Existem vários tipos de motores a foguete, que podem ser de combustível sólido, líquido e até gasoso, e eles há décadas vêm causando fascínio pela enorme potência e pelos benefícios trazidos em seu uso no campo espacial e militar. Motores a foguete são mais antigos do que se imagina. Há mais de 8 séculos os chineses utilizavam “espadas de fogo” (assim como chamamos na atualidade), a base de um tipo de pólvora, em rituais e festividades. Era na verdade um grande busca-pé (espada), que são as mesmas espadas utilizadas na guerra de espadas na cidade de Cruz das Almas – BA. O verso sobre "the rocket's red glare" no hino nacional americano (escrito por volta de 1800) está falando sobre pequenos foguetes militares de combustível sólido utilizados para levar explosivos ou bombas incendiárias. Assim podemos ver que os foguetes sempre foram muito utilizados.

Os foguetes funcionam pela terceira lei de Newton (ação e reação), onde os gases expelidos pelo motor geram uma reação em sentido oposto que faz o foguete subir.

A "força" do motor de um foguete é chamada empuxo. Empuxo é medido em “libras de empuxo" nos EUA e em Newtons no sistema métrico (4,45 Newtons de empuxo equivalem a 1 libra de empuxo). Uma libra de empuxo é a quantidade de empuxo necessária para que um objeto estático, de uma libra de massa, possa vencer a força da gravidade na Terra e subir. A aceleração da gravidade na Terra é de 9,8m/s2 (Obs.: 1 libra = 0,454Kg).

Um exemplo de ação e reação seria pegar uma espingarda e dar um tiro. Quando você atira, você sente um coice para trás. Esse coice é a ação da explosão do cartucho dentro do cano da arma, gerando a reação para bala sair para frente. Nesse exemplo, a arma seria o próprio foguete, e as balas que saem, seriam os gases expelidos com a queima do combustível. Para que a arma saísse voando como um foguete, seria necessária uma seqüência de tiros num espaço de tempo muito curto (muito mais rápido do que qualquer metralhadora pode atirar) e a quantidade de balas seria enorme, ou seja, o compartimento de balas da arma seria tão grande e pesado, que ela não sairia do lugar com tamanha massa. Então, um dos problemas mais curiosos que os foguetes possuem é que, aquilo que eles querem lançar para fora de si (o combustível) possue massa e essa mesma massa os foguetes terão que carregar consigo para poder subir. Portanto, o empuxo gerado pelo motor deve ser o suficiente para vencer a gravidade e levantar toda a massa do foguete.

Existem produtos que ao queimarem conseguem produzir um enorme volume de gases, sendo, então, ideais para a utilização em motores a foguete. Todos os tipos de combinações de combustíveis são utilizados em motores de foguetes movidos a combustível líquido. Por exemplo: hidrogênio líquido e oxigênio líquido - usados nos motores do ônibus espacial; gasolina e oxigênio líquido - usados nos primeiros foguetes de Goddard; querosene e oxigênio líquido - usados no primeiro estágio dos grandes propulsores do Saturn V do programa Apollo; álcool e oxigênio líquido - usados nos foguetes V2 alemães; nitrogênio tetróxido/monometil hidrazina - usados nos motores Cassini, mas existem também os foguetes de combustível sólido, que são muito mais simples de serem fabricados e são muito mais baratos.

A idéia por trás de um simples foguete de combustível sólido é a de fazê-lo ir “para o alto e avante” por um determinado espaço de tempo, ou seja, conseguir criar uma força grande o suficiente para fazer com que o foguete vença a inércia, a gravidade e suba. O segredo é criar algo que queime muito rápido mas que não exploda, e na verdade, a diferença entre um foguete e uma bomba é muito tênue. Um foguete, portanto, nada mais é do que uma “bomba” controlada!

