SpaceX lança Dragon para a ISS



A SpaceX levou a cabo lançamento de um foguetão Falcon-9 cujo primeiro estágio havia já sido anteriormente utilizado, transportando uma cápsula logística Dragon na missão CRS-13 para a estação espacial internacional. O lançamento teve lugar ás 1536UTC do dia 15 de Dezembro de 2017 a partir do Complexo de Lançamento SLC-40 do Cabo Canaveral AFS, Florida. O foguetão utilizado nesta missão tinha a designação Falcon-9 (B1035.2) e a cápsula é a Dragon-C108. Na designação interna da empresa, esta é a missão SpX-13.

Este lançamento foi o primeiro para a SpaceX desde o lançamento bem sucedido do satélite de comunicações KoreaSat-5A (Mugungwha-5A) levado a cabo pelo foguetão Falcon-9-045 (B1042) a 30 de Outubro. A missão Zuma, da Northrup Grumman, que estava agendada para lançamento em Novembro, foi adiada para o dia 4 de Janeiro de 2018, após surgirem preocupações relacionadas com a carenagem de protecção utilizada no lançador. Atingindo cerca de 46 dias, o espaço de tempo entre o lançamento do KoreaSat-5A e a missão CRS-13, acaba por ser o tempo mais longo entre dois lançamento desta empresa em 2017. Esta missão foi o 17º lançamento da SpaceX em 2017, estando mais uma missão prevista para 23 de Dezembro para colocar em órbita dez novos satélites Iridium NEXT.

O lançamento da Dragon não necessita de carenagem de protecção, se bem que os responsáveis da SpaceX tenham já afirmado que os problemas registados com a carenagem de protecção que levou ao atraso da missão Zuma, estejam já ultrapassados.

A missão CRS-13 é a 15ª missão dedicada ao transporte logístico para a ISS e a 14ª tendo por destino a estação espacial internacional. Para esta missão, tanto a cápsula Dragon como o primeiro estágio do seu lançador são reutilizados de missões anteriores. Esta é a segunda vez que uma cápsula Dragon é reutilizada numa missão e o quarto voo de um primeiro estágio já utilizado anteriormente, sendo a primeira vez que uma cápsula Dragon é lançada por um primeiro estágio já utilizado.

O primeiro estágio para esta missão foi o Core 1035. Este é um estágio Block III que foi anteriormente utilizado por um foguetão Falcon-9 que colocou em órbita uma outra missão logística, a CRS-11, em Junho de 2017. Assim, a CRS-13 é a primeira missão da NASA a ser lançada por um foguetão Falcon-9 já utilizado e a primeira missão da NASA a ser lançada num lançador reutilizado desde o final das missões dos vaivéns espaciais em 2011.

A aprovação da NASA para a utilização de um foguetão reutilizado surgiu após uma longa e profunda revisão interna e esteve condicionada ao facto de o foguetão ter sido somente utilizado numa missão para a órbita terrestre baixa. Até à data, todos os foguetões que fizeram uma missão deste tipo, só foram reutilizados uma vez. 

Por seu, a cápsula Dragon-C108 foi anteriormente utilizado na missão CRS-6 que teve lugar em 2015. Lançada a 14 de Abril por um foguetão Falcon-9 V1.1, a cápsula passou quase 37 dias em órbita, dos quais 34 desses dias acoplada à ISS, antes de regressar à Terra a 21 de Maio onde foi recolhida com sucesso após uma amaragem ao largo da costa da Califórnia. A cápsula C108 é a segunda cápsula Dragon a ser reutilizada , com a cápsula C106 a ser utilizada na missão CRS-4 antes de ser reutilizada na missão CRS-11 em princípios de 2017 lançada pelo primeiro estágio que foi utilizado na missão CRS-13.

Carga a bordo

A Dragon transporta 2.205 kg de carga para a ISS, incluindo 490 kg de mantimentos e provisões para a tripulação, 711 kg de equipamento científico e experiências, 189 kg de equipamento para a ISS, 5 kg de equipamento informático e 165 kg de equipamento para apoio das actividades extraveículares. Duas cargas não pressurizadas com uma massa conjunta de 645 kg encontram-se na secção de carga não pressurizada da Dragon (o Space Debris Sensor e o Total and Spectral Solar Irradiance Sensor).

Space Debris Sensor (SDS) será colocado no exterior do módulo laboratorial Columbus. Com uma área de superfície de 1m2, irá ter como função detectar impactos de pequenos pedaços de detritos orbitais até um tamanho de 50 microns. Este é um protótipo de uma missão que será colocada numa órbita mais elevada. O SDS irá operar na ISS pelo menos durante dois anos, registando a velocidade e o tamanho dos objectos dos quais sofrerá impactos. 

