Física nas aeronaves: Por que aviões não chegam ao espaço?

(Imagem: den-belitsky/Envato)

Ao observar o espetacular e complexo lançamento de um foguete carregando astronautas, talvez você já tenha se perguntado: "se um avião pode 'desafiar a gravidade' e voar, porque não pode ir ao espaço?". É uma pergunta válida: o que o impede de "subir um pouco mais" e chegar à Estação Espacial Internacional, que está a apenas 400 Km de nós?

Aviões comerciais, que transportam milhões de passageiros anualmente, voam a altitudes que podem chegar a 12 km, como é o caso dos jatos de passageiros da Boeing e Airbus. Já os aviões turbohélice e bimotores não passam dos 6 km. Por outro lado, há jatos capazes de alcançar altitudes impressionantes — o Concorde foi um avião supersônico de passageiros capaz de chegar a quase 18 km de altitude!

A Linha de Kárman é a "fronteira" imaginária que marca o início do espaço a 100 km
de altitude (Imagem: Reprodução/NASA Marshall Spaceflight Center)

Apesar desta altitude ser grande quando comparada àquela dos aviões comerciais, ela ainda é distante do “início” do espaço. De forma geral, os cientistas consideram que o espaço começa a partir da chamada Linha de Kármán, uma fronteira imaginária que fica a 100 km de altitude. E os aviões comerciais comuns não podem nem se aproximar dela por dois motivos principais: o combustível e seu design.

Por que os aviões não vão para o espaço?

Antes de discutirmos o porquê de aviões não irem ao espaço, é importante entender, primeiro, como eles voam e se mantêm no ar. E é tudo uma questão de física.

Com a ajuda de seus motores, os aviões conseguem acelerar. Quando o ar encontra a superfície da asa em movimento, se divide em duas camadas. A camada que passa pela parte superior da asa, que é arredondada, se move mais rapidamente que a camada que passa pela parte inferior, que é "reta".

Esta diferença na velocidade de deslocamento do ar gera uma diferença de pressão, que é maior na parte de baixo da asa do que no topo. Isso produz uma força, o empuxo, que empurra o avião de baixo para cima, levantando a asa e a aeronave junto com ela.

As asas ajudam a manter o avião no r devido ao formato delas
(Imagem: Reprodução/Unsplash/Johny Goerend)

Agora, considere que o ar em grandes altitudes é rarefeito, ou seja, quanto mais alto você está, menos moléculas dos gases que o compõem, entre eles o oxigênio, existem em um certo espaço. Isso gera dois problemas: com menos oxigênio, é mais difícil queimar o combustível para o motor, que é necessário para manter o avião em movimento.

Além disso, há menos moléculas para "segurar" o avião lá em cima. Uma forma de compensar isso seria aumentar a velocidade, mas isso exige melhor queima do combustível, que exige mais oxigênio... entendeu o problema? Se um avião comercial subir acima de um "teto" de altitude, seu motor vai apagar. Sua velocidade vai reduzir, não haverá empuxo suficiente para mantê-lo no ar e ele vai cair.

Também temos que levar em conta a gravidade terrestre, com aceleração de aproximadamente 9,8 m/s². Isso significa que a velocidade de um objeto em queda aumenta 9,8 m/s a cada segundo. Para escapar dela e entrar em órbita, os aviões comerciais teriam que viajar a uma velocidade de quase 40 mil km/h.

Só que as aeronaves comerciais chegam a velocidades bem menores: durante a decolagem, por exemplo, um avião comercial viaja a até 280 km/h. Já na chamada etapa de cruzeiro, momento em que a aeronave voa entre 9.100 e 12.400 m de altitude, a velocidade pode chegar a 850 km/h.

Por outro lado, há aviões que podem ir bem além desta velocidade — um deles é o Lockheed SR-71 Blackbird, avião militar capaz de passar facilmente dos 3.500 km/h sendo, portanto, um dos mais rápidos do mundo.

Caso você esteja se perguntando como os foguetes se movem pelo espaço, saiba que o movimento deles está profundamente ligado à terceira lei de Newton, que descreve que toda ação gera uma reação de mesma intensidade, mas na direção oposta. Este princípio é aplicado nos foguetes desde a etapa do lançamento, em que os propulsores são acionados e empurram gases para fora; estes, por sua vez, estes empurram o foguete de volta, movendo-o para cima.

Alguns “aviões” que foram ao espaço

Existem alguns veículos aéreos que, embora sejam projetados com base no design dos aviões, conseguem alcançar o espaço. Entre eles, está o X-15, um avião desenvolvido nos Estados Unidos durante a década de 1950 para atender a US National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), instituição que antecedeu a atual NASA.

O primeiro voo do X-15 aconteceu em 1959, e em 1963 uma destas aeronaves atingiu 100 km de altitude, ou seja, chegou oficialmente ao espaço.

O X-15 fez parte de uma série de aeronaves experimentais (Imagem: Domínio público)

O X-15 ajudou a encurtar a distância entre os voos tripulados na atmosfera e trouxe lições importantes para o programa espacial dos Estados Unidos. Parte delas foram colocadas em prática no programa dos ônibus espaciais, sistemas compostos por três partes principais. Uma delas era o orbitador, componente parecido com um avião, que abrigava os astronautas; as demais eram o tanque externo laranja e os propulsores sólidos, parecidos com dois foguetes finos.

Os ônibus espaciais eram lançados na vertical como foguetes, e os propulsores e motores do orbitador ajudavam o sistema a deixar a Terra; dois minutos após o lançamento, o orbitador era liberado dos propulsores, que voltavam e caíam no oceano para serem usados novamente. Já o tanque era liberado somente após consumir todo o combustível, sendo queimado na atmosfera. Após o fim das missões, os orbitadores retornavam para a Terra planando como aviões, e pousavam em pistas de pouso convencionais.

Pouso do ônibus espacial Atlantis, o último do programa (Imagem: Reprodução/NASA/Bill Ingalls)

Mais recentemente, a Virgin Galactic, empresa fundada por Richard Branson, deu a largada no turismo espacial no ano passado, com o lançamento do avião espacial VSS Unity. Durante o voo inaugural, Branson e outros tripulantes viajaram a bordo do avião, que foi levado até uma altitude de aproximadamente 13 km pela "nave mãe" VMS Eve; depois, o VSS Unity foi solto e acionou seus motores de foguete, chegando a três vezes a velocidade do som e a quase 85 km de altitude.

Via Danielle Cassita, Editado por Rafael Rigues (Canaltech) com Science Focus, NASA e Live Science