Para não causar uma explosão, precisa-se então criar um modo de estabilizar o combustível (pólvora, perclorato de amônio, krista-K, etc.), de forma a fazer com que ele queime de modo uniforme por um período de tempo. Para isso, é importante ter em mente que a área (superfície) de queima deve ser constante, pois o aumento súbito dessa área de queima dentro da câmara de combustão do foguete aumenta proporcionalmente a quantidade de gases produzidos na câmara e estes gases terão que passar pela mesma saída, ou seja, pela garganta da tubeira que tem seu diâmetro fixo e não suportaria a passagem de um volume maior de gases expelidos por ali, então, caso esse aumento súbito ocorra, teremos uma explosão.

O grande trabalho de se construir foguetes é, então, conseguir combinar o combustível adequado (que queime na velocidade correta, produzindo a quantidade de gases suficientes para gerar o empuxo), o material leve e resistente o bastante para suportar as altas temperaturas e pressão da câmara de combustão e, por fim, calcular o diâmetro ideal da garganta da tubeira, de forma que ela possa gerar o empuxo necessário para o foguete subir. Se a garganta for pequena demais, o foguete explode; se for grande demais, o empuxo gerado não é suficiente e você terá apenas um vulcão de festas juninas!

Para se obter uma área de queima uniforme do combustível sólido, é necessário que este esteja completamente comprimido dentro da câmara de combustão. Não pode haver espaços (bolhas, rachaduras), e nem partes fofas, ou seja, que não foram bem comprimidas, pois espaços e folgas dentro da massa de combustível provocam o aumento da área de queima, pois o fogo queima áreas que não deveriam ser queimadas naquele exato instante, aumentando o volume de gases produzidos.

O combustível do foguete é, basicamente, composto por um oxidante e seus reagentes (que são: combustíveis, canalizadores, e aglutinantes). Oxidante é o produto que vai doar o oxigênio para a reação química que resulta na queima do combustível, ou seja, o combustível de foguete já carrega em sua composição o oxigênio necessário para a sua queima, não necessitando do oxigênio do ar. Um exemplo é o KNO3 (nitrato de potássio). O nitrato de potássio na reação da pólvora é quem vai dar o oxigênio para a reação, ou seja, ele é o oxidante. O carvão e o enxofre são os combustíveis (reagentes) que reagirão com o oxigênio do KNO3, formando outros gases e completando a reação. Abaixo está a reação química da pólvora negra que é feita a base de nitrato de potássio, enxofre e carvão vegetal:

4KNO3 + 2 S + 6 C  =>  2 K2S + 2 N2 + 6 CO2

Nessa reação, 450g de pólvora nas CNTP (condições normais de temperatura e pressão) produzem cerca de 78L de gases, ou seja, o volume da pólvora ao queimar, passando do estado sólido para o gasoso, é violentamente expandido, efeito esse que é o princípio para se construir motores a foguete. A pólvora negra não é o combustível ideal para a construção desses motores, por isso o perclorato de amônio tem sido o oxidante de maior aplicabilidade nos motores atuais dessa categoria.

É importante salientar também que, após aceso, o foguete de combustível sólido não tem como ser apagado. Não é como um carro que você desliga a chave. Após aceso, não tem volta. Por isso a precisão na construção do motor, na resistência do material, na qualidade do combustível (nas medidas exatas de oxidante e reagentes), e no cálculo da garganta da tubeira, é vital para a sua segurança e para que o foguete possa subir sem se desviar de seu trajeto ou mesmo explodir.

Começaremos a ver agora como o Space Shuttle da NASA funciona e suas peculiaridades. (Entenda Space Shuttle como o conjunto: ônibus espacial em si (orbiter), o tanque de combustível externo e os dois foguetes de combustível sólido (SRBs)).

O ônibus especial possui 3 tipos de motores, sendo que ao todo eles somam sete motores. O tipo de motor que veremos primeiro são os dois motores do sistema de manobras orbitais (orbital maneuvering system (OMS)) que estão localizados em compartimentos na seção traseira do ônibus espacial (orbiter), um de cada lado da cauda. Estes motores colocam o ônibus especial em sua órbita final, mudam sua posição de uma órbita para outra, e reduzem sua velocidade para a reentrada.

