PROJETO, CONSTRUÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE UM MOTOR-FOGUETE COM PROPELENTE SÓLIDO

## PROJETO, CONSTRUÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE UM MOTOR-FOGUETE COM PROPELENTE SÓLIDO

AGDA MARIA R. MACIEL, ALANNA S. MOTA, ANTONY DA SILVA, AQUILES N. ARAÚJO, BRUNA S. FONTES, CARLA S. BORGES, CRISTIANO RONALDO L. SANTOS, DHEIVID MARCELO M. DA SILVA, FERNANDA C. L. DOURADO, FRANCIELE C. MOITINHO, GEOVANNA DE S. FERREIRA, JANDERSON DA S. MACHADO, JENNIFER LAVINE F. DOS SANTOS, JUAN DOS A. RODRIGUES, LAISE L. DE CARVALHO, LARISSA T. CASTRO, LUCAS GABRIEL J. SANTOS, LUIS FELIPE R. SANTOS, MAILTON M. DE SOUZA, MARIA CLARA N. SARAIVA, MARIA CRISTINA S. DE JESUS, MARIANE A. DE SENA, MARIANY BARBOSA, RANNA F. H. BASTOS, THAMMY P. DA S. CARVALHO, YASMIN D. MENDES, LUCAS S. SANTOS E TAMIRES P. ALVES.

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA - CAMPUS IRECÊ CURSO TÉCNICO INTEGRADO AO ENSINO MÉDIO EM ELETROMECÂNICA

Este relato de experiência de estudantes do ensino médio-técnico que visa contribuir para o ensino-aprendizagem de conceitos de física, abordando pontos fundamentais do desenvolvimento de um motor-foguete com propelente sólido. O projeto investiga o combustível utilizado, a estrutura, a história, o funcionamento e os objetivos de um foguete. O primeiro combustível utilizado para os foguetes foi a pólvora, que foi descoberta na China no século IX. Nosso objetivo tem como base a construção e desenvolvimento de um motor-foguete com propelente sólido, onde propomos o uso do propelente composto por nitrato de potássio e açúcar, uma mistura conhecida pela simplicidade e segurança relativa, ideal para experimentos educacionais. O foguete é um projétil que utiliza combustível sólido ou líquido em seu interior. A queima do combustível gera gases que são expelidos pela parte traseira, impulsionando o foguete para frente, em conformidade com a Terceira Lei de Newton: 'para toda ação, há uma reação de igual intensidade e em sentido oposto'. Essa lei explica a propulsão do foguete, que depende da força de expulsão dos gases para gerar movimento na direção oposta. Na fabricação do foguete foi utilizado rolo de papel alumínio para criar o corpo do foguete, tubo PVC, rolha para uma das extremidades do tubo, bastão para misturar compostos e também a tampa do foguete. Já para a combustão utilizamos açúcar refinado e nitrato de potássio. Este projeto experimental reforça conceitos fundamentais de física e possibilita uma compreensão prática da teoria da ação e reação, sendo uma ferramenta rica para o aprendizado interativo e o engajamento dos estudantes com a ciência.

Palavras-chave : Motor-foguete, combustível sólido, ensino de física, Leis de Newton.

## INTRODUÇÃO

A pólvora foi o primeiro combustível sólido para os foguetes, ela foi descoberta na China no século IX, um pouco mais tarde, por volta do século X, a pólvora começou a ser usada na China, seu uso principal tinha propósitos militares, na forma de foguetes e bombas explosivas (ARTHUR, 2021).

Os propelentes sólidos -são utilizados por construtores amadores de foguetes, mas também em aplicações espaciais e militares. Ele é uma mistura

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complexa e estável de compostos oxidantes e redutores, tais propelentes são produzidos através de um processo em que uma mistura de substâncias líquidas e sólidas endurecem. A queima deste combustível, no motor do foguete, gera gases que vão se expandir na câmara de combustão, trazendo energia para a máquina (No nosso caso, o foguete). O estudo sobre o combustível e a construção de foguetes, incluindo sua estrutura, história, funcionamento e objetivos, é fundamental para compreender os avanços e a evolução da ciência.