Total and Spectral Solar Irradiance Sensor (TSIS) será montada na plataforma exterior ExPRESS Logistics Carrier 3 (ELC-3) que se encontra afixada ao segmento P3. O TSIS irá obter medições da quantidade de energia que recebe do Sol: a Irradiância Solar Total – Total Solar Irradiance (TSI) – é a quantidade de energia recebida do Sol, enquanto que a Irradiância Espectral Solar – Spectral Solar Irradiance (SSI) – mede a energia recebida em comprimentos de onda específicos. Ao se compreender a quantidade de energia que a Terra recebe a partir do Sol, vai ajudar os cientistas a monitorizar a quantidade de radiação da Terra, enquanto que ao se medir comprimentos de onda específicos ajuda na caracterização de como o Sol afecta a atmosfera a atmosfera terrestre e o seu clima. O TSIS serve como substituto dos sensores de irradiância a bordo do satélite Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) da NASA que foi colocado em órbita em Janeiro de 2003 por um foguetão Pegasus-XL.

O Complexo de Lançamento SLC-40

O lançamento da missão CRS-13 teve lugar a partir do Complexo de Lançamento SLC-40 (Space Launch Complex-40) do Cabo Canaveral AFS (Air Force Station), Florida. Este foi o primeiro lançamento desde o SLC-40 desde que um foguetão Falcon-9 explodiu durante um teste estático realizado a 1 de Setembro de 2016, dois dias antes do lançamento do satélite de comunicações Amos-9. Tanto o Falcon-9 como o satélite Amos-9 foram destruídos no acidente que se deveu a uma falha estrutural de um denominado ‘Composite Overwrapped Pressure Vessel‘ (COPV) no segundo estágio do lançador.

Enquanto que as reparações estiveram a decorrer no SLC-40, os foguetões Falcon-9 foram lançados a partir do Complexo de Lançamento LC-39A do Centro Espacial Kennedy, Merritt Island. Estando agora o SLC-40 em serviço, a SpaceX pode agora finalizar os trabalhos de preparação do LC-39A para permitir o lançamento inaugural do foguetão Falcon Heavy em Janeiro de 2018.

Lançamento e fase inicial de voo

A cápsula Dragon é activada 26 horas antes do lançamento. Por seu lado, o foguetão Falcon-9 é activado a T-10h. Tanto o lançador como a sua carga são submetidos a uma série de verificações testes antes do início do abastecimento do querosene RP-1. Este processo inicia-se a T-1h 10m, seguindo-se o início do abastecimento do oxigénio líquido (LOX) a T-45m. 

A fase terminal da contagem decrescente inicia-se a T-10m, com o acondicionamento térmico dos motores. A T-7m a cápsula Dragon começa a utilizar as suas baterias internas para o fornecimento de energia e a T-1m 30s o Director de Lançamento da SpaceX verifica se todos os parâmetros estão prontos para o lançamento. Na mesma altura, é verificado que o espaço aéreo está pronto para o voo. A T-1m é enviado um comando para o computador de voo para iniciar as verificações pré-lançamento e o sistema de supressão sónica por água é activado na plataforma de lançamento. Os tanques de propolente são pressurizados nesta altura e a sequência de ignição é iniciada a T-3s. A T=0s o foguetão abandona a plataforma.

Abandonando a plataforma de lançamento, o Falcon-9 inicia uma série de manobras para se colocar na trajectória de voo correcta. A fase MaxQ é atingida a T+1m 18s. O final da queima do primeiro estágio ocorre a T+2m 21s, dando-se quatro segundos depois a separação entre o primeiro e o segundo estágio. O segundo estágio entra em ignição a T+2m 33s. O final da queima do segundo estágio ocorre a T+9m 00s, seguindo-se a separação da cápsula Dragon a T+10m 00s, com a abertura dos painéis solares a ter lugar a T+11m 0s e a abertura das portas dos porão de orientação, navegação e controlo a ocorrer a T+2h 20m. 

Enquanto que o segundo estágio continua a sua ascensão orbital, o primeiro estágio regressa à Terra realizando uma queima a T+2m 38s para iniciar a sua descida controlada. O primeiro estágio tem 17 segundos para conseguir fazer uma rotação de 180º para executar esta manobra. Ao activar os seus motores, as chamas resultantes da ignição juntam-se às chamas resultantes da ignição do segundo estágio dando a sensação de uma explosão. A T+6m 7s ocorre a queima de reentrada que terá uma duração de cerca de 25 segundos. Cerca de dez segundos antes da aterragem, os suportes de descida na base do primeiro estágio são colocados em posição para equilibrar o veículo na Landing Zone-1 (LZ-1). A aterragem ocorre a T+7m 46s.

