NASA e SpaceX estudam missão de manutenção do Hubble

Cenários de serviço em órbita foram estudados desde os anos 2000, mas entrada de empresário deu novas opções

Cenário de encontro em órbita entre uma espaçonave Crew Dragon e o telescópio espacial

O Telescópio Espacial Hubble (HST), reparado e atualizado cinco vezes por astronautas nos ônibus espaciais da NASA, pode receber nova missão. Esta semana, a agencia espacial dos EUA e a SpaceX revelaram que estão estudando se é possível enviar astronautas de volta ao Hubble mais uma vez em uma espaçonave Crew Dragon, com o bilionário Jared Issacman podendo usar uma de suas três missões Polaris para isso. Enfatizando repetidamente que é apenas um estudo, Isaacman e funcionários da NASA e da SpaceX disseram a repórteres em uma teleconferência de mídia nesta semana que passarão seis meses analisando os aspectos técnicos do envio de uma espaçonave Crew Dragon ao telescópio. Uma fonte da indústria, falando em segundo plano, disse que a NASA deveria adotar uma abordagem mais formal para estudar quaisquer opções de manutenção do que o atual acordo com a SpaceX. Isso começaria com um pedido de informações buscando informações de empresas sobre como elas poderiam reiniciar ou atender o telescópio. Funcionários da agência espacial defenderam o estudo atual. “Quando as pessoas chegam com ideias para coisas que nos ajudariam”, disse Kathy Lueders, administradora associada da NASA para operações espaciais, “não é incomum fazer estudos de viabilidade”.

Concepção de missão de ‘re-boost’ do Hubble por uma espaçonave Crew Dragon em acoplagem frontal

Embora tenha sido lançado há três décadas, os instrumentos do Hubble e muitos de seus sistemas são mais recentes e continuam a produzir dados relevantes. Nesta semana, foi usado para visualizar os efeitos do impacto da espaçonave DART com o asteroide Dimorphos, capturando o aumento do brilho do material ejetado após a colisão.

Concepção de missão de ‘re-boost’ do Hubble por uma espaçonave Crew Dragon acoplando-se ‘de ré’

O programa do space shuttle terminou em 2011 e os sistemas do Hubble estão envelhecendo desde então, à medida que sua órbita se deteriora devido ao arrasto atmosférico. O gerente de projeto do Goddard Space Flight Center da agência espacial, Patrick Crouse, disse em um briefing que o telescópio está orbitando a cerca de 539,1 km de altitude, 72,4 km mais baixo do que depois da última missão de manutenção. No geral está indo muito bem, mas sem um impulso, a vida útil do telescópio é limitada. Crouse disse que a NASA está pensando em conectar um sistema de propulsão até o final da década para conduzi-lo com segurança.

Possíveis cenários de missões de serviço (re-boost ou de-boost) usando a nave Crew Dragon

Opção 1 – O cenário aqui apresentado mostra o uso de um módulo de acoplagem que seria usado como interface entre a nave e o Hubble e como um meio de afastar o nariz basculante da nave da traseira do telescópio. Este módulo seria levado preso à extremidade do segundo estágio do foguete Falcon 9, aproveitando o espaço no interior do ‘porta-malas’ da Crew Dragon, que é oco. Uma vez acoplada, a nave poderia corrigir a órbita do Hubble. Outras tarefas mais complexas exigiriam um braço robótico e uma atividade fora da nave por um ou mais astronautas.

Sequência de missão com um módulo de acoplagem. Aqui a espaçonave acabou de entrar em órbita e vai se separar do segundo estágio do foguete
Espaçonave se separa, expondo o módulo de acoplagem, preso ao estágio
Crew Dragon faz uma meia-volta
Nave se aproxima para acoplar-se ao módulo
Crew Dragon encaixa no módulo
A nave retira o módulo do estágio
Espaçonave segue para o encontro com o Hubble
A espaçonave se aproxima para encaixar no Hubble, usando o módulo de interface para dar distância operacional entre o nariz da cápsula e a traseira do telescópio.

