A aterrisagem do Falcon-9



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As imagens do Falcon 9 aterrissando em Cabo Canaveral causaram grande sensação em todo o mundo. O feito da SpaceX foi possível graças ao desenvolvimento do trem de aterragem extensível, mas antes de tudo, pelo sistema de controle do estágio, que engloba o funcionamento de um dos motores Merlin 1D e a abertura de quatro aletas em ‘grid’ no topo do cilindro do foguete. Estas medidas tornam o estágio capaz de um voo estável no retorno ao solo. Para estender estas aletas, o Falcon 9 utiliza pistões movidos por um sistema hidráulico “aberto” que usa um reservatório separado de querosene de foguete RP-1 (que é utilizado como o fluido hidráulico) pressurizado com nitrogenio – perto da seção interestágio. Este, após a utilização, é drenado para o tanque principal de combustível para alimentar os motores.

Há algumas razões para a SpaceX ter decidido usar esta filosofia: Um sistema hidráulico fechado, separado do circuito principal de RP-1, pediria uma bomba para pressurizar o querosene para reutilização. Isso adicionaria peso e complexidade a algo que na essência não deve ser mais pesado ou mais complexo.

Um sistema hidráulico fechado que utiliza o querosene a partir do tanque principal ( e não de um tanque separado) também foi julgado impraticável, uma vez que exige uma bomba para empurrar o líquido do tanque (idealmente perto da turbomaquinaria dos motores, direto para a parte superior do veículo). Não há maneira fácil de fazer isso, e projetar para um sistema electromecânico para esta função iria requerer uma quantidade muito grande de energia para funcionar, exigindo um número enorme de baterias.

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Todas as soluções acima requerem bombas e mecanismos de armazenamento de energia – algo não muito atraente ou apropriado para o Falcon 9, que prevê um mínimo de gastos.
As aletas em “grid” são estendidas em aproximadamente T + 5 minutos. Isto é, antes do acionamento do motor de reentrada. Na maioria do tempo em que as aletas são estendidas, o Falcon 9 está em vôo livre. A solução da SpaceX é bastante inteligente.

O sistema não requer energia dos motores para funcionar. Não envolve uma instalação de um complexo de canalização que adiciona peso ao bombear o RP-1 a partir do fundo do tanque. Não adiciona muita massa ao conjunto, uma vez que o querosene cai no tanque e pode ser usado pelos motores. No geral, ele pesa menos que uma quantidade semelhante de nitrogênio frio pressurizado para controle de atitude, como acontece com outros projetos.

Alguns detalhes sobre o foguete

Falcon-9FT 000809Em comparação com a maioria dos foguetes, o Falcon 9 da SpaceX parece extraordinariamente alto e delgado. A versão v1.1 tem quase 70m de altura, mas apenas 3,6 m de diâmetro. Para efeito de comparação, Atlas V tem 58m de altura e 3,8 m de diâmetro; o Proton-M, 58m de altura e 7.44m de diâmetro (no primeiro estágio, e 4.15 metros nos outros).

Qual é a razão para a forma do Falcon 9? Um foguete menor, mais largo, pode ser mais estável. Mas o diâmetro de 3,6 metros é o maior a ser transportável por estrada, nos Estados Unidos.

A SpaceX fabrica o seu booster em Hawthorne, Califórnia. O foguete é transportado por rodovias para McGregor, Texas, para testes de disparo de seus motores Merlin. Em seguida ele volta, também de caminhão, para a Flórida (para o complexo de lançamento LC-40 na estação da Força Aérea Americana.

O Falcon 9 original, versão 1.0, tinha dimensões apropriadas para transportar combustível e oxidante para seus objetivos – baseado em quanto tempo os motores Merlin-1C funcionariam consumindo estes propelentes. A versão 1.1 mudou para o motor Merlin-1D , de potência superior, o que significa que também consome mais combustível e oxidante. Assim, os tanques tiveram que ser ampliados para alimentar o novo grupo propulsor. O foguete tem quatro pernas de aterrissagem; Estas pernas são transportados em separado e acopladas ao foguete no local de lançamento.

Existem pequenas diferenças entre o Falcon 9 1.1 descartável e o Falcon 9 1.1 FT reutilizável, ou F9-R – a maioria delas modular, tais como a adição das aletas de grade e pernas de aterragem , mas o primeiro estágio é quase o mesmo.

Quando se trata de voar pela estratosfera e além, um foguete precisa ser aerodinâmico. O arrasto (resistência do ar) depende da área da secção transversal de um corpo – neste caso o diametro do foguete. Portanto, sendo um foguete esguio, o Falcon atravessa a atmosfera com menos arrasto, desperdiçando menos combustível enquanto avança pela atmosfera.

