Por que Artemis 1 é tão difícil de começar

O Space Launch System (SLS), o novo foguete massivo da NASA para retornar à exploração lunar com o programa Artemis, não conseguiu iniciar e continua a permanecer estável na Terra principalmente por causa do hidrogênio, o elemento mais leve e abundante do universo. Um tanto evasivo, no sábado passado ele arruinou os planos da agência espacial norte-americana ao vazar o sistema usado para reabastecer tanques de foguetes. Percebendo o quão difícil é lidar com o hidrogênio, os engenheiros da NASA tentaram três vezes antes resolver o problema Sair para adiar o lançamento para a segunda-feira anterior.

Ciência de foguetes em poucas palavras
“O espaço é difícil”, “o espaço é difícil”, uma frase frequentemente ouvida na indústria espacial: superar a atmosfera da Terra requer gastos maciços Energia E se algo der errado, os resultados são quase sempre catastróficos com a destruição do míssil e do que ele carrega. Embora muitas tecnologias SLS Derivado de ônibus espaciaisUm dos programas espaciais de maior sucesso, o novo foguete nunca voou antes, e muitos de seus sistemas foram testados em condições diferentes das de uma plataforma de lançamento.

Assim como os ônibus espaciais, o SLS também usa dois tipos diferentes de empuxo para alcançar a órbita que transporta Orion, a espaçonave que continua sua jornada até a Lua. Nos primeiros dois minutos após o lançamento, a maior parte do empuxo é fornecido por dois Solid Rocket Boosters (SRBs), dois foguetes que usam um propulsor sólido e podemos imaginar fogos de artifício muito poderosos da altura de um prédio de 15 andares. Após a ignição, ele queima cerca de seis toneladas de propelente a cada segundo e produz mais de três quartos do empuxo necessário para o primeiro estágio de lançamento. Feito o trabalho, eles fecharam e se separaram do resto do SLS para retornar à terra, mergulhando no Oceano Atlântico, onde não foram recuperados.

O princípio de funcionamento de ambas as ERBs é relativamente simples, assim como o gerenciamento do propelente que é mantido dentro delas. Eles fornecem grande resistência, mas têm a desvantagem de serem difíceis de julgar e, se as partes que os compõem não estiverem bem conectadas, podem ocorrer explosões e acidentes. Como aconteceu com o Shuttle Challenger em 1986. O segundo sistema que o SLS usa é mais gerenciável, mas por esse motivo também mais complexo de gerenciar.

Em vez de usar combustível sólido, o “estágio básico” do SLS, o grande cilindro laranja, usa combustível líquido. Para todos os efeitos, um enorme tanque com cerca de 65 metros de altura e mais de 8 metros de diâmetro, quatro motores são fixados em sua parte inferior. O cilindro consiste em dois tanques distintos: um para oxigênio e outro para hidrogênio. Como sabemos, esses dois elementos à temperatura e pressão ambiente ocorrem na forma gasosa e são um pouco rarefeitos, ocupando assim uma grande quantidade de volume. Ao resfriar as quantidades necessárias para a queima em temperaturas extremamente baixas, esses gases tornam-se líquidos (LH₂ e LOX) e ocupam muito menos espaço, o que permite armazená-los sob pressão em tanques de estágio primário.

(NASA)

O hidrogênio líquido é o combustível, enquanto o oxigênio líquido é o oxidante: juntos, eles formam o que chamamos de propelente. Quando os dois elementos fluem de seus reservatórios e se encontram, eles produzem uma reação química de alta energia na qual o produto residual é vapor de água (dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio são os componentes da água). Utilizando sistemas de circulação de fluido de alta pressão nos motores, é produzida a combustão necessária para movimentar a grande massa do foguete e fazê-lo continuar sua jornada além da atmosfera terrestre fornecida inicialmente pelas duas estações do RBS.

hidrogênio
Diferentes tipos de combustível podem ser usados ​​em foguetes movidos a líquido, e ao longo dos anos dezenas deles foram testados, mas o hidrogênio está entre os tipos que oferecem o melhor desempenho em termos de peso específico e rendimento. O problema é que manter o hidrogênio sob controle é muito difícil, porque é muito leve e tende a escorregar para todo lado. Ele permanece líquido a cerca de -253°C, mas pequenas diferenças de temperatura ou pressão são suficientes para que evapore rapidamente. Armazenar 800 toneladas em um tanque por algumas horas pode ser um grande problema.

Os tanques de mísseis que usam um propulsor de temperatura ultrabaixa têm espuma e outros materiais isolantes do lado de fora para reduzir a perda de calor. Como geralmente passam algumas horas entre o reabastecimento e o lançamento, o míssil permanece conectado até o último momento útil com tubos que transportam combustível líquido dos sistemas terrestres para seus tanques. É como se no posto de gasolina tivéssemos deixado o dispensador conectado ao carro para compensar a menor evaporação de gás até o último minuto antes de sair (mas não).

A parte inferior do SLS com alguns dos sistemas terrestres ligados ao míssil (Joe Raedle/Getty Images)

No último momento antes do míssil decolar, o sistema de desconexão rápida desconecta os tubos de alimentação do míssil, para que ele possa sair sem levá-lo consigo. A separação deve ser feita com o mínimo de choque possível, de modo que o equivalente a um dispensador de gasolina não possa ser acoplado ao foguete e deve estar livre para ser removido facilmente. Em seguida, vedações e outros sistemas são usados ​​para manter a tubulação de suprimento conectada ao foguete, mas é quase impossível vedá-la completamente, especialmente se você estiver lidando com hidrogênio líquido, que, como vimos, se infiltra facilmente nas rachaduras.

