Exploração Espacial Os Lançadores



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Exploração Espacial

Os Lançadores

Por Jorge Honel
Introdução
Os foguetes são conhecidos desde há mil anos atrás com o desenvolvimento da pólvora pelo chineses a dois mil anos. O uso de tubos de bambu jogados ao fogo foi de diversão e de espantar os maus agouros. O espetáculo pirotécnico dos dias de hoje pode ser apreciado em festas especiais como os Jogos Olímpicos da China ou nas tradicionais festas de Ano Novo. Esses artefatos atingem cerca de uma centena de metros e proporcionam um espetáculo inesquecível. Esses foguetes simples permitem colocar algo rente ao solo em um vôo e atingir determinada altura. Infelizmente esse aparelho de diversão também tem suas aplicações de uso bélico. Eliminando-se esse aspecto inicialmente negativo, os foguetes modernos também têm o objetivo de colocar objetos nas alturas e conforme a sua finalidade e praticidade de uso eles podem assumir diversos tipos de órbitas ao redor de Terra ou mesmo dentro do Sistema Solar.
Na figura ao lado, nós temos o nosso planeta Terra e a área na cor ciano indica a região de órbita circular baixa que varia de 160 km a 2000 km, na qual são colocados equipamentos de sensoriamento remoto e estações espaciais, por exemplo. O esquema indica outro limite útil que está a 35786 km, a região de órbita dos satélites geoestacionários usada preferencialmente pelos satélites de comunicações internacionais e que fica ao longo do plano do equador terrestre.

Na figura ao lado, nós temos o exemplo de um artefato humano em órbita baixa que oscila numa altitude de 338 km a 358 km em relação ao nível do mar. Trata-se da Estação Internacional Espacial que se encontra numa órbita circular inclinada de 51 graus. A figura ilustra exatamente a posição que ela ocupou no dia 30/07/2009 às 17h17min e estava passando sobre o Oceano Pacífico durante o período de claridade do nosso planeta.

Essa figura ilustra a vantagem de uma órbita geoestacionária, na qual artefatos colocados a essa altitude mantém a sua órbita sincronizada com um mesmo ponto da superfície terrestre sobre o plano do equador da Terra. Essa situação é particularmente útil para os satélites de comunicações. Com vários deles dispostos ao longo dessa trajetória, o Homem pode trocar informações via rádio e sinal de televisão entre várias localidades da superfície terrestre.
Outro tipo de órbita deve-se a Valter Hohmann cientista alemão apresentou uma solução em 1925 de como permitir um deslocamento de um artefato humano da órbita terrestre para a órbita de outro planeta do sistema solar com o mínimo de combustível a ser gasto nesse processo de transferência. A viagem pode ser mais longa em tempo, mas o consumo de combustível é consideravelmente menor.

Da Teoria a Prática


Esses foram os principais responsáveis pelo desenvolvimento dos foguetes modernos, que permitiram, de fato, lançarmos algo ao espaço.

Konstantin Tsiolkovsky – Russo (1857 a 1935).

Hermann J. Oberth – Alemão (1894 a 1989).

Robert H. Goddard – Americano (1882 a 1945)

Sergei P. Korolev – Russo (1906 a 1966)

Werhner Von Braun – Alemão (1912 a 1977)

Os três primeiros, da mesma época, são considerados os pais da astronáutica. Na verdade, cada um deles é considerado, sozinho, pai da astronáutica em seu país, mas é inegável que os três merecem os méritos, já que eles chegaram a praticamente as mesmas conclusões em suas pesquisas, sem no entanto se conhecerem, ou conhecerem a pesquisa um do outro.

Entre as principais conclusões que eles chegaram estão: a necessidade de se usar combustível líquido; a necessidade de se usar estágios; os foguetes poderiam ser usados para vôos espaciais, conclusão que enfrentou muita resistência nos meios científicos populares da época e desenvolveram modelos parecidos de foguetes.