## OBJETIVO GERAL

- O objetivo do projeto é a construção e desenvolvimento de um motor-foguete com propelente sólido, explorando a relação entre o projeto e os princípios físicos necessários para seu sucesso.

## OBJETIVOS ESPECÍFICOS

-Proporcionar aos estudantes do primeiro ano uma excelente oportunidade de compreender melhor um dos temas abordados nas aulas de Física:

-Investigar o papel do combustível sólido no funcionamento do foguete e entender sua relação com as leis de Newton.

- - Avaliar a eficácia do uso do motor foguete na compreensão das leis de Newton.
- - Realizar o lançamento do foguete na posição de um ângulo de 90°.

## HISTÓRIA:

Desde tempos antigos, os povos se fascinaram pelo espaço, buscando entendê-lo através de mitos e teorias. Com o avanço da astronomia e das ciências, surgiram tecnologias como o telescópio, que permitiram uma observação mais detalhada dos astros e ajudaram na exploração espacial. Dois pioneiros importantes foram o russo Konstantin Tsiolkovsky e o norte-americano Robert Goddard, que idealizaram os foguetes espaciais. Em 1926, Goddard lançou o primeiro foguete movido a gasolina e oxigênio líquido, e em 1931, Reinhold Tiling lançou um foguete reutilizável movido a propelente sólido.

Apesar dos esforços de Tiling para reutilizar equipamentos, a tecnologia de foguetes descartáveis predominou a partir de 1945, com implicações para a exploração espacial. A Era Espacial começou em 1957 com o lançamento do satélite Sputnik 1 pela União Soviética, marcando um avanço significativo na exploração espacial. Em 1998, uma empresa dos EUA desenvolveu um foguete reutilizável que poderia retornar intacto à Terra e ser usado novamente. Essa inovação reflete o legado de Tiling na promoção de uma exploração espacial mais sustentável.

## MONTAGEM DO FOGUETE

Receita de Foguete com Combustível Sólido

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Figura 1- Desenho técnico do foguete e do motor.

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Acervo pessoal

Instruções:

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## 1. Preparação do Foguete:

- - Utilize rolo de papel de alumínio para criar o corpo do foguete.
- -Insira uma rolha em uma das extremidades do cano PVC, deixando a outra livre para o combustível.
- - Use a trena para medir e cortar o cano no tamanho desejado.

## 2. Produção do Combustível:

- - Em uma panela rasa e em fogo médio, adicione duas colheres de açúcar refinado.
- -Acrescente cinco colheres de nitrato de potássio, misturando até obter uma mistura homogênea.
- - Aguarde até que o açúcar comece a derreter e formar um melado ou caramelo.

## 3. Montagem do Foguete:

- -Preencha o cano PVC com o melado, deixando espaço na ponta para posteriormente adicionar uma abertura de gesso, para fechar e blindar o motor do foguete
- - Envolva o cano com o tubo de papel alumínio, formando o motor do foguete.
- - Fixe a tampa ou a coifa na ponta do foguete com cola instantânea.

## FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 'JUSTIFICATIVAS'

Para a elaboração do projeto, é essencial a compreensão de conceitos teóricos fundamentais. O foguete, essencialmente, é um projétil que utiliza combustível líquido ou sólido em seu interior; ao ser queimado, esse combustível gera gases que são expelidos pela parte traseira, impulsionando o foguete para frente. O funcionamento do foguete é fundamentado pela Terceira Lei do Movimento de Newton, que afirma: 'para toda ação, há uma reação de igual intensidade e em sentido oposto.' Em outras palavras, ao liberar gases pela saída de escape, o foguete é impulsionado na direção oposta, gerando o movimento desejado. Para garantir segurança e controle no momento do lançamento, o foguete é montado sobre uma base sólida de PVC, que assegura estabilidade e precisão no disparo, como visto na figura 2.

