China a caminho de Marte com a sonda Tianwen-1

Num marco verdadeiramente histórico para o seu programa de exploração planetária, a China levou a cabo o lançamento da sonda TW-1 Tianwen-1 a 23 de Julho de 2020.

O foguetão CZ-5 Chang Zheng-5 (Y4) deixou o Complexo de Lançamento LC101 do Centro de Lançamentos Espaciais de Wenchang, Hainan, às 0441:15,167UTC. Com todas as fases do lançamento a decorrerem como previsto, a sonda iniciou a sua jornada de sete meses, devendo entrar em órbita de Marte em Fevereiro de 2021.

A missão é composta por um veículo orbitador, um veículo de descida e um veículo de superfície (rover), e terá como objectivo estudar a topografia de Marte, o seu solo, ambiente, atmosfera e o gelo de água à superfície, bem como a estrutura interna do planeta e a busca de possíveis sinais de vida.

A sonda orbital transporta seis instrumentos, sendo estes a Câmara de Média Resolução (que irá obter imagens com uma resolução de 100 metros a partir de uma órbita a 400 km de altitude); a Câmara de Alta Resolução (que irá obter imagens com uma resolução de 2 metros a partir de uma órbita a 400 km de altitude); um Magnetómetro, o Espectrómetro Mineral de Marte (que irá determinar a composição elementar da superfície); o Radar Orbital de Subsuperfície; e o Analisador de Partículas Iónicas e Neutras.

Por seu lado, o veículo de superfície (rover) transporta seis instrumentos, sendo estes o Radar de Penetração de Solo (que irá analisar a estrutura da superfície até uma profundidade de 100 metros); o Detector de Campo Magnético de Superfície; o Detector de Composição de Superfície; uma Câmara Multiespectral; e uma Câmara Topográfica de Navegação.

Entrando na órbita de Marte em Fevereiro de 2021, A TW-1 passará dois a três meses a pesquisar possíveis locais de descida usando uma câmara de alta resolução para se preparar para o pouso em Maio.

A parte mais complicada da missão será o pouso suave, um processo autónomo da sonda com a duração de sete a oito minutos. A sonda usará a sua forma aerodinâmica, pára-quedas e propulsão para desacelerar e amortecer a sua descida.

Após o pouso, o rover irá descer por uma rampa para a superfície do planeta vermelho para levar a cabo a exploração científica com uma expectativa de vida útil de pelo menos 90 dias marcianos (cerca de três meses na Terra) e o orbitador, com vida útil projectada de um ano marciano (cerca de 687 dias na Terra), retransmitirá as comunicações para o rover enquanto conduz a sua própria missão científica.

Os engenheiros e cientistas espaciais chineses escolheram uma região relativamente plana na parte Sul da Utopia Planitia, uma grande planície, como a potencial zona de pouso. Pesquisas anteriores mostraram que o potencial local de pouso pode ser a beira de um oceano ou lago antigo no início da história de Marte. Os cientistas chineses estão ansiosos para encontrar mais evidências de gelo de água.

Os objectivos científicos incluem mapear a morfologia e a estrutura geológica, investigar as características do solo superficial e a distribuição de água e gelo, analisar a composição do material da superfície, medir a ionosfera e as características do clima e ambiente marciano na superfície e perceber os campos físicos e a estrutura interna de Marte.

O foguetão Chang Zheng-5

Tendo como objectivo a capacidade de possuir um lançador espacial capaz de orbitar cargas pesadas para a órbita de transferência geossíncrona (GTO) e para a órbita terrestre baixa (LEO), a China aprovou o desenvolvimento da família de lançadores Chang Zheng-5 em Junho de 2004. A nova família de lançadores deveria ser capaz de garantir as necessidades do futuro mercado de serviços de lançamentos orbitais, seria utilizada para colocar em órbita os módulos de uma grande estação espacial, iria ajudar a manter o desenvolvimento da tecnologia de lançadores espaciais da China, e impulsionar o desenvolvimento de tecnologias e da economia relacionada com o desenvolvimento de novos motores espaciais, novas tecnologias de soldagem, sistemas de controlo melhorados, etc.

 

O novo programa de desenvolvimento iria projectar uma nova série de veículos em vez de um lançador destinado a uma missão específica, para assim melhorar a capacidade da China para a ceder ao espaço. O novo programa iria aplicar tecnologias avançadas, tais como o desenvolvimento de um estágio de grande diâmetro e de motores mais potentes para aumentar a capacidade de lançamento de forma dramática, com o objectivo de lançar cargas de 25.000 kg para a LEO e de 14.000 kg para a GTO. O novo programa iria também projectar uma série de veículos tendo por base o princípio da generalização, serialização e modularização, com o propósito de suprimir as necessidades de lançar diferentes cargas. Os novos veículos lançadores deveriam utilizar propelentes não tóxicos e não poluentes, devendo ter um baixo custo, alta fiabilidade, e serem convenientes para ensaios e operacionalidade.