O primeiro estágio do Falcon 9 usa três queimas de motor em sua trajetória de retorno ao solo:
A queima de frenagem, para anular sua velocidade para a frente e retornar na direção da pista de aterrissagem. Isso desacelera o estágio de 5.000 km/h para quase zero, além de impor um pouco de velocidade de retorno.

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A queima de reentrada, para reduzir a sua velocidade, uma vez que entra na atmosfera. Começa a 45 km de altitude, na fase supersônica no início da queima do motor.
A queima de aterrissagem, para orientar o estágio em direção à pista de pouso e eliminar sua velocidade restante. Se o motor não funcionar nesta fase, a trajetória levará o foguete para o oceano.

Algumas comparações indevidas

Algumas pessoas estão comparando o Falcon com o Space Shuttle americano. A comparação não é pertinente, senão vejamos:

O Falcon 9 é um foguete comercial, projetado tanto para missões não-tripuladas como tripuladas; Sua carga útil (13.000 kg em órbita baixa) é diferente da do Shuttle (20.000 a 30.000 kg), e o Shuttle é sempre lançado com tripulação.

SpXOrbcomm 12O Shuttle foi projetado na década de 1970 e sua tecnologia amadureceu desde então. Além disso, os defeitos do Shuttle agora são mais evidentes do que na época de seu projeto – e um novo design pode evitá-los. Por exemplo, o escudo térmico. Era composto por milhares de pequenas telhas de silício. Os projetistas não atinaram que poderiam fazer grandes telhas, da forma certa, que pudessem lidar com as cargas de flexão da estrutura da nave. Isso acrescentou um custo de mão de obra monstruoso nas reformas do orbitador, depois de cada missão. Subsequentemente a NASA passou a substituir grandes áreas de telhas por cobertores maiores.

A SpaceX , para sua proteção térmica, adotou um sistema já conhecido (PICA – phenolic impregnated carbon ablator) e atualizado , usado em grandes seções, para sua cápsula Dragon. ( É claro que uma cápsula é muito mais fácil de revestir do que algo do tamanho do orbitador americano).

Os motores SSME do Shuttle eram ‘top de linha’ – os de desempenho mais elevado, possivelmente, já construídos e utilizados em um veículo de lançamento. Juntamente com isso vieram altos custos de manutenção, embora atenuados um pouco no fim do programa com vários melhoramentos feitos neles.

O sistema da SpaceX é muito menor e, assim, muito mais fácil de recuperar. Consideremos o problema de recuperação de uma cápsula (Dragon) versus o orbitador do Shuttle. Em seguida, pensemos na sua reutilização.

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O Shuttle precisava de um exército permanente de umas 24.000 pessoas para manter o sistema. Toda a SpaceX emprega 5000. Consideremos o custo de salários para 24.000 pessoas versus 5.000 e dividamos isto sobre o número de lançamentos por ano. Este é um grande fator favorável para os custos do sistema.

Mais ainda: Por razões políticas, o Shuttle foi construído em fábricas de muitos estados americanos, de modo muito parecido com o europeu Ariane 5 – feito em partes, em muitos países da Europa. Desta forma, diferentes senadores e congressistas logo se mostraram dispostos a votar a favor do programa STS, uma vez que abriria um número enorme de postos de trabalho em seus Estados. Esta é uma receita para a ineficiência.

A SpaceX constrói quase todo o seu foguete em um só lugar (Hawthorne, Califórnia), faz seus ensaios em outro (McGregor, Texas), e realiza os lançamentos a partir de um terceiro (LC-40 na Flórida). Para seus próximos lançadores , planeja construi-los e testá-los próximo ao local de lançamento – principalmente porque estes foguetes vão ser muito grandes para o transporte ser economicamente viável.

Falcon-9Por quê reutilizar?

A parte mais difícil de fazer uma espaçonave reutilizável é tornar sua a reutilização mais barata do que seu descarte. Cada grama adicionada ao peso faz o lançamento mais caro, e uma nave espacial que pode ser reutilizada vai ser consideravelmente mais pesada que uma descartável.

Além de pensar nos custos de lançamento, deve-se levar em consideração os custos de renovação e re-certificação de uma nave espacial (ou foguete) após ela ter atravessado as fases de lançamento, voo espacial, reentrada e recuperação. Não se pode simplesmente tomar a nave espacial, limpá-la, reabastecê-la com hidrazina e coloca-la de volta no topo de um foguete,; deve-se testar e reparar todos os sistemas a bordo. O programa do Shuttle mostrou que às vezes, esses custos podem ser maiores do que a substituição pura e simples da nave espacial, de cada vez.