Por ser um problema conhecido, os engenheiros da NASA têm um limite de tolerância para a perda de hidrogênio na plataforma de lançamento, que é detectada por alguns sensores próximos ao sistema de lançamento rápido. Se a concentração de hidrogênio em torno disso for inferior a 4%, você pode continuar a se preparar para o lançamento, caso contrário, você deve parar porque, à medida que a quantidade de hidrogênio disperso aumenta, aumenta o risco de um incêndio que poderia destruir o míssil.

referência
No caso de um lançamento atrasado no sábado, a NASA tinha descobridor Quase duas vezes e em alguns casos três vezes a concentração máxima permitida de hidrogênio. Assim, os técnicos cortaram duas vezes o reabastecimento do tanque que deveria conter hidrogênio, confiantes de que assim o sistema de separação rápida aqueceria um pouco, provocando uma nova expansão dos materiais que o ligam ao foguete. As tentativas foram em vão, e mesmo outra tentativa de aumentar a pressão nos tubos, na esperança de fazer o conector ficar melhor, não levou a tal progresso que foi necessário adiar o lançamento.

Essas manobras, como todas as outras preparações de mísseis nas últimas horas antes do lançamento, só podem ser realizadas remotamente por motivos de segurança, o que reduz a possibilidade de intervenção dos técnicos. Nas horas e dias seguintes ao atraso, a NASA analisou os dados e as condições do sistema de separação, indicando que um comando incorreto da válvula poderia ter contribuído para a perda de hidrogênio, o que poderia comprometer a estanqueidade do condutor ao transporte de hidrogênio. . no míssil.

garagem
Na segunda-feira, 6 de setembro, a NASA decidiu proceder com algumas intervenções diretamente na plataforma de lançamento, agora que está novamente facilmente acessível, e evitar devolver o SLS ao Vehicle Assembly Building (VAB), o grande edifício onde está o foguete. Você pode fazer alguns testes com combustível líquido deixado na rampa que não pode ser feito em um VAB. No entanto, existem alguns sistemas de segurança que só podem ser fixados no interior do edifício, como IEDs que podem destruir o míssil se ele ficar fora de controle imediatamente após o lançamento: eles precisam ser verificados a cada 25 dias, então é provável que com isso , haverá uma transição para o VAB nas próximas semanas.

problema conhecido
Esse hidrogênio foi um dos pontos SLS mais nítidos conhecidos por muito tempo, já que o mesmo elemento era a principal causa de problemas frequentes com os ônibus espaciais. Em média, cada ônibus é lançado Foi adiado uma vez Em alguns casos houve cinco adiamentos da mesma tarefa. Muitas vezes, a responsabilidade recai sobre o sistema de abastecimento de hidrogênio e as dificuldades de contenção de vazamentos.

Alguns notaram que muitos problemas com o SLS poderiam ter sido evitados se outros combustíveis, como metano ou querosene, fossem escolhidos. No entanto, a NASA não teve uma grande escolha: quando o Congresso em 2010 – que periodicamente decide quanto dinheiro dar à agência espacial – autorizou o desenvolvimento do SLS, exigiu que as tecnologias já disponíveis a partir das dos ônibus espaciais fossem usadas e que os mesmos contratantes espaciais Influential Historic Americans em Washington, D.C. Em muitos estados, existem empresas que trabalham na NASA há décadas e são muito apreciadas pelos representantes políticos, pois empregam milhares de pessoas.

Pessoas esperam pelo então atrasado lançamento do Artemis 1 na segunda-feira, 29 de agosto, perto de Cabo Canaveral, Flórida (AP Photo/Phelan M. Ebenhack)

Ao exigir que a NASA usasse tecnologias já desenvolvidas, o Congresso estava confiante de que poderia economizar no desenvolvimento do novo foguete e, ao mesmo tempo, garantir alguma continuidade para a indústria espacial com contratos. Esta escolha teria condicionado os desenvolvimentos subsequentes do programa lunar americano, que recentemente se tornou Artemis um projeto ambicioso Envolva outros tópicos especiais. Enquanto isso, o SLS poderia ter acumulado atrasos maciços ao exceder seus planos de gastos iniciais em várias dezenas de bilhões de dólares.

Apesar dessas e de outras dificuldades, o desenvolvimento do SLS continuou nos últimos anos e envolveu vários testes antes de chegar à plataforma de lançamento, que também incluiu um sistema de reabastecimento de mísseis. Incluindo as tentativas de segunda-feira, 29 de agosto e sábado, 3 de setembro, a NASA tentou pelo menos seis vezes reabastecer o foguete, não conseguindo concluir a operação. No entanto, falhas e atrasos, que não eram incomuns em lançamentos espaciais, permitiram à NASA coletar dados e realizar análises que podem ser úteis à luz da próxima tentativa de lançamento. Uma data ainda não foi anunciada, mas agora é possível que a nova aventura em direção à lua só comece em outubro próximo. O espaço é difícil.