O novo sistema de lançamento da China tinha por base um conceito de modular utilizando dois novos motores e três módulos standard. Originalmente, o plano incluía três classes principais com variantes tendo um diâmetro de 5 metros, variantes com um diâmetro de 3,35 metros e uma configuração com um diâmetro de 2,25 metros.

Os três módulos standard eram o módulo H5-1 (5 metros de diâmetro com um comprimento de 31,0 metros e equipado com dois motores de LH/LOX de 50.000 kg, tendo uma massa de 175.000 kg), o módulo K3-1 (3,35 metros de diâmetro com um comprimento de 26,3 metros e equipado com dois motores de querosene/LOX de 120.000 kg, tendo uma massa de 147.000 kg) e o módulo K2-1 (2,25 metros de diâmetro com um comprimento de 25,0 metros e equipado com um motor de querosene/LOX de 120.000 kg, tendo uma massa de 69.000 kg).

 

Destes conceitos iniciais, derivaram os foguetões CZ-6 Chang Zheng-6 e CZ-7 Chang Zheng-7. Foi proposta uma série de variantes para o lançador de maior capacidade. Utilizando o estágio de 5 metros de diâmetro e diferentes configurações dos propulsores laterais e um estágio superior, foram propostas seis variantes para atingir diferentes capacidades de carga: Configuração A seria capaz de lançar 18.000 kg para a LEO, enquanto que a Configuração B e C seriam capazes de lançar 25.000 kg e 10.000 kg para a LEO, respectivamente. Para a órbita GTO, a Configuração D seria capaz de lançar 10.000 kg, enquanto que a configuração E e F seriam capazes de lançar 14.000 kg e 6.000 kg, respectivamente.

Eventualmente, somente duas variantes foram desenvolvidas: a variante básica do Chang Zheng-5 de dois estágios projectada para missões para a órbita GTO, e a variante de um único estágio (Chang Zheng-5B) para missões para a órbita terrestre baixa. Ambas as variantes estão equipadas com propulsores laterais de combustível líquido com um diâmetro de 3,25 metros. A variante básica do novo lançador é um veículo de dois estágios (5 metros de diâmetro) com quatro propulsores laterais (3,35 metros de diâmetro), sendo capaz de lançar 14.000 kg para GTO. O seu comprimento total é de 56,97 metros, massa de 869.000 kg e desenvolvendo 10.573 kN no lançamento.

O foguetão Chang Zheng-5B é um veículo de um estágio central (5 metros de diâmetro) com quatro propulsores laterais (3,35 metros de diâmetro), sendo capaz de lançar 22.000 kg para uma órbita terrestre baixa. O seu comprimento total é de 53,7 metros, massa de 837.500 kg e desenvolvendo 10.573 kN no lançamento.

O voo inaugural do CZ-5 estava inicialmente previsto para 2013, mas a Academia Chinesa de Tecnologia de Veículos Lançadores (CALT) e a Academia de Tecnologia de Voo Espacial de Xangai (SAST) tiveram de percorrer um duro caminho para a primeira missão. Enfrentando desafios tecnológicos enormes, o desenvolvimento dos motores YF-77 e YF-100 iria atrasar o desenvolvimento da nova família de lançadores.

Os componentes do lançador são fabricados na cidade industrial de Tianjin e depois transportados para o local de lançamento utilizando dois navios de carga construídos para esse efeito, o Yuanwang-21 e o Yuanwang-22. Os componentes são depois descarregados no porto de Qinglan que serve o Centro de Lançamentos Espaciais de Wenchang.

O primeiro estágio tem um comprimento de 31,02 metros e um diâmetro de 5,00 metros. Está equipado com dois motores YF-77 que consomem LOX/LH. O primeiro estágio tem uma massa de 175.800 kg, tendo uma massa de 17.800 kg sem propelentes.

O motor YF-77, desenvolvido pela Academia de Tecnologia de Propulsão de Lançamentos Aeroespaciais, é um motor de alta performance e altamente fiável projectado para os foguetões Chang Zheng-5. É o primeiro motor criogénico de alta-força desenvolvido pela China, dando um grande passo tecnológico tendo em conta os anteriores motores deste tipo, tais como o YF-75 que é utilizado nos estágios superiores dos foguetões Chang Zheng-3A e Chang Zheng-3B. Cada YF-77 proporciona 700 kN de força no vácuo e 510 kN de força ao nível do mar, tendo um impulso específico de 430 segundos (vácuo) e 310,2 segundos (nível do mar). O tempo de queima é de 520 segundos.