Opção 2 –O segundo cenário mostra o uso de um módulo de acoplagem fixo dentro do compartimento oco da espaçonave, com uma suite própria de aproximação e acoplagem. Este módulo ocuparia um pequeno volume entre a extremidade do segundo estágio do foguete. Uma vez separada do estágio, a nave seguiria para o encontro com o Hubble, e giraria 180° para fazer a captura do observatório voando ‘de ré’, ao estilo do que foi proposto para as espaçonaves TKS com as estações espaciais militares OPS ‘Almaz’ da União Soviética nos anos 70. Isso liberaria os propulsores frontais da cápsula para serem usados nas manobras de ‘re-boost’ ou ‘de-boost’. Novamente, tarefas mais complexas necessitariam do manipulador robótico e atividades extraveiculares por um ou mais astronautas.

Sequência de missão com um módulo de acoplagem fixo na Crew Dragon. A espaçonave acabou de entrar em órbita e vai se separar do segundo estágio do foguete
Espaçonave se separa, expondo o módulo de acoplagem dentro do seu compartimento ‘porta-malas’
Crew Dragon faz uma meia-volta (distância entre a nave e o estágio apenas figurada)
Nave se afasta do estágio (distância entre a nave e o estágio apenas figurada)
Crew Dragon faz o rendezvous com o telescópio
A espaçonave se encaixa no Hubble, usando o módulo de interface.

A SpaceX tem uma experiência considerável acoplando as versões tripuladas e não tripuladas de suas naves Dragon – Dragon v1, Dragon v2 ‘Crew Dragon’ e ‘Cargo Dragon’ – com a Estação Espacial Internacional, mas a estação possui portas de acoplamento projetadas especificamente para esse fim. Para as missões de manutenção com o ônibus espacial, o Hubble foi capturado usando o braço robótico canadense da espaçonave e fixado no compartimento. A CrewDragon não tem um braço ou um grande compartimento de carga, e a vice-presidente de operações e integração de clientes da SpaceX, Jessica Jensen, e o administrador associado da agência espacial para a Diretoria de Missões Científicas, Thomas Zurbuchen, enfatizaram repetidamente que, por enquanto, tudo é apenas um estudo. Eles não estão anunciando nada além disso neste momento, mas incluir Isaacman na teleconferência aguçou a imaginação de jornalistas e analistas espaciais.

Cenário proposta pela SpaceX em 2010

A primeira pergunta é se a Crew Dragon poderia ser usada para elevar a órbita do telescópio e prolongar sua vida útil, mas também se analisa se é possível fazer sua manutenção, substituindo o equipamento antigo, como foi feito cinco vezes pelos astronautas da NASA. Na verdade, a SpaceX já havia elaborado em 2010 um estudo de cenários de missão de manutenção do Hubble com a primeira versão de sua nave Dragon, usada para abastecer a estação espacial internacional. Na proposta, a empresa relacionava as capacidades da espaçonave que poderiam ser úteis numa missão de serviço:

Previa-se a adaptação de um manipulador remoto na Dragon para operações de captura
  • Detecção de proximidade para encontro em órbita (com Flash LIDARs)
  • Navegação relativa e absoluta
  • Orientação e controle, incluindo autonomia, estacionamentos, abortos etc.
  • Manobras de precisão nas proximidades de ativos de alto valor
  • Tolerância de duas falhas para perigos
  • A Dragon já executa a maioria das funções exigidas de uma plataforma de manutenção robótica em órbita
  • Taxa de anulação dentro da caixa de captura prescrita
  • Modo de deriva livre
  • Modos de controle autônomo e remoto (controle para missões tripuladas)
  • Capacidade delta-v de ~450 m/s na carga útil máxima
  • Cápsula recuperável – proporciona devolução de instrumentos, ferramentas e manutenção mesmo para missões robóticas
  • Prover eletricidade, dados e serviços térmicos para cargas úteis (robótica,instrumentos, etc)

O custo total de uma missão de manutenção robótica foi avaliado à época em 80 milhões de dólares, incluindo veículo de lançamento, espaçonave Dragon, operações e recuperação, mas não incluindo cargas úteis (manipulador remoto, instrumentos, ferramentas etc), e com capacidade de transportar um módulo de propulsão “re/de-boost” (para manter ou tirar o telescópio de órbita)

Sistema passivo de captura instalado no Hubble

O telescópio foi equipado com uma interface LIDS passiva e um conjunto de retrorrefletores a laser durante a missão STS-125, portanto, tecnicamente, qualquer um dos veículos de tripulação comercial de operadores americanos pode se encontrar com ele, mas ser capaz de realizar uma missão de manutenção extensa é mais complexo. Se algum dos veículos pode suportar atividades extraveiculares essa capacidade já está anunciada para a espaçonave SpaceX. Apenas as Crew e Cargo Dragons tem espaço de carga não pressurizado (o ‘trunk’, ou porta-malas ou tronco) para material de substituição e, sem um manipulador robótico, a instalação seria altamente impraticável.

