Como funcionam os ônibus espaciais

Autor: 
Craig Freudenrich, Ph.D.
40 anos do homem na Lua

Em seus 30 anos de história, o programa do ônibus espacial passou por momentos muito estimulantes e também devastadores. A frota levou astronautas em várias missões de sucesso, resultando em ganhos científicos imensuráveis. Mas esse sucesso teve um custo sério. Em 1986, o Challenger explodiu durante o lançamento. Em 2003, o Columbia se desintegrou durante a reentrada sobre o Texas. Depois do acidente com o Columbia os ônibus espaciais foram mantidos no chão por causa de pendências no replanejamento para melhorar a segurança. O ônibus espacial Discovery, de 2005, deveria ter reiniciado os voos, mas um grande pedaço da espuma isolante se soltou do tanque de combustível externo, obrigando os cientistas a desvendar o mistério - e mantendo a nave no chão. Só em 2006 voltaram as missões, com voos do Discovery e do Atlantis.

Neste artigo, examinaremos a monumental tecnologia do programa do ônibus espacial americano, a missão para a qual ele foi projetado e os esforços extraordinários da NASA para voltar a realizar os voos dos ônibus espaciais.


Imagem cedida pela NASA
Decolagem do ônibus espacial

Os fundamentos
Vamos observar as peças de um ônibus espacial e uma missão comum.

O ônibus espacial tem os seguintes componentes maiores:

  • dois propulsores de foguetes de combustível sólido (SRB) - essenciais para o lançamento
  • tanque de combustível externo (ET) - carrega o combustível para o lançamento
  • módulo - carrega os astronautas e a carga

Perfil da missão do ônibus espacial.
Passe o mouse em cada quadro para uma visão detalhada.

Uma missão comum acontece da seguinte maneira:

  • entrar em órbita
    • lançamento - o ônibus espacial é lançado da plataforma
    • subida
    • queima na manobra para entrar em órbita
  • órbita - a vida no espaço
  • reentrada
  • aterrissagem

Uma missão comum dura de 7 a 8 dias, mas pode se estender a até 14 dias dependendo dos seus objetivos.

Entrando em órbita
Para um ônibus espacial de 2,05 milhões de kg (4,5 milhões de libras) decolar da plataforma até a órbita de 185 a 643 km (115 a 400 milhas) acima da Terra, ele usa os seguintes componentes:

  • dois propulsores de foguetes de combustível sólido (SRB)
  • três motores principais para o módulo
  • o tanque de combustível externo (ET)
  • sistema de manobra da órbita (OMS) no módulo

Vamos ver esses componentes mais de perto.

Propulsores de foguetes de combustível sólido

Dimensões SRB
  • altura - aproximadamente 46 m (150 ft)
  • diâmetro - 3,7 m (12 ft)
  • peso:
    • vazio - 87.090 kg (192.000 lbs)
    • cheio - 589.670 kg (1.300,000 lbs)
  • propulsão - 11,7 milhões N (2.65 milhões de lb)

Os SRBs são foguetes com combustível sólido que fornecem a maioria da força principal ou propulsão (71%) necessária para fazer o ônibus espacial decolar da plataforma. E os SRBs agüentam todo o peso do módulo do ônibus espacial e do tanque de combustível na plataforma. Cada SRB tem as seguintes dimensões, parâmetros e peças:

  • motor para o foguete com combustível sólido cápsula, propulsor, ignição, bocal
  • propulsor sólido
    • combustível - alumínio atomizado (16%)
    • oxidante - perclorato de amônia (70%)
    • catalisador - óxido de ferro em pó (0,2%)
    • fixador - ácido acrílico-polibutadieno-acrilonitrila (12%)
    • agente de cura - resina de epóxi (2%)
  • estrutura de juntas
  • anéis de borracha sintética entre as juntas
  • instrumentos de vôo
  • sistemas de recuperação
    • pára-quedas (de desaceleração, principal)
    • dispositivos de flutuação
    • dispositivos de sinalização
  • cargas explosivas para separação do tanque externo
  • sistemas de controle de propulsão
  • mecanismo de autodestruição

Pelo fato dos SRBs serem motores de foguetes de combustível sólido, uma vez que eles são ligados não podem mais ser desligados. Por essa razão, eles são os últimos componentes a ser ligados no lançamento.

