SpaceX lança missão logística CRS-16 para a ISS

Texto de Salomé T. Fagundes / Rui C. Barbosa

O lançamento da Dragon SpX-16 teve lugar às 1816UTC do dia 5 de Dezembro de 2018 e foi levado a cabo por um foguetão Falcon-9. Este lançamento foi efectuado por um novo primeiro estagio – Block V B1050.1. A cápsula Dragon separou-se do último estágio do lançador às 1826UTC.


Estava prevista a recuperação do primeiro estágio do foguetão Falcon-9. No entanto, o estágio falhou a aterragem na LZ-1 (Landing Zone-1) do Cabo Canaveral AFS, tendo amarado no Oceano Atlântico. As imagens da transmissão da SpaceX mostraram o primeiro estágio a girar descontroladamente antes de ter sido interrompida.

Segundo informação publicada por Elon Musk, um problema numa das grelhas de controlo de atitude levou a uma rotação do primeiro estágio que terá amarado sem problemas, estando a transmitir telemetria.

A Dragon SpX-16 deverá chegar à estação espacial internacional a 6 de Dezembro, naquela que é a sua segunda missão à ISS depois da missão CRS-10 em Fevereiro de 2017.

A missão logística CRS-16

A missão logística CRS-16 é a 16.ª missão da cápsula Dragon e a sua 15.ª missão para a estação espacial internacional, incluindo a missão CRS-7 que foi perdida no lançamento (no total o primeiro contrato CRS inclui 20 missões). Após ser colocada em órbita, a cápsula irá necessitar de dois dias para chegar à ISS levando a cabo uma série de manobras à medida que se aproxima da estação espacial. Chegando à vizinhança da estação, a cápsula será capturada pelo sistema de manipulação remota da ISS, o Canadarm2, e acoplada com o porto nadir do módulo Harmony utilizando para tal um dos Common Berthing Mechanism (CBM). No dia da sua chegada a tripulação da ISS irá entrar no seu interior e iniciar o processo de descarga.

A Dragon irá transportar mais de 2.540 Kg de provisões e cargas, incluindo materiais críticos para directamente dar suporte a mais de 250 investigações de pesquisa e ciencia que irão ocorrer dentro do laboratório.

Ainda a bordo irão ser transportadas na secção não pressurizada, cargas para serem colocadas no módulo japonês JEM-EF. São elas a GEDI (Global Ecosystem Dynamics Investigation) que é um instrumento que produz as primeiras observações 3D de alta resolução da estrutura da Terra que irá ser operado durante dois anos, e RRM3 (Robotic Refueling Mission 3) da NASA que tem como missão reabastecer e reparar satélites em órbita. Esta missão irá demonstrar métodos inovadores para guardar, transferir e congelar fluido criogénico padrão no espaço. O seu tempo de vida irá ser de dois anos.

A bordo da Dragon SpX-16 seguem também quatro pequenos satélites que serão colocados em órbita a partir da estação espacial internacional. Os satélites são o TechEdSat-8, UNITE, CATSat e o Delphini-1 (AUTSat-1).

O TechEdSat-8 ‘TES-8’ (Technical and Educational Satellite 8), é um satélite de forma CubeSat-6U. Foi construido em conjugação entre a Universidade Estatal de São José (SJSU) e a Universidade de Idaho como um projecto de engenharia colaborativo, sendo a sua supervisão feita pelo Centro de Pesquisa NASA Ames.

Esta é uma missão de demonstração tecnológica, para demonstrar através de uma recuperação total de uma carga, o desenvolvimento do sistema Exo-Brake. Irá conter um sistema de controlo semi autónomo para direccionar o ponto de entrada, bem como as capacidades para medir a força do aplicativo de separação.

E o UNITE (Undergraduate Nano Ionospheric Temperature Explorer) que é um CubeSat-3U construido pela Universidade do Sul da Indiana. Esta é uma missão que servirá para fazer uma serie de medições globais na grande inexplorada baixa ionosfera. O objectivo é explorar o ambiente extremo da orbita baixa terrestre usando uma sonda de plasma Langmuir para medir o clima espacial, avaliar o atrito de um CubeSat nesta região baixa da ionosfera e medir a temperatura do CubeSat para comparar com o modelo termal.