O russo Tsiolkovsky foi o primeiro a escrever teorias sérias sobre vôos espaciais. Foi o responsável pelo desenvolvimento da famosa (pelo menos entre os estudantes de ciências exatas) “equação do foguete de Tsiolkovsky”, em 1903, equação básica para um foguete atingir o espaço, usada até hoje. No entanto, Tsiolkovsky era basicamente um teórico, não tendo construído nenhum protótipo, ou feito algum tipo de experiência, para provar suas teorias.
O alemão Oberth foi responsável por divulgar o foguete, como meio de se viajar no espaço, na Europa. Escreveu o livro “O Foguete no Espaço Interplanetário”, que obteve muito sucesso. No entanto, esse livro era baseado em uma tese de pós-graduação sua, que foi rejeitada. Com isso, ele desistiu de sua pós-graduação, dizendo que a forma de ensino estava ultrapassada e não olhava para o futuro, e este trabalho representava o que, segundo ele, seria o uso de foguetes para viagens espaciais. Dentre os três pais da astronáutica, Oberth foi o único que viveu para ver a verdadeira evolução dos foguetes, podendo presenciar até a chegada do homem a Lua.
Junto com os dois cientistas anteriores, o americano Goddard também é considerado como o Pai da Astronáutica. Além das conclusões em comum, ele se destacou por desenvolver e testar suas idéias. Assim, ele construiu o primeiro foguete que utilizava combustível líquido da história. Goddard era o contrário de Tsiolkovsky: enquanto o russo desenvolvia teorias, Goddard desenvolvia e testava foguetes e componentes para que eles pudessem funcionar cada vez melhor, tendo morrido com mais de 200 patentes registradas em seu nome, entre modelos de foguetes e peças para esses.

Primeiro foguete líquido a ser lançado na história, ao lado de seu criador, Robert Goddard. O foguete tinha seus motores no topo, e o tanque embaixo, sendo o combustível levado ao topo por duas mangueiras. O foguete subiu apenas 12 metros, e atingiu uma distância de apenas 56 metros, mas o mais importante: ele voou! E atingiu uma velocidade de aproximadamente 100 km/h.


O engenheiro soviético Sergei Pavlovich Korolev (Серге́й Па́влович Королёв) nasceu em Zhitomir, Ucrânia, em 30 de dezembro de 1906 (no calendário gregoriano, utilizado na época, foi datado em 12 de janeiro de 1907). Ele foi o engenheiro de foguetes que projetou os primeiros foguetes soviéticos, e que se tornou o engenheiro-chefe do programa espacial soviético.

Sergei Korolev foi, ao contrário do que se comumente pensa, o verdadeiro criador do desafio de levar homens a Lua. Embora a URSS nunca tenha admitido publicamente que pretendia este feito, ao contrário dos EUA, a partir do desafio público lançado pelo presidente John F. Kennedy.

Em 1922, Korolev foi aprovado em um exame de admissão a escola de construção em Odessa, Ucrânia. Lá, começou a se interessar pela aviação. Dois anos depois, Korolev entrou no Instituto Politécnico de Kiev, onde conheceu e se reuniu com entusiastas de planador. Em 1926, ele se transferiu para a Escola Técnica Bauman de Moscou (MVTU), a melhor faculdade de engenharia da Rússia.

Concluiu seus estudos na MVTU em 1929. Em 1931, entrou no Instituto de Hidrodinâmica e Central Aérea (TsAGI). Em seguida, em julho de 1932, Korolev foi escolhido chefe do grupo de pesquisa em propulsão do jato (GIRD), um dos centros de pesquisas em desenvolvimento de foguetes mais modernos da URSS. Em 1933, o grupo reorganizou o instituto de pesquisa em propulsão do jato (RNII), onde Korolev se tornou chefe. Nela, o engenheiro conduziu o desenvolvimento de um planador equipado de foguete e de mísseis de cruzeiro.