Problema com as juntas anulares

Durante o lançamento do Challenger em janeiro de 1986, a temperatura estava abaixo de zero. O frio fez encolher os anéis (juntas anulares de borracha), e eles não selaram as junções devidamente. Durante a subida, gases quentes escaparam através de uma das junções do SRB. Como um maçarico, os gases cortaram a fina pele do tanque externo e acenderam o combustível de hidrogênio líquido. O Challenger se partiu e a tripulação foi morta. A NASA projetou novamente as junções do SRB, implementou novas regras relativas a lançamentos em dias frios e construiu um novo sistema para a tripulação escapar do ônibus durante o lançamento.

Motores principais
O módulo tem três motores principais localizados na parte traseira da fuselagem (corpo da nave espacial). Cada motor tem 4,3 m (14 pés) de comprimento, 2,3 m (7,5 pés) de diâmetro na parte mais larga (o bocal) e pesa cerca de 3.039 kg (6.700 lb).


Imagem cedida pela NASA
Um dos motores principais do ônibus espacial


Imagem cedida pela NASA

Os motores principais fornecem o restante do impulso (29%) para lançar o ônibus da plataforma para a órbita.

Os motores queimam hidrogênio e oxigênio líquido, que são estocados no tanque de combustível externo (ET), numa proporção de 6:1. Eles sugam o hidrogênio e o oxigênio do ET numa taxa impressionante, o equivalente a esvaziar uma piscina a cada 10 segundos. O combustível é queimado parcialmente numa pré-câmara para produzir alta pressão, gases quentes que controlam as turbo-bombas (bombas de combustível). O combustível é então completamente queimado na câmara principal de combustão e os gases expelidos (vapor de água) deixam o bocal a aproximadamente 10.000 km/h. Cada motor pode gerar entre 1.668.083 e 2.090.664 N de empuxo; a taxa de empuxo pode ser controlada entre 65% até 109% do empuxo máximo. Os motores são montados em dispositivos pivotantes que controlam a direção do exaustor e a direção do foguete.

Tanque de combustível externo
Como mencionado acima, o combustível para os motores principais é guardado no ET, que tem cerca de 48 m (158 pés) de comprimento e 8,4 m (8,4 pés) de diâmetro. Quando vazio, o ET pesa 35.455 kg (78.000 lb). Ele guarda cerca de 719.000 kg (1,6 milhão de libras) de propelente com um volume total de cerca de 2 milhões de litros.

O ET é feito de alumínio e materiais compostos de alumínio. Ele possui dois tanques separados, o tanque da frente para o oxigênio e o tanque traseiro para o hidrogênio, separados por uma região entre os tanques. Cada tanque tem defletores para amortecer o movimento interior do fluido. O líquido flui de cada tanque por uma linha alimentadora de 43 cm de diâmetro para fora do ET e é levado até os motores principais do ônibus. Por essas linhas, o oxigênio pode fluir numa taxa máxima de 66.600 l/min, e o hidrogênio pode fluir numa taxa máxima de 179.000 l/min.

O ET é coberto por uma grossa camada de 2,5 cm de espuma isolante de poliisocianurato. O isolamento mantém o combustível frio, protege-o do calor que a parte externa do ET cria durante o voo e minimiza a formação de gelo. Quando o Columbia foi lançado, em 2003, as camadas da espuma isolante do ET se partiram e danificaram a asa esquerda do módulo, o que fez com que o Columbia se partisse na reentrada.

A seguir, veremos o sistema de manobras do módulo, lançamento e a vida no espaço.