Por que um foguete voa?

Na câmara de combustão, o combustível e o oxidante reagem e geram gás a alta pressão e alta temperatura. Esse gás escapa através de um bocal em forma de sino, que o acelera a velocidades de 2.500 a 4.500 m/s, dependendo do combustível. Ejetar massa para baixo gera uma força de igual magnitude para cima no veículo: esse é o empuxo. Quanto maior a vazão de gás e sua velocidade de saída, maior o empuxo — sem nenhuma participação do ar circundante.

Para decolar, o empuxo deve superar o peso total do foguete, que está em sua maior parte carregado de combustível: em um lançador típico, o combustível e o oxidante representam mais de 85% da massa na rampa de lançamento. No início, a aceleração é baixa, apenas um pouco acima da gravidade, por isso os foguetes sobem lentamente nos primeiros segundos. Mas a cada segundo o veículo queima toneladas de combustível e fica mais leve, de modo que o mesmo empuxo produz uma aceleração cada vez maior. Ao final de um estágio, a carga pode atingir quatro a cinco vezes a gravidade.

Para alcançar a órbita terrestre são necessários cerca de 7,8 km/s, e nenhum foguete de um único estágio consegue isso com reserva útil, porque tanques e motores vazios são peso morto. A solução clássica é dividir o veículo em estágios: quando o primeiro esgota seu combustível, se separa, e o estágio seguinte acende seus motores já em alta velocidade e com uma massa muito menor. A equação de Tsiolkovsky, estabelecida em 1903, resume essa lógica: a velocidade final depende da velocidade de saída dos gases e da razão entre a massa inicial e a final. Para um foguete, voar significa controlar essa razão com precisão.