Astronáutica

Viagem Espacial – Uma Visão Geral

 Autora: Norma T. O. Reis (normareis@mec.gov.br)

 

O que é necessário para chegar ao espaço? Além de muita coragem, considerando o risco de vida envolvido em toda viagem espacial, é preciso dominar alguns conceitos científicos e de engenharia.

1. Viagens tripuladas e não-tripuladas

Devemos começar esclarecendo que existem basicamente dois tipos de missões espaciais:

• Tripuladas: envolve o envio de astronautas/cosmonautas para além da órbita terrestre; podem incluir também turistas espaciais;

• Não-tripuladas ou robóticas: envolve o envio de satélites, sondas, telescópio espacial e outros instrumentos em órbita da Terra ou para além da órbita de nosso planeta. Essas naves espaciais não carregam tripulantes. Veja o exemplo da sonda Cassini, que foi enviada para explorar o planeta Saturno e seu satélite Titã.    

2. Astronáutica, foguetaria e importância da tecnologia espacial

Aqui nos deteremos nas missões espaciais tripuladas. Estamos falando sobre Astronáutica, ou seja, a ciência e a prática da exploração/navegação do espaço para além da atmosfera terrestre, por meio de naves espaciais tripuladas. Embora a humanidade sempre tenha sonhado em explorar o desconhecido e viajar para mais próximo das estrelas, somente no século XX esse sonho começou a sair do papel e das histórias de ficção científica, com os avanços alcançados na área de foguetes. Pesquisadores atuaram de forma isolada em diferentes partes do mundo para construir artefatos capazes de se atravessar a atmosfera e se manter em órbita da Terra. Alguns nomes dignos de nota são Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), professor russo considerado o pai da Astronáutica, Robert H. Goddard (1882-1945), físico norte-americano considerado o pai da foguetaria moderna que inventou o foguete de propelente líquido, e o físico alemão Hermann Oberth (1894-1989). Abaixo, Robert Goddard com um foguete de propelente líquido.

Esses avanços foram beneficiados por pesquisas de mísseis balísticos do período da Segunda Guerra Mundial. Por esse motivo, talvez, ainda haja uma certa resistência às atividades espaciais, considerando que ela seria um “subproduto de atividades militares”. Entretanto, na ciência e na tecnologia, as descobertas podem ser utilizadas para o bem ou para o mal. A mesma tecnologia espacial que pode ser utilizada para que nos comuniquemos via satélite, tenhamos sofisticados sistemas de navegação e gerenciamento de recursos naturais à disposição, pode ser eventualmente utilizada em um conflito entre nações. Igualmente, a tecnologia nuclear pode ser utilizada na medicina, para enviar naves ao espaço a velocidades maiores, mas pode eventualmente ser utilizada para a guerra. Esse tipo de tecnologia é portanto chamada dual, pois pode ser empregada tanto para fins pacíficos quanto bélicos. Entretanto, esse tipo de tecnologia é estratégica e cara, portanto seu domínio assegura soberania e gera divisas às nações que a possuem. Por exemplo, a tecnologia de veículos lançadores – capazes de colocar satélites e naves espaciais tripuladas em órbita da Terra e além é muito cara, e dominada por poucos países. Esses países cobram preços bastante elevados para que outros países que não possuem tecnologia possam utilizar seus sistemas de lançamento.

3. Atividades espaciais no Brasil e no mundo

A maioria das atividades espaciais em todo o mundo é realizada por instituições governamentais denominadas agências espaciais, como a Agência Espacial Brasileira (AEB) e a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA), dos Estados Unidos. Essas instituições são responsáveis por orquestrar o conjunto de atividades espaciais que culminam no envio de naves para a exploração e estudo do espaço. No Brasil, as atividades espaciais são coordenadas pela Agência Espacial Brasileira, e executadas principalmente pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).

Atualmente, podem ser identificados também diversos esforços não governamentais na área espacial. Um desses esforços é o turismo espacial, que compreende a construção de naves espaciais que realizam voos suborbitais (que chegam próximos à órbita da Terra, mas que efetivamente não entram em órbita), bem como projetos de hotéis espaciais. Que tal observar a curvatura da Terra contrastando à escuridão cósmica e ainda experimentar alguns minutos de sensação de microgravidade? Atualmente, as empresas que estão vendendo passagens para esses voos são a Virgin Galactic (http://www.virgingalactic.com/) e a Space Adventures (http://www.spaceadventures.com/). Há ainda projetos para a construção de hotéis no espaço. Um desses projetos é o Galactic Suite (http://www.galacticsuite.com/). Assim, a cada dia o espaço se torna um domínio também da iniciativa privada.