O UNITE irá sondar o plasma na ionosfera baixa para medir as densidades dos electrões e dos iões. Irá medir as temperaturas durante o seu voo mas principalmente nas ultimas fases de reentrada. Os dados arquivados irão ser usados como termo de comparação contra o atrito modelado durante o voo.

O CubeSat Assessment and Test, ou CATSat, irá utilizar dois CubeSats para levar a cabo experiências de tecnologia de comunicações. Os satélites são operados pelo Laboratório de Física Aplicada da Universidade de Johns Hopkins para o Governo dos Estados Unidos.

O Delphini-1, também designado AUSAT-1, CubeSat-1U construído por estudantes da Universidade de Aarhus utilizando um kit fornecido pela GomSpace. O satélite transporta uma câmara para registar images da Terra a partir do espaço, porém o seu objectivo primário é o de dar experiência aos estudantes universitários na construção e operação do seu satélite.

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.

Localizado na parte Norte do Cabo Canaveral AFS, o complexo de lançamento foi utilizado durante muitos anos para o lançamento dos foguetões Titan nas suas mais variadas versões. As instalações foram cedidas à SpaceX em Maio de 2008.

O centro do complexo de lançamento é composto por uma plataforma de cimento e um sistema de diversão de chamas. A plataforma está rodeada por quatro torres de protecção contra relâmpagos, tanques de armazenamento de prepolentes e o hangar de integração do lançador que alberga os diferentes estágios antes de cada missão. A cápsula Dragon é acoplada ao segundo estágio do lançador enquanto que este já se encontra no sistema de transporte e erecção no interior deste hangar. O foguetão é depois transportado para a plataforma de lançamento numa posição horizontal e depois colocado na posição vertical sobre o fosso das chamas.

Lançamento e fase inicial de voo

A cápsula Dragon é activada 26 horas antes do lançamento. A T-38m o Director de Voo verifica se tudo está pronto para o início do abastecimento do foguetão Falcon-9. Estando tudo pronto, é dada luz verde para o início do abastecimento de RP-1 ao primeiro estágio que se inicia a T-35m ao mesmo tempo que se inicia o abastecimento de oxigénio líquido (LOX). O abastecimento de LOX ao segundo estágio inicia-se a T-16m.

A fase terminal da contagem decrescente inicia-se a T-7m, 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+58s. O final da queima do primeiro estágio ocorre a T+2m 23s, dando-se três 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+8m 51s, seguindo-se a separação da cápsula Dragon a T+9m 51s, 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 39s 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 35s 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 deveria ocorrer a T+8m 17s.

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-16 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.

SES-9Falcon 6

SES-9Falcon 7

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: 5792

– Lançamento orbital SpaceX: 71 (1.23%)

– Lançamento orbital desde CSG Kourou: 752 (12,98%)

Os próximos lançamentos orbitais previstos são (hora UTC):

07 Dez (0412:00) – CZ-2D Chang Zheng-2D/YZ-3 – Jiuquan, LC43/94 – SaudiSAT-5A, SaudiSAT-5B, Tianyi (3 sats) Ladybug-1 a Ladybug-6, Weina-1

07 Dez (1830:00) – CZ-3B Chang Zheng-3B/G3Z – Xichang, LC2 – Chang’e-4

08 Dez (0419:00) – Delta IV-Heavy (D381) – Vandenberg AFB, SLC-6 – NROL-17

10 Dez (????:??) – Electron/Curie (F4) – Máhia, LC-1 – ALBus, CeREs, CHOMPTT, Da Vinci, ISX, NMTSat, RSat-P, Shields-1, STF-1, CubeSail-1, CubeSail-2, GeoStare, TOMSat Eagle Scout, TOMSat-R3 (AeroCube-11), SHFT-1

15 Dez (????:??) – CZ-4B Chang Zheng-4B (Y39) – ZY-2D Ziyuan-2D, BNU-1; Tianyi MV-1

 

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