Os motores OMS queimam como combustível monometil hidrazina (CH₃NHNH₂) e o oxidante tetróxido de nitrogênio (N₂O₄). De uma forma muito interessante, quando essas duas substâncias entram em contato, elas entram em combustão e queimam automaticamente (não é necessário faísca) na ausência de oxigênio. O Combustível e o oxidante são mantidos em tanques separados, ambos pressurizados com hélio. O hélio empurra os fluidos através dos dutos (linhas) de combustível (ou seja, não é necessário ter bombas mecânicas). Em cada duto de combustível existe duas válvulas de pressão que fecham esses dutos. O gás nitrogênio pressurizado, a partir de um pequeno tanque localizado perto do motor, abre as válvulas e permite que o combustível e o oxidante fluam para a câmara de combustão do motor. Quando os motores são desligados, o nitrogênio momentaneamente sai das válvulas para os dutos de combustível para descarregá-los de qualquer combustível restante, ou seja, isso elimina qualquer chance de explosão que poderia ser causada pelos resíduos de combustível nos dutos (linhas). Durante um vôo simples, existe nitrogênio suficiente para abrir as válvulas e limpar os dutos 10 vezes!
Apenas um ou mesmo os dois motores OMS podem acender (funcionar), dependendo da manobra que se deseja realizar. Cada motor da OMS pode produzir 6.000 lb (26.400 N) de empuxo. Os motores OMS juntos podem acelerar o ônibus espacial a 0.6 m/s2. Esta aceleração pode mudar a velocidade do ônibus espacial para até 305 m/s. Os motores podem funcionar e parar 1.000 vezes e têm um total de 15 horas de queima.
Podemos ver a relação da massa muito claramente no Space Shuttle. Se você alguma vez já viu o lançamento do Space Shuttle, você deve saber que ele é dividido em três partes:

• Orbiter (ônibus espacial)
• O grande tanque externo (aquele alaranjado)
• Os dois foguetes de combustível sólido (SRBs)

O ônibus espacial (orbiter) tem uma massa (“pesa”) de 74.844 kg vazio. O tanque externo pesa 35.426 kg vazio. Os dois foguetes de combustível sólido pesam 83.916 kg, vazios, cada. Mas quando você os enche de combustível, cada SRB tem capacidade de 500.000 kg de combustível. O tanque externo tem capacidade para levar 541.313 L de oxigênio líquido (5.144.372 kg) e 1.449.812 L de hidrogênio líquido (102.513 kg). O veículo completo -- shuttle, tanque externo, foguetes de combustível sólido e todo o combustível – têm uma massa total de 2 milhões de quilogramas no lançamento. Ele é lançado com 2 milhões de quilogramas para restarem apenas 74.844 kg em órbita. É realmente uma grande diferença! Para ser preciso, o orbiter pode também carregar 29.484 kg de carga (de até 4,6 x 18,3 m de tamanho), mas isso é ainda uma grande diferença com relação à massa inicial. O combustível tem uma massa quase 20 vezes maior do que o Orbiter [fonte: The Space Shuttle Operator's Manual].

Todo esse combustível é lançado para fora pela parte traseira do Space Shuttle a uma velocidade aproximada de 7.000 km/h. O SRBs queima por aproximadamente por 2 minutos e gera cerca de 3,3 milhões de libras de empuxo cada um no lançamento (2,65 milhões de libras em média durante a queima(1 libra = 0,454 kg). Os três motores principais (que utilizam o combustível do tanque externo) queimam por cerca de 8 minutos, gerando 375.000 libras de empuxo cada um durante a queima.