 

4. Para uma viagem espacial traga a bordo…

Para realizar uma viagem espacial, são necessários alguns componentes básicos:

1. nave espacial;

2. sistema de propulsão;

3. combustível;

4. plataforma de lançamento;

5. centro de controle de missão;

6. astronautas.

 

O que diferencia uma aeronave de uma nave espacial é que a última viaja para além das camadas da atmosfera terrestre. Por convenção, a fronteira entre a atmosfera e o espaço se situa a 100 km de altitude, onde por convenção adotou-se uma linha chamada Karman que define a “fronteira” com o espaço, para fins de Astronáutica. Clique na imagem ao lado para ampliar e conhecer essa linha no escopo das diferentes camadas atmosféricas. A partir daí, podemos colocar um objeto na órbita da Terra ou enviá-los para destinos mais distantes, tais como Marte, a Lua ou aos outros planetas do Sistema Solar. Importante destacar que há diversas órbitas na Terra, que podem ser utilizadas para satélites com finalidades diferenciadas.

5. Sistemas de Propulsão – Foguetes

Um veículo espacial é diferente de qualquer outro veículo porque ele precisa atravessar a atmosfera terrestre, para então ser colocado em órbita da Terra, ou enviado para destinos mais distantes. Para isso, ele precisa de um mecanismo especial que permita que eles passem pela atmosfera terrestre sem sofrerem danos.

Uma nave espacial é colocada em órbita por meio de sistemas de propulsão. Mas, para início de conversa, o que é propulsão? A origem da palavra é latina: pro significa antes ou para frente, e pellere significa dirigir. Assim, propulsão significa empurrar um objeto para frente, ou para cima. Um sistema de propulsão, por força de ação e reação (Terceira Lei do Movimento de Newton), produz um jato de exaustão para baixo, gerando um impulso que empurra o veículo espacial para cima.

A propulsão para viagens espaciais é gerada por foguetes, também denominados veículos lançadores. Essa propulsão possibilita que o veículo espacial altere sua posição, velocidade e orientação no espaço.

Podemos afirmar que um foguete é um engenho de reação. Um engenho de reação é um equipamento que lança massa para fora em uma direção para acelerar o veículo na direção oposta. Ele é o “motor” que impulsiona o veículo espacial em sua trajetória pelo ar e pelo espaço. Para ser lançado ao espaço, o sistema nave-foguete requer uma força que seja maior que seu peso. Essa força é gerada por foguetes. Além de levantar o veículo espacial, o foguete deve levantar a si próprio e seu combustível. Para isso, o foguete expele em sua parte traseira gases de combustão que impulsionam o veículo espacial. Esse combustível é queimado e exaurido pelo bocal ejetor, o veículo se torna mais leve e requer menos força para se manter acelerando. No foguete, quando os gases do combustível queimado são exauridos em um jato forte através de um bocal comprimido, o engenho é impulsionado na direção oposta.Veja esse vídeo que faz algumas comparações entre o motor do carro e o do foguete.

A maioria dos foguetes possui uma estrutura simples, que consiste em uma câmara na qual propelentes ou combustíveis (sólidos, líquidos ou gasosos) são acelerados a altas velocidades e expelidos através de um bocal ejetor. Essa câmara abriga também oxigênio para combustão. Os foguetes são diferentes de motores a jato porque transportam seu próprio oxidante, o que lhes permitem operar na ausência de um suprimento de ar. Em sua câmara de combustão, os gases são aquecidos a enormes temperaturas e queimam exercendo enorme pressão nas paredes do engenho. Os gases são expandidos rapidamente, acelerando e reduzindo a pressão. Em reação ao movimento do propelente que produz exaustão de gases por meio de um bocal comprimido, o engenho é acelerado na direção oposta. Em um foguete químico, o combustível e o oxidante se combinam no processo de combustão, expelindo energia na forma de calor que faz com ele ele se expanda e, depois de queimados eles são partículas expelidas para produzir impulso. Veja abaixo um esquema simplificado de um motor-foguete (extraído de http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422002000100018).