A LZ-1 ocupa agora a área que anteriormente fazia parte do Complexo de Lançamento 13 (LC-13) do Cabo Canaveral AFS. Foi aqui onde a SpaceX recuperou pela primeira vez com sucesso o primeiro estágio de um foguetão Falcon-9. Originalmente construído nos anos 50 do século XX, o LC-13 foi utilizada para o lançamento de ensaio dos mísseis Atlas e mais tarde para os lançamentos orbitais dos foguetões Atlas-Agena. O último lançamento desde este complexo teve lugar em Abril de 1978 e as estruturas de apoio do complexo de lançamento foram demolidas em 2005 após se tornarem instáveis.

Dragon SpX-4 02A fase de operações orbitais e de aproximação à ISS, inicia-se logo após a separação da cápsula do segundo estágio do foguetão lançador. A T+12m é iniciada a sequência de abertura dos painéis solares.  A T+2h20m tem início a abertura da porta GNC (Guidance and Navigation Control), expondo o conjunto de sensores que serão necessários para as manobras de encontro com a estação espacial. Por volta de T+5h é realizada a queima coelíptica que circulariza a órbita da cápsula Dragon após a injecção orbital por parte do foguetão Falcon-9.

A Dragon SpX-13 deverá acoplar com a ISS cerca de dois dias após o lançamento. Até lá, a cápsula teria de realizar um conjunto de manobras para elevar a sua órbita. Estas manobras seriam realizadas no segundo e terceiro dias da missão: as manobras começam a ajustar a altitude da Dragon em direcção à estação, e procede-se à configuração da unidade CUCU (COTS Ultra-High Frequency Communications Unit) e dos sistemas de comunicações UHF do veículo.

Próximo da Dragon SpX-4 03estação, a Dragon iniciaria uma série de queimas que a colocariam a 2,5 km abaixo da ISS. Após ser tomada a decisão de prosseguir com a aproximação, a Dragon recebe e envia informações da unidade CUCU para a estação. Uma nova queima coloca o veículo a 1,2 km da ISS e após ser tomada uma nova decisão de se prosseguir com a aproximação, uma nova manobra coloca o veículo dentro do elipsóide de aproximação. Continuando a aproximação, o veículo vai ser colocado estacionário a 250 metros da ISS para confirmação de que os sensores de proximidade adquirem o alvo de aproximação. A partir desta fase, a Dragon vai iniciar uma aproximação ao longo do R-bar, isto é, seguindo uma trajectória ao longe de uma linha imaginária que liga a estação ao centro da Terra. Esta aproximação prossegue até atingir uma distância de 30 metros onde aguarda nova decisão de prosseguir com a manobra que a levará até 10 metros da estação, sendo este o ponto de captura que é feito pela tripulação utilizando o braço robot da ISS. Finalmente, a cápsula é acoplada ao módulo Harmony com os astronautas a acederem ao seu interior no final do terceiro dia de missão.

 DragonCRS3_2014-04-13_16-53-09A cápsula Dragon

A cápsula Dragon foi desenvolvida pela SpaceX com o objectivo de transportar carga para a estação espacial internacional. Em Junho de 2006 foi seleccionada pela NASA, juntamente com o veículo K-1 da Kistler, para ser desenvolvida ao abrigo do programa COTS. Em Outubro de 2007 o contrato com a Kistler seria cancelado após a empresa não ser capaz de atingir os objectivos propostos, sendo atribuído um outro contrato à Orbital Sciences Corporation em Fevereiro de 2008 para o desenvolvimento do veículo Cygnus.

DragonSpX8 2

O desenvolvimento da Dragon teve início em 2006 e em Março de 2006 o seu projecto era submetido para o programa COTS. A cápsula foi desenhada para ser capaz de no futuro transportar tripulações, bem como carga.

O seu módulo de carga pressurizado tem um volume de 10 m3, DragonCRS3_2014-04-13_16-53-36enquanto que a sua secção não pressurizada, que pode ser utilizada para o transporte de carga ou de pequenos satélites, tem um volume de 14 m3. Em cada secção podem ser transportados até 3.310 kg de carga (lançamento) ou 2.500 kg (regresso). Excluindo a secção não pressurizada, a Dragon tem um comprimento de 2,9 metros (5,1 metros com a secção não pressurizada) e um diâmetro de 3,66 metros. Transporta um total de 1.290 kg de propolente para um perfil de missão nominal com uma inserção sub-orbital e subsequente voo até à ISS.