Figura 2- Lançamento do fogueteAcervo pessoal

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## COMBUSTÍVEL E ESTRUTURA

A quantidade de combustível utilizada é de natureza sólida, composto por nitrato de potássio e açúcar, com uma mistura complexa e estável de 65 % nitrato de potássio e 35% de açúcar sendo utilizado principalmente por construtores amadores que almejam um bom desempenho sem a utilização de equipamentos complexos na sua produção e que principalmente tenha um baixo custo pois os combustíveis sólidos possuem mais vantagens em relação aos combustíveis líquidos, como o custo benefício e a maior confiabilidade do processo. A estrutura do foguete foi realizada com a utilização de canos de PVC, complementados com partes de papelão para definir uma ponta e aletas, que são adicionadas para estabilizar o vôo, suavizando a pressão exercida pelo ar sobre o foguete de forma aerodinâmica, garantindo o controle do curso do foguete no ar durante o voo.

Figura 3- Primeiro teste do fogueteAcervo pessoal

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## RESULTADOS:

Apesar da expectativa, o foguete não conseguiu decolar, gerando apenas fumaça em decorrência da queima do combustível. Após o teste, discutimos o desempenho em sala de aula e revisamos materiais em vídeo e sites para reforçar o entendimento das leis de Newton e sua aplicação no projeto do foguete. Durante a análise, registramos as dificuldades em notas de campo e identificamos problemas específicos, como a fixação inadequada do foguete à base, que pode ter contribuído para o desempenho insatisfatório. Com as análises observadas identificou-se: insuficiência e desbalanceamento do combustível, combustão incompleta/queima superficial, falha na vedação do motor e problemas na base de lançamento.

Após corrigir a quantidade e proporção entre o oxidante (como o nitrato de potássio) e o combustível (açúcar), compactar de forma uniforme, melhorar a vedação adequadamente para a pressão impulsionar o foguete e projetar melhor a base de lançamento, seguiu-se para o segundo teste (Figuras 4 e 5). O foguete, dessa vez, conseguiu decolar, mas apresentou voo instável devido a problemas ainda na base e condições climáticas adversas, como ventos fortes.

A distribuição desigual do combustível também foi um fator decisivo, causando um desbalanceamento que inclinou o foguete e resultou em sua queda. Durante esse processo, nos dividimos em grupos: alguns focados nas testagens e ajustes práticos, enquanto outros se dedicaram à pesquisa de novos materiais e soluções. As discussões em grupo após os testes foram essenciais para identificar e

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propor melhorias, que estão sendo implementadas nas próximas versões do foguete.

Figura 4- Teste de lançamento.

Figura 5- Fabricação do combustível

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Acervo pessoal.

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Acervo pessoal.

Por fim, esse relato de experiência, não só mostra a proposta de construção e desenvolvimento de motor com propelente sólido para um foguete, mas experiência de aprendizagem cuja combinação de conhecimentos técnicos, habilidades interpessoais e atitudes éticas é crucial para a formação de um indivíduo completo e apto a enfrentar os desafios do mundo contemporâneo.

## CONCLUSÕES:

Os primeiros protótipos do foguete de combustível sólido forneceram uma base valiosa para alcançarmos os objetivos da unidade, que incluíam a construção de um foguete funcional e o aprendizado prático sobre física, as leis de Newton e o funcionamento de um motor foguete de propelente sólido. Como alunos do primeiro ano do curso técnico em Eletromecânica, conseguimos cumprir o objetivo de construir o foguete, o que representou uma importante conquista. Apesar das dificuldades iniciais, o projeto foi extremamente proveitoso, permitindo-nos explorar os desafios envolvidos na construção e lançamento de um foguete.