No período de grandes expulsões feito por Josef Stalin, Korolev foi preso e levado para um acampamento em Gulag, na Sibéria, em 27 de junho de 1938. Em março de 1940, Korolev retornou a Moscou e foi levado a prisão de Butyrskaya. No dia 10 de julho do mesmo ano, uma comissão especial liderada por Lavrenti Beria, chefe da polícia secreta de Stalin, sentenciou Korolev a oito anos de trabalhos forçados em acampamento, acusado por sabotagem. Porém, em setembro, ele foi transferido para o sharashka, um departamento de projeto de aviação na prisão. Era chamado oficialmente de KB-29. Ao mesmo departamento foi levado Andrei Tupolev, também prisioneiro em Gulag.

Em 8 de setembro de 1945, Korolev viajou a Alemanha para a avaliação e restauração dos mísseis V-2 balísticos. Em agosto de 1946, ainda na Alemanha, Korolev foi nomeado chefe de um departamento no NII-88, criado recentemente em Podlipki, nordeste de Moscou. A organização era responsável pelo desenvolvimento e produção industrial do míssil, baseado na tecnologia do V-2 alemão.

Korolev conduziu o desenvolvimento de diversas gerações de satélites lançados por mísseis balísticos, de veículos de lançamento com fins científicos, militares e de comunicações. Ele também desenvolveu projetos de exploração interplanetária e equipou as naves espaciais soviéticas. Ele morreu no auge de sua carreira, em 14 de janeiro de 1966, em decorrência de uma operação cirúrgica.”

Referência: http://pt.wikipedia.org/wiki/Sergei_Korolev

O alemão Wernher von Braun, aluno de Oberth, foi o principal responsável pelo desenvolvimento do V-2, o primeiro foguete com capacidade para sair da atmosfera.

Na verdade, Von Braun chegou a ser preso por estar usando os recursos que o governo alemão dava para outros fins: Von Braun queria construir foguetes espaciais, e não armas. No entanto, ele foi logo solto, pois os alemães perceberam que ele era essencial ao projeto dos V-2. Assim, ele foi obrigado a colaborar na construção do V-2.

Com o fim da guerra, ele e sua equipe passaram a colaborar no projeto espacial americano, desenvolvendo foguetes nos EUA, pois eram prisioneiros de guerra dos americanos.


O foguete V2, ou simplesmente V2 - (cujo nome-código alemão original era A-4), foi o primeiro míssil balístico, tendo sido usado pela Alemanha durante as últimas fases da Segunda Guerra Mundial principalmente contra alvos britânicos e belgas. Recebeu este nome porque era uma arma alemã que se seguiu ao V-1, uma bomba que voava como avião a jato.

O engenheiro alemão Wernher von Braun foi um de seus principais desenvolvedores, na estação experimental do exército alemão de Peenemünde. O verdadeiro nome do foguete era Aggregat 4 (A4), mas ele ficou mais conhecido pelo nome Vergeltungswaffe 2 (Arma de Represália 2), dado pelo então Ministro da Propaganda Joseph Goebbels, já que as V2 eram lançadas em represália aos bombardeios aliados.


As V2 eram propelidas a álcool (mistura de 75% de álcool etílico e 25% de água) e oxigênio líquido, chamado de lox. Os motores geravam um máximo de 160 000 libras (72574 kg) de empuxo, desenvolvendo velocidade de 1341 m/s, com um raio de alcance de 321 a 362 km. O álcool etílico usado nestes foguetes era produzido a partir da batata, que era produzida em abundância principalmente na Prússia Oriental.

Devido às altas temperaturas do motor, os projetistas da V2, inteligentemente, usaram o próprio álcool combustível como refrigerante do motor. Isto era feito injetando o álcool combustível ao redor do bocal, formando uma película protetora.