Os propulsores laterais têm um comprimento de 26,28 metros e um diâmetro de 3,25 metros. Cada propulsor está equipado com dois motores YF-100. Cada propulsor tem uma massa de 147.000 kg, tendo uma massa de 12.000 kg sem propelentes. O YF-100 consome querosene e LOX.

O desenvolvimento do YF-100 teve início em 2000 na Academia de Tecnologia de Propulsão Espacial Líquida. O motor foi certificado para Administração Estatal para a Ciência, Tecnologia e Industria para Defesa Nacional em Maio de 2012. É um motor de combustão de ciclo escalonado que desenvolve 1.199,48 kN ao nível do mar (1.339,48 kN no vácuo) com um impulso específico de 300 segundos (335 segundos no vácuo). O motor é também utilizado no foguetão CZ-6 Chang Zheng-6.

O segundo estágio tem um comprimento de 12,00 metros e um diâmetro de 5,00 metros. Está equipado com dois motores YF-75D que consomem LOX e LH. O segundo estágio tem uma massa de 26.000 kg, tendo uma massa de 3.100 kg sem propelentes a bordo.

 

 

O motor YF-75D desenvolve 88,26 kN no vácuo e tem um impulso específico de 442 segundos. O seu tempo de queima é de 780 segundos.

O estágio superior YZ-2 Yuanzheng-2 é um novo estágio superior desenvolvido especificamente para o CZ-5 pelo CALT. A sua função é a de transportar a carga da missão para a sua órbita sem que esta tenha de gastar o seu próprio propelente para atingir a órbita operacional. O seu diâmetro é de 5,2 metros e tem uma massa de 1.800 kg.

As cargas transportadas pelo Chang Zheng-5 são inicialmente protegidas por uma carenagem de protecção com um diâmetro de 5,2 metros e um comprimento de 12,5 metros.

 

Wenchang – um centro espacial para o futuro

O Centro de Lançamentos Espaciais de Wenchang está localizado no canto Nordeste da Ilha de Hainan na costa Sul da China.

O novo complexo de lançamento traz uma maior versatilidade que não proporcionada pelos restantes três locais de lançamento (Jiuquan, Xichang e Taiyuan). Wenchang fornece um aumento de performance para os lançadores que é ganho devido ao facto de se localizar a somente 19.º de latitude do equador terrestre. Isto reduz a quantidade de propelente que é necessário para o satélite manobrar a partir da sua órbita inicial para a órbita geossíncrona.

Os foguetões podem ser lançados numa direcção a Sudeste para o Pacífico Sul, evitando assim a possibilidade de destroços ou dos estágios caírem sobre zonas populacionais.

 

Wenchang está equipado com dois complexos de lançamento. O Complexo de Lançamento LC101 é utilizado para a família de foguetões CZ-5 Chang Zheng-5, enquanto que o Complexo de Lançamento LC201 é utilizado para o foguetão CZ-7 Chang Zheng-7. Ambas as plataforma de lançamento são similares e estão equipadas com uma torre umbilical fixa, fossos e condutas deflectoras de chamas. Tal como acontece nos outros coentros espaciais da China, as torres umbilicais possuem braços amovíveis que permitem o acesso dos técnicos aos diferentes estágios do lançador e à sua carga.

As plataformas de lançamento utilizam um sistema de supressão de ondas de choque, inundando a base da plataforma de lançamento e o fosso deflector das chamas com um grande volume de água para assim diminuir as ondas sonoras geradas pelos motores do veículo.

As plataformas são servidas por dois edifícios de integração e montagem. O Complexo de Lançamento LC101 é servido pelo Edifício 501, enquanto que o Complexo de Lançamento LC201 é servido pelo Edifício 502. Cada edifício tem uma altura de 99,4 metros permitindo a montagem e teste do veículo lançador na sua posição vertical já totalmente integrado. Esta é uma nova aproximação à maneira como os lançadores são preparados para as suas missões já que nos restantes centros de lançamento, os foguetões são montados no complexo de lançamento.

Após serem montados no edifício de integração e montagem sobre uma plataforma de lançamento móvel, o conjunto é transportado para o complexo de lançamento. A viagem demora vários minutos a percorrer os 2.800 metros que separação os dois edifícios. Após chegar à plataforma de lançamento, a estrutura móvel é colocada sobre o fosso das chamas e procede-se à ligação das conexões umbilicais entre a estrutura fixa e a plataforma móvel que contém o lançador.



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