Parado na torre de lançamento com seus 2 milhões de kg, o shuttle apoia-se nos foguetes de combustível sólido (SRBs) e as preparações do pré-lançamento e do lançamento vão de T menos 31 segundos (regressivos):

• T - 31 s – os computadores iniciam a seqüência do lançamento.
• T - 6,6 s – os motores principais do ônibus especial acendem um de cada vez (0.12s de diferença entre eles). Os motores aumentam para mais de 90% do seu empuxo máximo.
• T - 3 s – os motores principais do ônibus especial estão na posição de lançamento.
• T = 0 s -os foguetes de combustível sólido (SRBs) são acesos e o shuttle decola da base de lançamento.
• T + 20 s - o shuttle gira para a direita (180° de giro, 78° de inclinação).
• T + 60 s – os motores do shuttle estão em seu empuxo máximo com manetes em máxima potência.
• T + 2 min - SRBs se separam do ônibus especial (orbiter) e do tanque de combustível externo a uma altitude de 45 km. Os motores principais continuam funcionando. 
• Pára-quedas se abrem no SRBs.
• SRBs cairão no oceano cerca de 225 km longe da costa da Flórida.
• Navios resgatarão os SRBs e rebocá-los de volta ao Cabo Canaveral processamento e reuso.
• T + 7,7 min – a potência dos motores principais é reduzida para manter a aceleração abaixo de 3G's para que o ônibus espacial não se quebre.
• T + 8,5 min – motores principais são desligados.
• T + 9 min – O tanque externo se separa do ônibus espacial (orbiter). O tanque externo irá se queimar na reentrada e ser recuperado depois.
• T + 10,5 min - OMS (motores do sistema de manobras orbitais) acendem para colocar o ônibus espacial numa órbita baixa.
• T + 45 min – os motores OMS se acendem novamente para colocar o ônibus espacial (orbiter) numa órbita circular mais alta (cerca de 400 km). Agora o ônibus especial está no espaço e pronto para continuar sua missão.

A mistura propelente em cada motor SRB, consiste de perclorato de amônio (oxidante, 69,6% da massa), alumínio (combustível, 16%), óxido de ferro (um catalisador, 0,4%), um polímero (um aglutinante, que mantém a mistura unida, 12,04%), e um agente epóxi (1,96%). A perfuração do propelente tem a forma de uma estrela de 11 pontas na parte traseira do segmento do motor e uma perfuração cônica bi-truncada em cada segmento anterior. Esta configuração provê um alto empuxo na ignição e então reduz o empuxo para aproximadamente 1/3, 50 segundos depois do lançamento para evitar a fadiga (ruptura) do veículo durante a maior pressão dinâmica. [fonte: NASA]

A massa de combustível com a perfuração de estrela de 11 pontas:

A idéia por trás desse tipo de perfuração no início da massa de combustível, é a de aumentar a área de queima do canal, conforme já explicado anteriormente, e aumentar o empuxo. Conforme o combustível queima, a forma da perfuração do canal passa de um formato 11-estrelas para o de um círculo. No caso do SRBs, isso dá ao motor um alto empuxo inicial e diminuí o empuxo do meio do vôo em diante, equilibrando a pressão dinâmica e evitando uma possível explosão.

Os motores de foguete de combustível sólido têm três vantagens importantes:

• Simplicidade.
• Baixo custo.
• Segurança.

Eles tambem têm duas desvantagens:

• O empuxo não pode ser controlado.
• Uma vez acesos, o motor não pode ser parado ou reiniciado.

As desvantagens significam que os foguetes de combustível sólido são úteis para lançamentos de um curto período de tempo (como os mísseis), ou como sistema impulsionador. Quando é necessário ter o controle dos motores, então é preciso utilizar motores com um sistema de propulsão de combustíveis líquidos.
Então já vimos que para lançar o shuttle de 2 milhões de kg da base de lançamento para a órbita (185 to 643 km) acima da superfície da Terra, o shuttle usa os seguintes componentes:

• 2 foguetes propulsores de combustível sólido (SRB);
• 3 motores principais do ônibus especial (orbiter);
• O tanque de combustível externo (ET);
• Os motores do sistema de manobras orbitais (OMS) no ônibus espacial.