Note-se que os projetos mais recentes de naves espaciais são reutilizáveis, utilizando lições aprendidas com o programa STS e novas tecnologias e materiais para melhorar a relação custo-benefício.

Recuperar o veículo espacial é ‘fácil’; fazê-lo voar de novo é difícil.

O preço de uma falha numa missão no espaço é enorme. Isto é duplamente verdade para missões tripuladas. A confiabilidade das peças é essencial. Por isso, é mandatário desenvolver peças altamente confiáveis , sendo também obrigatório, no caso de sistemas reutilizáveis, assegurar esta confiabilidade num sistema que possa ser usado repetidas vezes. Um veículo espacial passa por deformações elásticas e mudanças irreversíveis que ocorrem na sua estrutura em vôo, especialmente quando se usa paraquedas na aterrissagem. Projetar uma estrutura elástica e resiliente adiciona peso e aumenta o custo. O projeto também deve prever que o veículo seja inspecionável – desmontado parcialmente para permitir substituição de peças defeituosas ou desgastadas – , o que nem sempre é fácil.

Falcon 9 – Custo x Benefícios da reutilização

Atualmente, a taxa de sucesso parcial do Falcon 9 é de 95% e sua taxa de sucesso completo é de 88% – bem similar a um foguete descartável. Ainda há que se ter um histórico de lançamentos mais volumoso para podermos ter uma noção mais completa.

SpXOrbcomm 2A NASA tem usado foguetes (ou veículos espaciais) reutilizaveis por décadas, levando cargas e astronautas. Os space shuttle foram usados numa média de 27 vezes cada um, e as duas falhas catastróficas (Challenger em 1986 e Columbia em 2003) não estavam relacionadas com a reutilização em si (embora as decisões de design feitas em nome de reutilização foram fatores contribuintes para os acidentes). Portanto, não seria surpreendente para a SpaceX gerenciar 10 a 100 reutilizações de seu primeiro estágio, com algum grau de revisão de motores – ou substituição – eventual.

É muito provável que a SpaceX vá cobrar uma boa fração do preço que estabeleceria para um foguete descartável. Mesmo cobrar metade do custo real de um lançamento do Falcon seria uma vitória para os clientes que atualmente pagam um preço enorme – e uma vitória para SpaceX se eles puderem usar o primeiro estágio, que sejam três ou quatro vezes, com sucesso.

Note-se também que o Falcon 9 descarta seu segundo estágio, que equivale a cerca de 25% do custo total do veículo (ele responde por metade dos sistemas de orientação, quase metade das estruturas de tanques, 1/7 da massa seca, 1/10 os motores, etc.) Assim, uma redução de custos em seis vezes seria um grande desafio.

SpXOrbcomm 1No caso de um foguete reutilizável, alguns propõem que apenas a seção de motores seja recuperável; Esta opção não encontrou preferência até hoje entre os designers. É mais fácil retornar o estágio inteiro: Precisa-se de combustível para aterrissar a seção propulsora – já que os motores descem funcionando para frear o conjunto, são necessários os dois tanques de propelente. Um tanque quase vazio também ajuda a estabilidade: O primeiro estágio do Falcon – quando está descendo – por exemplo, tem a maioria do seu peso na parte inferior, que é a configuração mais estável. A seção do motor traz o centro de gravidade abaixo da metade do comprimento, o que faz com que a parte inferior se volte naturalmente para o solo.

Os tanques de combustível são principalmente espaço vazio, mas são feitos de ligas de alto custo e são soldadas em máquinas caras. É um investimento que não faz sentido se jogar fora. Se a ideia é reutilizar o primeiro estágio, faz sentido recuperar tanto dele quanto possível.

A complexidade está em controlar a descida para pousar exatamente no ponto certo. Ao fazer o estágio mais estável, com os tanques de combustível quase vazios, na verdade, torna-se a aterrissagem mais simples.

A SpaceX está interessada em baixar o preço de lançamento sempre que possível. Pretendem chegar a isso através da padronização dos processos de fabricação, mantendo-os flexíveis e com facilidade para implementar melhorias futuras (muitas vezes através da introdução de técnicas de fabricação inovadoras, como impressão 3D).

Esta, na visão de Elon Musk, é a chave para manter os custos não-operacionais bem baixos. Assim, eles oferecem aos seus clientes uma opção – voar em um foguete descartável Falcon 9 v1.1 FT (informalmente chamado F9E – E de ‘expendable‘, descartável), com maior capacidade de carga – e pagar mais; E outra opção (com o Falcon F9-R reutilizável) – com carga útil menor mas pagando menos.

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Junior Miranda é desenhista e professor de desenho, sendo um entusiasta espacial desde a sua infância

Imagens: SpaceX

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