Após a perda do shuttle Columbia com sua tripulação em fevereiro de 2003, a NASA suspendeu todos os vôos até que a causa do acidente pudesse ser determinada e medidas tomadas para reduzir os riscos de futuros vôos. Em meados de janeiro de 2004, a agência decidiu, com base no risco para a tripulação, não prosseguir com a missão HST SM-4. Esse cancelamento, juntamente com o previsto descarte resultante do telescópio no período de 2007-2008, provocou fortes objeções de cientistas e do público; depois, esta última missão acabou sendo realizada. A agência espacial continuou a investigar outras opções além de uma missão de astronautas para estender a vida científica do Hubble e está estudou o desenvolvimento de uma missão não tripulada que tentaria atender o telescópio roboticamente.

As missões de serviço no Hubble foram:

Servicing Mission 1 (Missão de Manutenção 1, ou SM1): 2 a 13 de dezembro de 1993
A primeira oportunidade de realizar a manutenção planejada no telescópio. Os astronautas instalaram novos instrumentos, incluindo equipamentos ajustados para corrigir a falha no espelho primário.

Servicing Mission 2 (SM2): 11 a 21 de fevereiro de 1997
A instalação de novos instrumentos estendeu a faixa de comprimento de onda do Hubble para o infravermelho próximo para imagens e espectroscopia, permitindo aos cientistas sondar os confins mais distantes do universo. A substituição de componentes da espaçonave com falhas ou degradados aumentou a eficiência e o desempenho.

Servicing Mission 3A (SM3A): 19 a 27 de dezembro de 1999
O que foi originalmente concebido como uma missão de manutenção preventiva tornou-se mais urgente em 13 de novembro de 1999, quando o quarto dos seis giroscópios do telescópio falhou. O Hubble requer pelo menos três de seus giroscópios estabilizadores para conduzir as observações. O telescópio entrou em estado de dormência chamado modo de segurança enquanto o telescópio esperava por reparos. A NASA dividiu a terceira missão em duas partes para trazer o telescópio de volta à operação mais rapidamente.

Servicing Mission 3B (SM3B): 1 a 12 de março de 2002
Durante a SM3B, os astronautas substituíram os painéis solares e instalaram a Advanced Camera for Surveys, que substituiu a Faint Object Camera, o último instrumento original do telescópio.

Servicing Mission 4 (SM4): 11 a 24 de maio de 2009
O telescópio espacial foi grandemente melhorado na Missão de Manutenção 4. A quinta e última manutenção foi feita pelo ônibus espacial Atlantis (STS-125) de 11 a 24 de maio de 2009.

Aposentadoria e descarte do telescópio – e os riscos de mais uma missão de serviço

A agência espacial também planejou tirar o telescópio de órbita por volta de 2013 por meio de uma espaçonave robótica. De acordo com sua declaração de tarefa, o comitê Assessment of Options for Extending the Life of the Hubble Space Telescope (comitê de Avaliação de Opções para Prolongar a Vida do Telescópio Espacial) avaliou o valor científico da operação contínua do telescópio, questões de segurança no uso do ônibus espacial para manutenção com uma tripulação, a viabilidade de manutenção robótica, os impactos das opções de manutenção na capacidade científica do telescópio e as relações risco/benefício entre as opções de manutenção consideradas aceitáveis. Aproximadamente a cada década, a comunidade de pesquisa astronômica dos EUA desenvolve uma estratégia decenal para o campo.