O impulso é a força que move o foguete pelo ar e pelo espaço. Trata-se de uma força mecânica não equilibrada na parede da frente da câmara de combustão que deve superar o peso do foguete, acelerando o veículo espacial pelo ar e pelo espaço. Essa força requer um fluido atuante, que é o combustível ou propelente. O impulso requer consumo de energia e é usualmente gerado por meio de reação resultante da aceleração de uma massa de gás. Essa energia é gerada na forma de calor, pela queima de algum tipo de combustível. Para aumentar o impulso, coloque mais propelente para fora do bocal ejetor, a velocidades maiores. A magnitude, a força do impulso depende da massa e da velocidade dos gases expelidos. Quando acaba o combustível, a nave viaja apenas por inércia, não mais por propulsão. Além de serem usados em voos espaciais, os foguetes são empregados em mísseis, aeroplanos e automóveis.

Um dos principais desafios de um foguete é vencer a resistência da atmosfera. É por isso que os foguetes são lançados na vertical, ou seja, para sair da atmosfera terrestre o mais rápido possível. A resistência atmosférica aumenta com a velocidade do veículo, mas diminui na medida em que ele alcança altitudes maiores onde o ar é menos denso. A par disso, a atração gravitacional se reduz na medida em que a nave espacial se distancia da Terra.Veja esse vídeo que mostra os foguetes de combustível sólido o ônibus espacial se destacando do veículo espacial.

Durante a trajetória de um foguete rumo ao espaço, sua velocidade se altera na medida em que o veículo atinge altitude e atinge diferentes órbitas. Sua massa sofre redução na medida em que o propelente é queimado e abandonado no espaço. Igualmente, partes do veículo se destacam e são derrubadas, reduzindo assim a massa do sistema veículo espacial-foguetes/veículos lançadores.

Às vezes é preciso fazer manobras no espaço, alterando a direção do movimento. A direção de deslocamento do foguete pode ser alterada na medida em que mudamos a direção dos gases de exaustão. A direção do impulso é oposta à do gás exaurido. Existe um suporte que permite que o bocal ejetor seja movido de um lado para outro, alterando a direção do fluxo de exaustão.

Um veículo espacial é relativamente leve se comparado ao foguete mais combustível. Assim, 95% do peso de um veículo espacial equivale ao propelente mais os foguetes, que são abandonados no espaço antes de a nave ser colocada em órbita. Apenas 5% do sistema corresponde ao veículo espacial. Há estudos e pesquisas em andamento para reduzir ou eliminar essa forma dispendiosa e pesada de colocar objetos em órbita.

5.1. Propulsão química

Atualmente, os propelentes mais utilizados em viagens espaciais são químicos. Os propelentes químicos funcionam com base em combustão, que é uma reação química entre um combustível (sólido, líquido ou híbrido) e uma substância oxidante. Essa reação ocorre na câmara de combustão e o resultado dessa queima são gases que impulsionam o foguete. Confira esse vídeo em inglês que ilustra como isso ocorre:

 

Vejamos alumas características dos três tipos básicos de propulsão química:

a) Propelentes sólidos: a propulsão requer propelente em grãos, que queima em sua superfície e produz gases aquecidos. Alguns exemplos de propelentes sólidos são alumínio e pólvora. Alguns exemplos de oxidantes são amônia e perclorato, potássio e perclorato. Vejamos algumas características dos propelentes sólidos:

• uma vez iniciada a ignição eles não podem ser desligados ou reiniciados; uma vez ligado, o combustível deve queimar até o fim;
• eles fornecem uma quantidade desejada de impulso por um tempo específico e são descartados quando acaba o combustível;
• baratos;
• altamente confiáveis;
• estáveis e fáceis de montar e armazenar;
• não requerem equipamentos de injeção de propelentes;
• sensível à temperatura;
• podem ser queimados muito rapidamente;
  
• eles precisam ser montados em diversos estágios, ao invés de em uma única peça. Um foguete de único estágio provavelmente quebraria e seria praticamente impossível mover um foguete tão grande de único estágio do local de fabricação até a plataforma de lançamento sem produzir algum dano.

