
 


 


        

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