Uma premissa da estratégia desenvolvida em certa época era que a missão HST SM-4 era parte integrante do planejamento das instalações da agência espacial para o futuro do campo e que essa missão de manutenção ocorreria conforme planejado no momento necessário para evitar a desativação do telescópio . As recomendações consultivas da estratégia refletem essa suposição, e o comitê, que não foi solicitado nem constituído para abordar possíveis mudanças nas prioridades para pesquisa astronômica ou instalações de pesquisa, assumiu que a NASA seguiria as recomendações consultivas de pesquisa decenal. Se a agência espacial concluisse que não poderia avançar com partes da estratégia de pesquisa decenal, teria que realizar um exame aprofundado das prioridades para o campo de pesquisa. O comitê não endossou tal reexame. O comitê observou, no entanto, que se um reexame ocorresse, ele deveria ser realizado de maneira muito oportuna e rápida para garantir a operação contínua e a integridade do telescópio.

Uma variedade de riscos e benefícios estão associados à manutenção em órbita do telescópio. Existem riscos para a segurança humana e vários tipos de riscos programáticos, incluindo não atender aos requisitos de custo, não cumprir o cronograma e não atingir os objetivos da missão. Os benefícios da manutenção do HST estão na continuação e aprimoramento das observações feitas pelo telescópio, no aprimoramento da imagem da agência espacial na produção de pesquisa de classe mundial e no valor educacional de inspirar a juventude americana e do mundo na busca das carreiras científicas. A avaliação de uma relação benefício/risco para cada opção alternativa de serviço fornece uma medida de sua eficácia. Idealmente, as relações benefício/risco são quantitativas. No caso da manutenção do telescópio, a agência espacial concluiu uma avaliação quantitativa do risco, no final de 2004, com uma medida quantitativa dos benefícios a serem alcançados. O comitê foi capaz de avaliar o benefício/risco para opções alternativas de manutenção, com base em avaliações qualitativas de risco e consideração qualitativa dos benefícios científicos específicos esperados das opções de manutenção. Comparações de benefício/risco foram feitas para uma missão de manutenção telescópio tripulada e para uma missão robótica.

O risco para a segurança da tripulação foi concluído que o risco de uma missão do ônibus espacial para o HST é essencialmente o mesmo que o risco de uma missão para a ISS. Dada essa descoberta, restava avaliar os riscos de custo, cronograma e missão dos dois tipos de missões de serviço do telescópio espacial, tripuladas e robóticas. A preferência do comitê teria sido confiar na revisão das avaliações de risco atualmente exigidas pelos procedimentos da NASA para avaliação de risco probabilística. Os mesmos riscos se aplicam para uma missão com uma espaçonave Crew Dragon, à exceção da fase de lançamento e reentrada, que são bem diferentes das do shuttle.

Em particular, um estudo representativo de sequência de eventos orientado para o sucesso foi desenvolvido para cada uma das duas opções. Os eventos de missão individuais foram avaliados em alto nível de acordo com a definição de risco do “conjunto de trigêmeos” quanto a

  • ‘o que pode dar errado’?,
  • “qual é a probabilidade?”, e
  • ‘quais são as consequências?’

Geralmente, a primeira pergunta é respondida na forma de um conjunto estruturado de cenários. Os estados finais dos cenários são as consequências; as probabilidades dos cenários individual e coletivamente são avaliadas com base nas evidências de suporte. Devido ao fato de que a agência espacial só recentemente exigiu avaliações de escopo completo, a avaliação de risco de interesse principal está atualmente em processo de desenvolvimento. Além disso, os procedimentos de avaliação de risco para programas e projetos da NASA não exigem avaliações de risco para missões não tripuladas. Como resultado de não ter uma avaliação de risco para as missões de serviço com o ônibus espacial ou robóticas para sua revisão e análise, o comitê realizou sua própria avaliação qualitativa das duas opções com base em briefings, reuniões com a técnicos da agência e pessoal contratado, e referências selecionadas. Uma abordagem qualitativa de cima para baixo foi usada para comparar os riscos. O foco da avaliação ficou nas atividades e eventos em órbita mais relevantes para as operações de manutenção reais que são comuns às opções tripuladas e robóticas. Como esta seção está focada no risco da missão (ou probabilidade de sucesso de uma missão de serviço), não há avaliação de risco durante a reentrada para qualquer opção de missão.

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Autor: homemdoespacobrasil

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