Falcon 9 e Dragon: engenharia de ponta para voos não tripulados

O Falcon 9 é um foguete privado desenvolvido pela empresa SpaceX com o apoio da Nasa, e foi lançado no último dia 4 de junho, no Cabo Canaveral, na Flórida, Estados Unidos.
O foguete foi lançado dez minutos antes de encerrar o limite de tempo disponível para a operação e depois que, em três ocasiões, os controladores tiveram que interromper a contagem final. Aos nove minutos do lançamento, o controle de missão anunciou com satisfação que o foguete havia entrado em órbita. 

Em seu voo inicial, o Falcon 9 abrigou um protótipo da cápsula Dragon (veja mais informações ainda neste texto), que um dia poderá transportar astronautas ou carga à Estação Espacial Internacional (ISS).
Robyn Ringuette, diretor do voo, afirmou que o protótipo da cápsula Dragon transportada pelo Falcon 9 não conta com o escudo térmico que permite sobreviver no momento de entrada na atmosfera terrestre. 

No entanto, a cápsula, de 3,6 metros de diâmetro, que pode transportar carga ou até quatro astronautas, conta com instrumentos que recolheram informações durante sua chegada à órbita. 

No futuro, a cápsula poderá transportar até seis toneladas de materiais e provisões à ISS.
A Nasa vai precisar, de forma imediata, de sistemas como o Falcon 9-Dragon, já que, este ano planeja aposentar sua frota de naves espaciais capazes de transportar astronautas, o que deixa às naves russas Soyuz a condição de únicas capazes de levar pessoas à ISS. 

O sucesso do Falcon 9 é também mais um passo na comercialização do espaço por parte de empresas privadas e pode abrir ainda mais o caminho ao incipiente turismo espacial. Neste ano, Elon Musk, fundador da SpaceX, estabeleceu o objetivo de lançar satélites de forma privada. 

Veja as características técnicas do Falcon 9

A família Falcon foi projetada para oferecer avanços em termos de viabilidade, de custo ambiental de voo e de tempo de lançamento.

Características:
Comprimento: 54,9 m (180 pés)
Largura: 3,6 m (12 ft)
Massa (LEO, 5.2m carenagem): 333,400 kg (£ 735,000)
Massa (GTO, 5.2m carenagem): 332,800 kg (£ 733.800)
Thrust (vazio): 4,94 MN (1.110.000 lbf) 

Falcon 9

Primeira Etapa 

As paredes do tanque e as cúpulas do Falcon 9 são feitas de liga de lítio e alumínio. Como o Falcon 1, o interestágio, que liga a fase superior e inferior para o Falcon 9, é um núcleo de alumínio estruturado de fibra de carbono composto. O sistema de separação é uma versão ampliada dos empurradores pneumáticos utilizados na Falcon 1. 

Motores

Segunda Fase
O tanque da segunda fase do Falcon 9 é uma versão mais curta do primeiro tanque e utiliza a maior parte das ferramentas, com os mesmos materiais e técnicas de fabricação. Isso resulta em economia significativa de custos na produção dos veículos.

Um único Merlin ( veja explicação abaixo) faz o motor do Falcon 9 andar com uma taxa de expansão superior de 117:1 e uma queimadura nominal de tempo de 345 segundos. Para obter maior confiabilidade ao ser reiniciado, o motor tem duplo redundante escorvas pirofóricos (TEA, TEB).

SpaceX motor Merlin

O motor principal, chamado Merlin, foi desenvolvido internamente na SpaceX, mas baseia-se em uma longa herança de espaço de motores. O injetor de estilo gonzo foi primeiramente usado no programa Apollo para o motor de pouso do módulo lunar, uma das fases mais críticas da missão. 

O propulsor é alimentado por meio de um eixo único, operando o impulsor da bomba-turbo dupla em um ciclo gerador de gás. A bomba-turbo também fornece o querosene de alta pressão para os atuadores hidráulicos, que recicla, em seguida, na entrada de baixa pressão. Isso elimina a necessidade de um sistema hidráulico de alimentação. Um terceiro uso da bomba-turbo fornece controle de rolo de acionamento da turbina bocal de exaustão (com o motor da segunda fase).

Combinando as três funções acima em um dispositivo, que é verificado antes do veículo ter autorização para decolar, obtém-se uma melhora significativa no nível de confiabilidade do sistema.

Mar Thrust Level: 556 kN (125.000 lbf)
Vácuo Thrust: 617 kN (138.800 lbf)
Isp Nível do Mar: 275s
Aspirador de ISP: 304s

Com um impulso específico de 304s vácuo, Merlin possui o mais alto desempenho do motor do gerador de gás de ciclo querosene jamais construído, superando o Boeing Delta II motor principal, o Lockheed Atlas II motor principal e o Saturn V F-1.

Projetado para confiabilidade máxima
A grande maioria das falhas de lançamento nas duas últimas décadas é atribuída a três causas: motor, separação de fases e, num grau muito menor, falhas aviônicas. Uma análise da história da falha no lançamento, entre 1980 e 1999, da Aerospace Corporation mostraram que 91% das falhas conhecidas podem ser atribuídas aos subsistemas.

A confiabilidade do motor

O Falcon 9 tem nove motores Merlin agrupados. Esse veículo é capaz de sustentar uma falha de motor em qualquer ponto do voo e, ainda, completar com sucesso a sua missão. Esse fato resulta em um nível ainda mais elevado de confiabilidade de um motor de fase única.