As manobras de vôo eram feitas por meio de aletas que interferiam na direção do jato do foguete, solução simples se comparada com as dificuldades dos foguetes atuais, em que todo o motor gira para mudar a direção do jato. A orientação de vôo era feita por meio de giroscópios.”

Referência: http://pt.wikipedia.org/wiki/Foguete_V2




Lançamento de uma V-2 de Peenemünde. (Destino – Paris, Londres ou Antuérpia)






Bumper-WAC. Veículo balístico de curto alcance que foi testado em cabo Canaveral em Fevereiro de 1946 pelo Departamento de Defesa Americano. Primeira demonstração prática do uso de dois estágios tendo um míssil da WAC Corporation acoplado a uma V-2.

“Em 1944 Wernher von Braun foi detido pelos nazistas por supostamente ter declarado que as V2 não haviam sido destinadas ao uso militar, mas sim para as futuras viagens espaciais. Tendo dito ou não, von Braun estava certo, e a V2 deixou sua influência permanente no desenvolvimento dos futuros foguetes que seriam usados na exploração espacial.

Com a derrota da Alemanha na Segunda Guerra Mundial, os EUA e a URSS capturaram a maioria dos engenheiros que trabalharam no desenvolvimento da V2 (na Operação Paperclip). Particularmente importante para os EUA foi a captura de Wernher von Braun, um dos principais projetistas alemães, que participou ativamente do programa de mísseis balísticos dos EUA e depois dos primeiros passos do programa espacial estadunidense.

Sabe-se que em Peenemünde os alemães faziam esforços para dotar a V2 de múltiplos estágios e capacidade para vôos transatlânticos. Diversos testes com foguetes de combustível sólido e múltiplos estágios haviam sido feitos. Quando a Alemanha caiu em 1945, toda esta tecnologia, desenvolvida ao longo de uma década ao custo de milhões de marcos, estava pronta para ser usada pelos aliados vitoriosos.”

Referência: http://pt.wikipedia.org/wiki/Foguete_V2

Em 1981 entram em operação os ônibus espaciais americanos “Space Shuttle”. Na figura abaixo o lançamento do Columbia. Apesar da sua operacionalidade, esses ônibus nunca atingiram a metas esperadas de serem utilizados até 100 vôos cada um. Em 28 de Janeiro de1986 o Challenger desintregou-se após 73 segundos do lançamento durante a missão STS-51-L, todos os setes membros da tripulação faleceram. E, em 01 de Fevereiro de 2003 o Columbia desintegrou-se durante a re-entrada na missão STS-107, todos os sete membros da missão faleceram.

O Endeavour foi o ônibus espacial que substituiu o Challenger. Após a falha de lançamento em 1986 com o Challenger, o programa ficou parado por cerca de dois anos e foi retomado. Com o problema da perda co Columbia, mais atenção foi dada ainda a manutenção do ônibus espacial. Devido aos problemas de durabilidade e de manutenção, a última missão ocorrerá em 2010 com o ônibus Discovery. O sistema de transporte será substituído pelo projeto Constellation, o qual é um retorno aos módulos de comando do Projeto Apollo.
O ônibus espacial tem três etapas cruciais que são a decolagem, a operação em órbita e o pouso através de uma re-entrada na atmosfera com a redução da velocidade por atrito com a atmosfera e um pouso planado em solo.
Um corte interno mostrado às partes principais do ônibus espacial.

Cabine, compartimento de carga, compartimento de motores orbitais e motores principais de lançamento do ônibus

As dimensões do ônibus espacial.

Detalhes técnicos do ônibus espacial, ilustrando os Foguetes Propulsores Sólidos (SRB) que possuem 37,2 metros de comprimento e diâmetro de 3,7 metros e são pintados de branco. O Tanque Externo (ET) pintado na cor laranja e com altura de 56,1 metros e diâmetro de 8,4 metros. O propelente do Tanque Externo é Oxigênio e Hidrogênio Líquidos. Somente o tanque externo é descartado no processo de lançamento.