A experiência de construção e lançamento do foguete ofereceu uma rica oportunidade de ensino-aprendizagem, permitindo que os alunos apliquem conceitos teóricos em um contexto prático. Ao observar as leis de Newton em ação e explorar a química dos combustíveis sólidos, os alunos compreenderam a relação entre reação química e propulsão, além de desenvolver práticas laboratoriais seguras. A montagem do foguete, a análise de falhas e os ajustes necessários estimularam o pensamento crítico e a resolução de problemas, fundamentais em projetos experimentais.

Além disso, o projeto incentivou o trabalho em equipe, exigindo coordenação, divisão de responsabilidades e comunicação eficaz, habilidades essenciais para o aprendizado científico. Ao documentar resultados e discutir o desempenho, os alunos exercitaram habilidades de comunicação e adquiriram uma valiosa consciência sobre a importância da segurança em experimentos, contribuindo para uma formação completa e engajante.

Atualmente, após análise dos problemas que enfrentamos, esses desafios estão sendo superados. O foguete continua em fase de testes, e estamos trabalhando para corrigir os pontos que impediram o voo pleno nos protótipos

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anteriores. A nossa meta é garantir que os próximos lançamentos ocorram com êxito, atingindo os objetivos do projeto de maneira completa e satisfatória.

## REFERÊNCIAS

ARTHUR, Roberto. Motor de foguete com câmara de combustão rígida. Departamento de engenharia mecânica 2021. Disponível em: &lt;https://ftp.demec.ufpr.br/foguete/bibliografia/TCCARTIGO-ArthurRoberto-Motor-Fog uetecorrigidofinal.pdf&gt;. Acesso em: 11 ago. 2024 .

BALDISSERA, Rafaela. Propelentes sólidos para foguetes. RICARevista interdisciplinar de Ciências Aplicadas, Bento Gonçalves. 2016. Disponível em: &lt;https://sou.ucs.br/revistas/index.php/ricaucs/article/view/21/14&gt;. Acesso em: 11 ago. 2024.

GINCARVI JR. DE TECNOLOGIA EM FOGUETES; CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, DA NATUREZA E DE TECNOLOGIA (CENT). Propelentes sólidos para foguetes: avaliação teórica do desempenho da mistura nitrato de potássio/açúcar. Revista Interdisciplinar de Ciências Aplicadas, 2016. Disponível em: baldissera fulano; et al. Simulação de motor com KNSu: Avaliação teórica de desempenho. Acesso em: 11 ago. 2024.

HARTL, Judith. 1931: lançado primeiro foguete reaproveitável a combustível sólido.2023. Disponível em:

&lt;https://www.dw.com/pt-br/1931-lan%C3%A7ado-primeiro-foguete-reaproveit%C3% A1vel-a-combust%C3%ADvel-s%C3%B3lido/a-781803&gt;. Acesso em: 11 ago. 2024.

SANTANA, Kaio. Tipos de combustíveis. Revista IberoAmericana de Humanidades, Ciências e Educação. 2022. Disponível em: &lt;chrome-extension://mhjfbmdgcfjbbpaeojofohoefgiehjai/index.html&gt;. Acesso em : 11 ago. 2024.

SILVA, Cleovam. Os foguetes: história e desenvolvimento. [s.d.]. Disponível em: &lt;https://educacaoespacial.wordpress.com/wp-content/uploads/2010/10/os-foguetes-ii \_revisado.pdf&gt;. Acesso em: 11 ago. 2024.

SODRÉ, Marco Antonio. Os aspectos físicos e matemáticos do lançamento do foguete de garrafa pet. 2008. Disponivel em: &lt;file:///C:/Users/henri/Downloads/OS-ASPECTOS-FÍSICOS-E-MATEMÁTICOS-DO-L ANÇAMENTO-DO-FOGUETE-DE-GARRAFA-PET%20(2)%20(2).pdf&gt;. Acesso em: 11 ago. 2024.

PÔRTO, Cleovam da Silva. Os Foguetes II. 2010. Disponível em: &lt;https://educacaoespacial.wordpress.com/wp-content/uploads/2010/10/os-foguetes-ii \_revisado.pdf&gt;. Acesso em: 11 ago. 2024.

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