Depois de começar a primeira fase do motor, o Falcon não libera o voo até que todos os sistemas de propulsão e do veículo estejam confirmados para operar normalmente. Um seguro sistema automático de desligamento e descarga de um propulsor ocorre se todas as condições off nominal são detectadas.

Aviação de confiabilidade
Falcon 9, com computadores de voo triplo redundante e de navegação por inércia, tem sobreposição de GPS de precisão adicional de órbita de inserção.

Escolha da Nasa para reabastecer a Estação Espacial

Em dezembro de 2008, a Nasa anunciou a seleção de SpaceX Falcon 9 como veículo de lançamento e naves espaciais Dragon para reabastecer a Estação Espacial Internacional (ISS) na aposentadoria do ônibus espacial em 2010. O contrato de US$ 1.600 milhões representa um mínimo de 12 voos, com uma opção para ordenar missões adicionais por um valor contratual total acumulado de até US$ 3,1 bilhões.

A Nasa citou como pontos fortes significativos SpaceX:
Capacidade fase motor fora-First
Sistema de aviação redundante
Fator de segurança estrutural em excesso de padrões da indústria
Redução do risco técnico global da ISS no fornecimento de carga

Volume da carenagem
Abaixo estão as dimensões da carenagem do Falcon 9. As dimensões estão em metros e em centímetros dentro dos colchetes. 

Dragon

Iniciado internamente pela SpaceX em 2005, a nave espacial Dragon é constituída de uma cápsula pressurizada e uma não pressurizada (tronco usado para a Terra) para transporte de carga pressurizada, carga pressurizadas e/ou tripulantes.

A nave espacial Dragon é composta de três elementos principais: o nariz do foguete, que protege o navio e o adaptador de acoplamento para a subida – a nave espacial, que abriga a tripulação e/ou carga pressurizada, bem como a seção de serviços com aviônicos, sistema RCS, para-quedas e infraestrutura de apoio de outros e, no tronco, que prevê o acondicionamento da carga sem pressão e vai apoiar os painéis solares do Dragon e radiadores térmicos.

Em dezembro de 2008, a Nasa anunciou a seleção de SpaceX Falcon 9 do veículo de lançamento e naves espaciais Dragon para reabastecer a Estação Espacial Internacional (ISS) quando o ônibus espacial se aposentar. O contrato de US$ 1.600 milhões representa um mínimo de 12 voos, com uma opção para ordenar missões adicionais por um valor contratual total acumulado de até US$ 3,1 bilhões.

Embora projetado para atender os requisitos de carga e tripulação para a ISS, como voo livre, a espaçonave Dragon também fornece uma excelente plataforma para demonstrações de tecnologia espacial e testes de instrumentos científicos. A SpaceX está manifestando-se totalmente comercial, os voos não-ISS Dragon, sob o nome “DragonLab”, representa uma capacidade emergente para a experimentação no espaço. 

Destaques do Dragon: 

Encontro totalmente autônomo e capacidade de encaixe com acionamento manual na configuração tripulados 6.000 kg (£ 13.228) da carga até a massa LEO; 3.000 kg (£ 6.614) estabelece carga em massa

Payload volume: 10 m3 (245 pés3) pressurizado, 14 m3 (490 pés3) despressurizado

Suporta a configuração de até 7 passageiros, da tripulação

Reação do sistema de controle com 18 MMH propulsores / NTO. Esses propulsores são utilizados tanto para o controle de altitude e de manobra orbital 1.290 kg de propelente que suporta um perfil de missão de segurança a partir da inserção de sub-orbital ISS encontro a reentrada.

Mecanismo integral comum de atracação, com tampas ou apoio, se necessário APAS.
Projetado para pouso na água com para-quedas de recuperação para o oceano.

Para assegurar uma transição rápida da capacidade de carga para a tripulação, a carga e as configurações de grupo de Dragon são quase idênticos, com exceção do sistema de escape da tripulação – sistema de suporte de vida a bordo e controles que permitem que a tripulação assuma o controle do computador de voo, quando necessário. Esse foco na uniformização minimiza o esforço do projeto e simplifica o processo de avaliação humana, permitindo que os sistemas críticos para a segurança da tripulação do Dragon e segurança da ISS sejam totalmente testado em uncrewed – voos de demonstração.

Em cumprimento da fase I COTS contrato, o Dragon realizará três missões de demonstração de carga:

Programa demonstrativo

Meta – Data – Duração – Objetivos

1 – 2010 – 5 horas – Lançado e separado do Falcon 9, a órbita da Terra transmite telemetria, recebe comandos, demonstra manobra orbital e controle térmico, reentra na atmosfera e recupera sonda Dragon

2 – 2010 – 5 dias – ISS Fly-by. Dragon abordará a 10 km de ISS e exercer o rádio cross-link, demonstrando a capacidade da tripulação da ISS para receber a telemetria do Dragon e sua capacidade de enviar um comando para a nave espacial. Após esse objetivo, o Dragon vai deixar a proximidade do ISS e executar um conjunto abrangente de espaço no check-outs, antes de retornar à Terra.

3 – 2010 – 3 dias – Perfil completo da missão de carga, incluindo chegada à ISS

Simulação abaixo, desenvolvido pela Odyssey Space Research, mostra o Dragon aproximando e atracação com o ISS. 

Dragon: nave espacial de carga de configuração

Disposição da tripulação na nave 

Falcon 9: o lançamento da nave espacial Dragon

Dragão e Falcon 9 na segunda etapa, após a separação de eventos

Dragon aproximando-se da Estação Espacial Internacional

Dragon atracado na Estação Espacial Internacional

Desembarque da Dragon

Fontes: Portal Terra e Spacex

Autor: Instituto de Engenharia