Para a acoplagem com a ISS, a cápsula está equipada com um mecanismo de captura e acoplagem CMB (Common Berthing Mechanism) que permite que seja «agarrada» pelo Canadarm2 numa maneira muito semelhante com o que acontece com o veículo de carga japonês HTV.

O controlo de atitude da Dragon é possível utilizando 18 pequenos motores Draco que queima monometil hidrazina e tetróxido de azoto. Estes pequenos motores são também utilizados para o regresso à Terra, pois ao contrário do que acontece com os outros veículos de transporte de carga, a Dragon é recuperada após cada missão. Para tal, a cápsula está equipada com um escudo térmico fabricado num material denominado PICA-X (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). Este material pode suportar temperaturas até aos 2.200ºC. O escudo térmico tem um diâmetro de 3,66 metros e cobre a parte inferior da cápsula. O seu desenvolvimento demorou quatro anos e a SpaceX planeia reutilizar o escudo térmico em várias missões.

O foguetão Falcon-9

Baptizado em nome da nave Millenium Falcon da saga cinematográfica “Guerra das Estrelas”, o foguetãfalcon9o Falcon-9 v1.1 era um lançador a dois estágios projectado e fabricado pela SpaceX para o transporte seguro e fiável de satélites e do veículo Dragon para a órbita terrestre. Sendo o primeiro foguetão completamente desenvolvido no Século XXI, este lançador foi projectado desde o início para ter a máxima fiabilidade. A sua simples configuração de dois estágios minimiza o número de eventos de separação (staging) e com nove motores no primeiro estágio, pode completar a sua missão em segurança mesmo na possibilidade de perda de um motor.

O Falcon-9 fez história em 2012 quando colocou a cápsula Dragon na órbita correcta para uma manobra de encontro com a estação espacial internacional, fazendo da SpaceX a primeira companhia comercial a visitar a ISS. Desde então, a SpaceX realizou um total de três missões para a ISS transportando e recolhendo carga para a NASA. O Falcon-9, bem como a cápsula Dragon, foram desenhados na base do desenvolvimento de um sistema de transporte de astronautas para o espaço e num acordo com a NASA, a SpaceX está activamente a trabalhar para atingir esse objectivo.

O foguetão Falcon-9 Upgrade, ou Falcon-9 FT, (a seguir designado simplesmente como ‘Falcon-9’) representa a mais recente evolução deste lançador. De forma geral o Falcon-9 tem 68,4 metros de comprimento, 3,7 metros de diâmetro e uma massa de 541.300 kg. O veículo é capaz de colocar uma carga de 13.150 kg numa órbita terrestre baixa ou 4.850 kg numa órbita de transferência geossíncrona.

O primeiro estágio do Falcon-9 está equipado com nove motores Merlin (Merlin-1D) e tanque de liga de alumínio e lítio que contêm oxigénio líquido e querosene RP-1. Após a ignição, um sistema de segurança fixa o veículo na plataforma de lançamento e garante que todos os motores são verificados como estando na força máxima antes de libertar o foguetão para o seu voo. Então, com uma força superior a cinco aviões Boeing 747 em potência máxima, os motores Merlin lançam o foguetão para o espaço. Ao contrário dos aviões, a força de um foguetão vai aumentando com a altitude – o Falcon-9 gera 6.806 kN ao nível do mar mas atinge 7.426 kN no vácuo espacial. Os motores do primeiro estágio vão sendo aumentados em potência perto do final da queima do estágio para assim limitar a aceleração do veículo à medida que a massa do lançador vai diminuindo com a queima do combustível. O tempo total de queima do primeiro estágio é de 162 segundos.

Com os seus nove motores agrupados juntos na configuração ‘octaweb’, o Falcon-9 pode aguentar a falha de até dois motores durante o lançamento e mesmo assim conseguir atingir a órbita terrestre com sucesso. O Falcon-9 é o único lançador na sua classe com esta característica chave.

O motor Merlin foi desenvolvido internamente pela SpaceX mas vai encontrar as suas raízes aos motores das missões Apollo, nomeadamente o sistema de injecção baseado no motor do módulo lunar. O propolente é alimentado através de uma única conduta, com uma turbo-bomba de dupla pá que opera num ciclo de gerador a gás. A turbo-bomba também fornece o querosene a alta pressão para os actuadores hidráulicos, que depois recicla para a entrada a baixa pressão. Isto elimina a necessidade de um sistema hidráulico separado e significa que não é possível ocorrer uma falha no controlo de vector de força por falta de fluido hidráulico. Uma terceira utilização da turbo-bomba é o fornecimento de controlo de rotação ao actuar no escape da turbina de exaustão (no segundo estágio). Combinando-se estas características num só dispositivo aumenta-se assim de forma significativa o nível de fiabilidade do sistema.