Outro fato interessante é que sua carga útil corresponde a um valor entre 14 e 29 ton. e de sua massa total de 2027,8 ton. 85% dela corresponde a propelente (combustível)

Detalhes do Tanque Externo e do Foguete de Combustível Sólido. Um detalhe a chamarmos a atenção é que o empuxo principal de lançamento provem dos foguetes de combustível sólido representando 71,5% da força de lançamento


Uma vez feitos os preparativos do ônibus espacial e do seu compartimento de carga, o conjunto é transportado à plataforma de lançamento durante os procedimentos de pré-decolagem o centro de controle em T – 20 min. iniciam a sequência de lançamento. Entre T – 9 min. e T – 31 s é feita a transferência gradual do controle da missão para os controles internos do ônibus espacial e verifica-se a concordância dos cinco computadores responsáveis pelas operações internas de funcionamento do ônibus não apresentam discrepâncias entre si. A T – 6,6 s os motores principais do ônibus espacial são ligados num intervalo de 120 ms para cada bocal e exaustão.

Em T – 3 s os bocais atingem sua máxima eficiência e redirecionados para a orientação de impulsão do lançamento. Até esse momento a missão pode ser cancelada se ocorrer alguma discrepância. Em T = 0s os Foguetes de Combustível Sólido são acionados e nesse momento não há como interromper o procedimento de lançamento.


Após o lançamento, o ônibus executa uma manobra chamada de virada para orientar as antenas de telemetria em relação ao Controle da Missão para manter a comunicação. Em 8 segundos atinge a velocidade de 161 km/h e após um minuto de decolagem ele atinge a velocidade de 1601km/h até esse momento o ônibus consumiu 1134 toneladas de propelente. Em dois minutos ocorrem à separação dos Foguetes de Combustível Sólido e cessam os três motores principais do ônibus espacial a Inércia do lançamento faz o resto do serviço e em oito minutos o tanque externo é ejetado. Nesse momento o ônibus está a 28969 km/h. As manobras passam a ser acionadas pelos 44 mini-jatos existentes na fuselagem do ônibus espacial.
Detalhe sobre a separação dos Foguetes de Combustível Sólido.

A separação ocorre à altitude de 48 km e com uma velocidade de 4 828 km/h devido à inércia o conjunto ainda sobe até a altura de 71 km e entra em que livre. Iniciando a queda abre-se um primeiro para-queda para reduzir a velocidade e permitir uma queda controlada. A 4,5 km de altitude abrem-se os três para-quedas principais que reduzem a velocidade de queda de 380 km/h para 82 km/h. Os foguetes caem a uma distância de 257 km da costa e são rebocados por dois barcos da NASA.

Em órbita, os controles são tomados pelo piloto da missão dentro de uma concordância estabelecida pelos cinco computadores de bordo que verificam a viabilidade da ação a ser aplicada na manobra. Todo esse controle é possível através da operação de 44 mini-jatos existentes ao longo da fuselagem do ônibus.

Das diversas missões que o ônibus espacial fez estão acoplamentos a MIR e a ISS, a colocação de sondas espaciais em órbita de transferência e a realização de experimentos científicos. O ônibus Espacial tem uma autonomia de ficar um mês no espaço.

O pouso é outra etapa do vôo de retorno a superfície terrestre e corresponde a uma queda controlada. Nessa queda a redução de velocidade é conseguida graças ao atrito com a atmosfera e a parte principal de proteção térmica são as pastilhas refratárias de coloração preta ao longo da fuselagem. Uma falha dessas pastilhas foi responsável pelo acidente com o Columbia em 01 de Fevereiro de 2003 durante a sua reentrada. Se o pouso de retorno não for no Centro Espacial Kennedy, o ônibus tem que ser colocado sobre o dorso de um Jumbo 747 da Boeing especialmente modificado para trans portar a nave espacial até a base de lançamento.