Os SRBs (Solid Rocket Boosters) provêm a maior parte da força ou empuxo (71%) necessário para lançar o shuttle da base de lançamento. Além do mais, os SRBs suportam toda a massa (“peso”) do ônibus especial e do tanque de combustível externo. Cada motor SRB é composto pelas seguintes partes:

• Motor a foguete de combustível sólido: corpo (carenagem), propelente, ignição e tubeira.
• Propelente sólido
  • combustível – alumínio atomizado (16%)
  • oxidantes – perclorato de amônio (70%)
  • catalisador – pó de óxido de ferro (0,2%)
  • Aglutinante – ácido acrilonato acrílico polibutadieno (12%)
  • Agente de secagem – resina epóxi (2%)
• Estrutura articulada
• Anéis de borracha sintética entre as juntas
• Instrumentos de vôo
• Sistemas de recuperação
  • Pára-quedas (pequeno (piloto) e principal)
  • Dispositivos de flutuação
  • Dispositivos de sinalização
• Cargas explosivas para separar o tanque externo
• Sistema de controle de empuxo
• Mecanismo de auto-destruição

Como, uma vez acesos os motores SRBs (foguetes de combustível sólido) não podem ser apagados, eles são assim os últimos componentes a serem acesos no lançamento.

O ônibus especial (orbiter) tem 3 motores principais localizados na parte traseira da fuselagem. Cada motor tem 4,3 m de comprimento, 2,3 m de diâmetro no seu ponto mais largo (a tubeira) e tem uma massa de 3.039 kg.

Os 3 motores principais provêm o empuxo restante (29%) para lançar o shuttle da base de lançamento até a órbita. Esses motores queimam hidrogênio e oxigênio líquido, que ficam armazenados no tanque de combustível externo (ET), numa razão de 6:1. Eles extraem hidrogênio e oxigênio líquido do tanque externo a uma razão assombrosa e equivalente ao esvaziamento de uma piscina semi-olímpica a cada 10 segundos! O combustível é parcialmente queimado numa pré-câmara para produzir alta pressão (gases quentes que giram as turbinas (bombas de combustível)). O combustível é então queimado completamente na câmara de combustão principal e os gases produzidos (vapor de água) saem da tubeira a uma velocidade aproximada de 10.000 km/h. Cada motor pode gerar entre 375.000 e 470.000 lb (1.668.083 a 2.090.664 N) de empuxo, e a razão de empuxo pode ser controlada variando de 65 a 109% de empuxo máximo. Os motores estão montados sobre argolas de suspensão (mancais redondos) que controlam a direção dos gases da exaustão, controlando a direção do foguete.

O tanque externo (ET) tem 48 m de comprimento e tem 8,4 m de diâmetro. Quando vazio, o tanque externo pesa 35.455 kg. Ele leva cerca de 719.000 kg e propelente com um volume total de cerca de 2 milhões de litros. Esse tanque externo é feito de alumínio e outras ligas. Ele tem dois tanques separados dentro, o tanque superior para o oxigênio e o tanque inferior para o hidrogênio, separados por uma região de inter-tanque. Cada tanque tem dois defletores que amortecem o movimento dos fluídos. O fluido sai de cada tanque através de um alimentador (duto) de 43 cm de diâmetro para fora do ET por meio de um duto umbilical nos motores principais do shuttle. Através desses dutos, o oxigênio pode fluir a uma razão máxima de 66.600 L/min. O hidrogênio pode fluir a uma razão máxima de 179.000 L/min.

O tanque externo é coberto por 2,5cm de espuma poli-isocarbureto que serve como camada de isolamento. O isolamento mantém o combustível gelado, protege o combustível do calor que aumenta durante a subida do tanque externo em vôo, e minimiza a formação de gelo. Essa capa de isolamento é que dá aquela cor alaranjada ao tanque externo.

O cientista alemão e mais tarde naturalizado norte americano, Dr. Wernher von Braun (23 março de 1912 – 16 junho 16 de 1977), foi uma das figuras mais importantes no desenvolvimento da tecnologia dos foguetes na Alemanha e nos Estados Unidos. Ele liderou o programa alemão de desenvolvimento de foguetes antes e durante a Segunda Guerra, entrou nos EUA no final da Segunda Guerra através da então secreta  ‘Operation Paperclip’. Após naturalizar-se um cidadão norte Americano, trabalhou no programa americano ICBM antes de entrar para a NASA, onde serviu como Diretor. Ele geralmente é lembrado como o pai do programa especial norte americano.