b) Propelentes líquidos: basicamente, são combustíveis em estado líquido. Foguetes que utilizam esse tipo de propelente foram empregados pela primeira vez em 1926, pelo físico norte-americano Robert Goddard, considerado o pai da propulsão moderna. Esses propelentes são mais difíceis de manusear que os propelentes sólidos, exigindo tanques individuais para o combustível e o oxidante. O combustível e o oxidante – ambos em estado líquido – são inseridos por injetores na câmara de combustão do foguete, onde sofrem ignição e queima. Essa queima deve ocorrer no centro da câmara de combustão para evitar que suas paredes e injetores superaqueçam e derretam. O propelente frio circula na câmara de combustão e bocal ejetor, resfriando o engenho e, ao mesmo tempo, preaquecendo o propelente.

O impulso de um foguete que usa combustível líquido depende da taxa de injeção desse combustível na câmara de combustão. Assim, quanto mais propelente injetado, maior a quantidade de gases de exaustão e, por consequência, maior o impulso. Ao desligar completamente as bombas de injeção, a combustão é interrompida. Desse modo, é muito fácil controlar, parar e iniciar a combustão com o uso de propelentes líquidos. Em outras palavras, os foguetes que utilizam propelente líquido podem ser ligados e desligados. Uma desvantagem desse tipo de propelente é seu alto custo e complexidade. Alguns propelentes líquidos utilizados em veículos lançadores são:

1. Propelentes criogênicos: tanto o combustível quanto o oxidante se encontram na forma de gases muito frios. Sua armazenagem em um foguete é muito difícil, pois eles têm densidade baixa. Ao resfriá-los e comprimi-los em líquidos podemos ampliar significativamente sua densidade e possibilitar seu armazenamento em tanques menores. Geralmente a combinação utilizada é oxigênio e hidrogênio líquidos, sendo que o oxigênio é o oxidante e o hidrogênio, o combustível. Quando o hidrogênio se queima em oxigênio, o resultado é uma nuvem de água.
2. Propelentes hipergólicos: combustível e oxidante entram em ignição quando em contato. Em outras palavras, eles dispensam mecanismo de ignição para iniciar a combustão. Nesse tipo de propelente, a parte de combustível geralmente inclui hidrazina. O oxidante é geralmente tetróxido de nitrogênio N₂O₄ ou, Ácido nítrico HNO₃. Os propelentes hipergólicos são utilizados em foguetes para rotacionar e manobrar o veículo espacial em órbita, pois eles podem ser ligados e desligados repetidas vezes com grande confiabilidade. Eles são também utilizados para inserção orbital na medida em que o combustível pode ser facilmente controlado, dessa forma permitindo ajustes precisos para inserção orbital. Eles também são utilizados para controle de atitude. Esses propelentes permanecem em estado líquido em temperaturas normais. Eles não precisam de armazenamento controlado por temperatura, como os propelentes criogênicos.

c) Propelentes híbridos: consistem em uma mistura de propelentes sólidos e líquidos. Um de seus componentes (geralmente o combustível) é sólido e o outro (geralmente o oxidante) é líquido. O oxidante flui pela perfuração presente no grão de combustível sólido e reage com ele. Isso produz uma exaustão de gás quente para produzir impulso. Em muitos foguetes de propulsão híbrida, o oxidante é óxido nitroso (N₂O) liquefeito pressurizado, enquanto o combustível é celulose (C₆H₁₀O₅ ). Esse tipo de propelente combina as vantagens dos combustíveis sólidos e líquidos. Por exemplo, um grão de combustível sólido sem oxidante misturado em oxigênio líquido (LOX) é armazenado em um tanque separado e alimentado na perfuração do grão conforme a necessidade, para combustão. O engenho pode ser controlado pela variação do fluxo de oxigênio líquido, ou mesmo desligado totalmente pelo corte do suprimento de oxigênio líquido, sendo reiniciado quando necessário. O custo por voo é muito inferior que os foguetes que usam propelentes sólidos. Os engenhos possuem alto desempenho e o processo de combustão pode ser reduzido ou interrompido a qualquer momento.