A Família R-7 (1950 a 1957)


A Família R-7 é o resultado de mais de sete anos de trabalhos dos russos ao desenvolverem os seus próprios foguetes a partir do que eles conseguiram absorver de conhecimento dos cientistas espaciais alemães que não fugiram para os Estados Unidos.

A Família R-7 tornou-se o primeiro lançador útil soviético para vôo em órbita circular baixa e também teve sua aplicação com míssil balístico intercontinental com ogivas nucleares. O R-7 foi responsável pela colocação no espaço do primeiro satélite artificial o Sputnik em 1957. As tentativas americanas nesse ano de fazer igual feito foram um fracasso.


O R-7 sendo deslocado para a plataforma de lançamento.


O Atlas é uma série de foguetes desenvolvidos a partir de 1951 e foram responsáveis no Projeto Mercury e pela colocação do primeiro astronauta americano num vôo circular ao redor da Terra.


“Lançador Mercury-Atlas 6 nave Friendship 7 Atlas MA-6 com o astronauta John Glenn em 20 de Fevereiro de 1962. foi o primeiro americano a orbitar a Terra (3 órbitas ao todo). A nave apresentou problemas no escudo térmico durante a entrada na atmosfera.”

Referência: http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Mercury


As versões do lançador Atlas – Agena foi utilizada para colocar sondas exploratórias aos planetas do sistema solar, como Marte, Vênus.

As versões do lançador Atlas – Centauro foram utilizadas com as sondas Pioneer (Pioneer 10 para Júpiter) e Surveyor (Lua)

Versões do Lançador Atlas V:

Mais dados:


Especificação da configuração Atlas
Performance 401

4 diâmetro do lançador

0 número de foguetes combustível sólido

1 número de estágio Centauro (Máximo de 2)

Exemplos de uma aplicação:

Órbita de Transferência Geoestacionária (27°)

Lançador - kg (lb)

401 - 4,950 (10,900)

431 - 7,800 (17,190)

551 - 8,700 (19,180)
Exemplos de outra aplicação:

Órbita Circular Baixa (28.5°)

Lançador - kg (lb)

401 - 12,500 (27,558)

431 - 13,620 (30,020)

551 - 18,500 (40,780)




O estágio Centauro é um propulsor adicional que pode ser inserido a mais dentro da configuração do Atlas V e o número de propulsores Centauro máximo a ser encadeado podem ser dois.

Esse mesmo módulo propulsor aparece em uso no Lançador Titan.





Um lançador de três estágios foi desenvolvido após o sucesso da família R-7 e com ele em 12 de Abril de 1961 Yuri Gagarin fez o seu primeiro vôo orbital ao redor da Terra.

A figura da esquerda ilustra o lançador carregando o LUNA 1.

A figura da direita é a nave do cosmonauta Yuri Gagarin.

Após esse sucesso o lançador passou a ser chamado de Vostok





O desenvolvimento do Titan (1959) foi o desenvolvimento de um lançador que teve aplicações no Projeto Gemini, na missão Voyager, na missão Viking e finalmente na Missão Cassini-Huygens




O Lançador Titan III E ou Titan – Centauro foi empregado para as missões de exploração espacial destinadas a Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno e também para explorar o Sol.

Titan IIIE e suas principais missões (Voyager) 9 de Setembro de 1975, (Viking) 20 de Agosto de 1975 (Helios) 10 de Dezembro de 1974.

Titan IV-B/Centauro - Sonda Cassini – Huygens (5,82 ton.)

O Molniya em 1960
É um lançador de três estágios cuja carga útil pode ter diversas finalidades como inserção lunar com 1 600 kg, ou uma missão a Marte com uma sonda de 946 kg, ou uma missão a Vênus com uma carga útil de 1 200 kg

A Família Delta





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