O motor é capaz de desenvolver uma força de 654 kN ao nível do mar, 716 kN no vácuo, com um impulso específico de 282 segundos (nível do mar) e 311 segundos (vácuo).

A secção interestágio é uma estrutura compósita que liga o primeiro e o segundo estágio e alberga os sistemas de libertação e separação. O Falcon-9 utiliza um sistema de separação totalmente pneumático para uma separação de baixo impacto e altamente fiável que pode ser testado no solo, ao contrário dos sistemas pirotécnicos utilizados na maior parte dos lançadores.

O segundo estágio é propulsionado por um único motor Merlin de vácuo e coloca a carga a transportar na órbita desejada. O motor do segundo estágio entra em ignição poucos segundos após a separação entre o segundo e o primeiro estágio, e pode ser reiniciado várias vezes para colocar múltiplas cargas em diferentes órbitas. Para máxima fiabilidade, o segundo estágio está equipado com sistemas de ignição redundantes. Tal como o primeiro estágio, o segundo estágio é feito a partir de uma liga de alumínio e lítio.

O motor Merlin de vácuo (Merlin-1D de vácuo) desenvolve uma força de 934 kN e o seu tempo de queima é de 397 segundos.

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A carenagem compósita é utilizada para proteger a carga durante a passagem do Falcon-9 pelas camadas mais densas da atmosfera. Quando a missão do Falcon-9 é o lançamento do veículo de carga Dragon, a carenagem não é utilizada pois a cápsula possui o seu próprio sistema de protecção.

A carenagem tem 13,1 metros de comprimento e 5,2 metros de diâmetro. Fabricada em fibra de carbono, separa-se em duas metades utilizando um sistema de separação de actuadores pneumáticos semelhantes aos que são utilizados para a separação entre o primeiro e o segundo estágio.

A sequência de lançamento para o Falcon-9 é um processo de precisão ditada pela janela de lançamento de cerca de uma hora tendo em conta a posição orbital a ser ocupada pelo satélite. Se a janela de lançamento de uma hora é perdida, a missão é então adiada para o dia seguinte.

Cerca de quatro horas antes do lançamento, inicia-se o processo de abastecimento – primeiro oxigénio líquido seguindo-se o querosene altamente refinado (RP-1). O vapor que se observa a sair do lançador durante a contagem decrescente é na realidade oxigénio a ser libertado dos tanques, sendo esta a razão pela qual o abastecimento de oxigénio líquido se mantém até quase ao final da contagem decrescente.

Dados estatísticos e próximos lançamentos

– Lançamento orbital: 5695

– Lançamento orbital SpaceX: 50

– Lançamento orbital desde Cabo Canaveral AFS: 739

Dos lançamentos bem sucedidos levados a cabo em 2017: 13,9% foram realizados pelos Estados Unidos (incluindo ULA – 81,8% (9) e Orbital ATK – 18,2% (2)); 19,0% (15) pela China; 20,3% (16) pela Rússia; 13,9% (11) pela Arianespace; 5,1% (4) pela Índia; 6,3% (5) pelo Japão e 21,5% (17) pela SpaceX.

Os próximos lançamentos orbitais previstos são (hora UTC):

17 Dez (0721:00) – 11A511U-FG Soyuz-FG (P15000-061) – Baikonur, LC1 PU-5 – Soyuz MS-07

23 Dez (0126:??) – Falcon-9 (B1036.2) – Vandenberg AFB, SLC-4E – Iridium NEXT (116); Iridium NEXT (130); Iridium NEXT (131); Iridium NEXT (134); Iridium NEXT (135); Iridium NEXT (137); Iridium NEXT (138); Iridium NEXT (141); Iridium NEXT (151) Iridium NEXT (153)

23 Dez (0148:22) – H-2A202/4S (F37) – Tanegashima, Yoshinubo LP1 – GCOM-C (SHIKISAI); SLATS (TSUBAME)

23 Dez (0403:??) – CZ-2D Chang Zheng-2D – Jiuquan, LC43/603 – Ludikancha Weixing-2

25 Dez (????:??) – CZ-2D Chang Zheng-2D – Taiyuan, LC9 – GJ-3 Gaojing-3, GJ-4 Gaojing-4

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