5.2. Outros tipos de propulsão

Mas há outros tipos de sistemas de propulsão em estudo além dos combustíveis químicos. Alguns exemplos, tais como propulsão elétrica ou por plasma, são comentados nesses vídeos:

 

 

Um exemplo notável é chamado VASIMR. Basicamente, trata-se de propulsão a plasma. Um foguete VASIMR pode utilizar como propelente hidrogênio, hélio e deutério. A facilidade para encontrar esses ingredientes nos corpos celestes pode facilitar a produção de combustível em qualquer destino de exploração, tal como Marte, que deve ser o próximo passo óbvio da exploração tripulada do espaço.Uma viagem a Marte utilizando combustíveis atuais levaria 03 anos. Já mediante o uso do combustível VASIMR, a mesma viagem levaria no máximo 01 ano.

Existe um sistema de propulsão iônica que faz uso eficiente de combustível e energia elétrica para fazer com que naves espaciais modernas viagem de forma mais rápida, alcancem distâncias maiores, e com um custo menos que as tecnologias de propulsão atualmente disponíveis. Outro sistema de propulsão é aquela que utiliza o vento solar, ou seja, a energia do Sol para permitir viagens pelo espaço, de forma similar à maneira como o vento é utilizado para carregar um barco no oceano. A pressão exercida pelo vento solar faz com que o veículo se movimente, bem como realize manobras no espaço. Devido ao fato de que o Sol fornece a energia de propulsão necessária, essa forma de propulsão não requer que se carregue combustível, desse modo reduzindo o massa de carga. Uma parte considerável dos atuais sistemas de lançamento que utilizam combustíveis químicos são pesados demais, assim encarecendo o custo do lançamento.

Existem formas de propulsão que não utilizam propelentes. A atmosfera de um planeta pode ser utilizada para atingir a alteração de velocidade necessária para que o veículo espacial seja capturado em uma órbita.

6. Veículos lançadores e nave espacial

Os foguetes ou veículos lançadores podem ser divididos em diferentes estágios. A maior parte da estrutura dos veículos espaciais é destinada ao transporte de combustível e oxidante. Entretanto, a maior parte desse propelente é consumida para fazer com que a nave espacial atravesse a atmosfera a chegue à órbita para a qual foi programada. É durante esse trajeto que a maior parte do combustível (ou propelente) é consumida, para colocar em órbita um veículo pesando milhares de toneladas.

Depois desse trecho, o foguete passa a carregar um peso inútil correspondente à estrutura destinada, no início, ao transporte daquele combustível. Por isso, recorre-se ao sistema de foguete de vários estágios: o veículo lançador é subdividido em dois, três e até quatro elementos, tendo cada um a propriedade de se destacar do restante do foguete assim que acaba o combustível nele armazenado. Esses diferentes estágios vão caindo e podem ter dois diferentes destinos: o descarte ou o reaproveitamento. Vejamos como exemplo a família de foguetes não-reutilizáveis Delta. A era dos ônibus espaciais, da NASA, viram acontecer viagem após viagem não somente o reaproveitamento da nave espacial, mas também de seus lançadores (não todos os estágios, mas um deles).

Vejamos um exemplo, o recém-aposentado ônibus espacial da NASA. Ele é formado por três partes principais:

1. nave espacial: trata-se de um grande “avião” espacial, onde moram e trabalham os astronautas. É a única parte do ônibus espacial que entra em órbita, e onde também se encontra um espaço para transporte de carga.

2. tanque de combustível líquido: ele grande e alaranjado, e contém os propelentes líquidos, sendo conectado à nave espacial em sua parte inferior, para o lançamento.

3. foguetes de combustível sólido: eles são responsáveis pela maior quantidade de impulso para os primeiros dois minutos do lançamento. Eles são longos e finos.

 

O ônibus espacial decola como um foguete. Os foguetes de combustível sólido e os motores no ônibus espacial fornecem o impulso para o lançamento. Os foguetes de combustível sólido queimam por cerca de dois minutos. Depois eles são derrubados do ônibus espacial no oceano. Barcos especiais os trazem de volta de modo que eles possam ser utilizados novamente. Os principais motores do ônibus espacial queimam por cerca de seis minutos. O tanque externo é então derrubado quando todo o combustível é utilizado. Logo depois, tanto o ônibus espacial e a tripulação estão em órbita. O ônibus espacial aterriza como um avião. Enquanto em órbita, ele usa seus motores para desacelerar parar de orbitar. Após a reentrada na atmosfera terrestre, ele pousa como um avião em uma pista (informações extraídas do site da NASA). Todos os componentes são utilizados exceto o tanque externo de combustível, que queima na atmosfera após o lançamento. O ônibus espacial tem capacidade de transporte de até sete astronautas, bem como carga. Foi graças ao ônibus espacial que foi possível construir o mais notável empreendimento de cooperação internacional no setor espacial, ou seja, a Estação Espacial Internacional (sigla em inglês ISS). Durante as múltiplas missões do ônibus espacial, também foi colocado em órbita o Telescópio Espacial Hubble, que obtém imagens dos mais longínquos destinos no Universo, tais como supernovas e galáxias distantes.

Diferente das naves espaciais tripuladas anteriores, com capacidade de transportar de um a três astronautas, que eram descartáveis em sua totalidade (nave espacial e veículos lançadores), o ônibus espacial é uma nave espacial reutilizável, e a primeira nave espacial na história que carregou vários satélites para a órbita da Terra. Ele decola como um foguete, faz manobras na órbita da Terra e pousa como um avião. A segurança dos astronautas é alta prioridade, por isso as operações relacionadas ao lançamento, operação da nave espacial, monitoramento do trabalho dos astrnautas no espaço, e reentrada na atmosfera terrestre, precisam ser executadas com alta precisão.

7. Plataforma de lançamento

Agora que temos uma noção do que faz uma nave espacial chegar à órbita da Terra, vamos falar um pouco sobre os outros elementos da missão. Um deles é a plataforma de lançamento, onde são realizadas as checagens prévias ao lançamento. Nessa plataforma os tanques são abastecidos e a contagem regressiva é realizada.

8. Contagem regressiva e… liftoff!

Diversos profissionais são envolvidos no processo de colocar uma nave espacial em órbita da Terra. Existe uma operação de lançamento que envolve uma contagem regressiva. Essa contagem começa vários dias antes do lançamento. Ela pode ser interrompida a qualquer momento, até mesmo no momento do lançamento se quaisquer dificuldades técnicas forem encontradas. Fatores como tempo ruim podem contribuir para adiar um lançamento, sobretudo ao se tratar de uma missão que leva astronautas ao espaço. Assista abaixo o lançamento do ônibus espacial Atlantis, em sua viagem final à Estação Espacial Internacional.

9. Centro de controle de missão

Embora a contagem regressiva seja realizada na plataforma de lançamento, após a nave deixar a superfície da Terra, existe um centro de controle de missão que fica encarregado de acompanhar a nave, os sistemas da nave, a saúde e o trabalho dos astronautas, desde o lançamento até o pouso na Terra, ao final da missão. Veja esse vídeo do centro de controle de missão da NASA, em Houston, Texas:

Por meio do uso de computadores, engenheiros fazem cálculos detalhados e regulares, levando em consideração a alteração da massa, forças e gravidade. O resultado de seus cálculos é um perfil previsto de voo que mostra onde o veículo espacial deve estar, em qual velocidade ele deve estar viajando, e em qual direção. Durante um voo, então, a real posição e velocidade são comparadas aos valores previstos para verificar se tudo está transcorrendo de acordo com o previsto.

10. O trabalho no espaço

Os astronautas têm uma rotina que inclui a realização de experimentos em áreas tais como materiais e ciências físicas e biológicas; atividades físicas; higiene pessoal; cuidados com a nave espacial; contatos com o centro de controle de missão; e descanso. Interessante destacar que, diferente da Terra, onde vemos o Sol nascendo e se pondo somente uma vez por dia, no espaço isso acontece com muita frequência. Com efeito, em um mesmo dia os astronautas podem ver o Sol nascer e se por 16 vezes. Isso significa que esses astronautas podem ter dificuldades para dormir. Além disso, como eles ficam em microgravidade, precisam se amarrar para dormir, o que também pode causar algum desconforto.

Referências

Damon, T.D. Introduction to Spaceflight. Florida, Krieger Publishing Company, 2001.

Site da NASA – www.nasa.gov