Reutilização: uma história longa

O ideal de não mais descartar foguetes levou a avanços técnicos com motivadores econômicos

O Starship/SuperHeavy da SpaceX tem 120 metros de comprimento e uma força de empuxo de decolagem de 7.700.000 quilogramas-força, e é concebido como um lançador de dois estágios reutilizáveis

O desejo de acesso de baixo custo ao espaço tem sido o sonho de todas as nações que viajam pelo espaço desde o lançamento do Sputnik em 1957. A empresa aeroespacial comercial de Elon Musk, SpaceX, concluiu com sucesso a viagem do primeiro foguete reciclável de propelente liquido há sete anos. “Esses recordes que Musk está quebrando em termos de tecnologia aeroespacial são muito importantes para a indústria de satélites”, disse Mauricio Segovia, presidente da AXESS, uma empresa global de telecomunicações via satélite para o mercado corporativo. “Até essa conquista, cada pessoa, máquina ou reparo que se queria fazer no espaço, exigia a construção de um novo foguete. O que a SpaceX nos mostrou é que esse investimento substancial não precisa ser tão efêmero. Este marco revolucionará completamente o mercado de satélites.” Com a tecnologia do reparo dos estágios e reaproveitamento de motores é possível reduzir custos em até 30%, segundo algumas análises. A reutilização do Falcon 9 não incluiu apenas a reconstrução dos motores; As duas peças da coifa que têm a função de proteger o satélite durante o voo atmosferico também são reaproveitadas – e o custo aproximado dessas peças é de cerca de 6 milhões de dólares, segundo informações fornecidas pela SpaceX e Musk.

Desde que a SpaceX começou a reutilizar seus foguetes, representantes de todos os principais contratantes começaram a fazer sua própria avaliação da “economia da reutilização”. Por exemplo, a United Launch Alliance, indiscutivelmente a principal concorrente da SpaceX, conduziu sua própria análise, que concluiu que a reutilização só compensa se cada veículo produzido fizer pelo menos dez lançamentos. Além disso, é bastante óbvio que um veículo de lançamento descartável tem maior capacidade de carga, pois não precisa reservar parte do combustível para o pouso. Além disso, um foguete reutilizável requer um casco mais forte, trem de pouso, aletas de ‘grid’ e outros equipamentos que aumentam a massa total, o que, por sua vez, reduz ainda mais a carga útil máxima. Na verdade, a SpaceX já tem hoje seis ‘boosters’ que fizeram pelo menos dez lançamentos, mas Elon Musk também não concordou com essa avaliação.

Embora as nações e as empresas comerciais tenham dado passos evolucionários em direção a reuilização ao longo das décadas, especialmente nos últimos anos, até bem pouco tempo eles ficaram aquém de uma verdadeira mudança de paradigma que reduziria o custo do lançamento de cargas pesadas a um grau revolucionário. Na SpaceX, que planeja voar com seu projeto Starship reutilizável em seu primeiro voo orbital, possivelmente no inicio de 2023 – será o primeiro voo de teste de ponta a ponta do foguete de dois estágios que consiste no lançador Super Heavy e no estágio superior Starship que eventualmente transportaria astronautas e até turistas. Se tudo correr bem, o voo demonstrará o quão diferente este foguete de carga pesada é de todos os anteriores.

Depois de decolar de Boca Chica, Texas, os 33 motores Raptor do Super Heavy impulsionarão a nave não-tripulada em para a altitude orbital que então se separará e descerá com a ajuda de seus motores movidos a metano líquido e oxigênio para o que a empresa vagamente chama de “aterrissagem suave” no Golfo do México. Isso contrastaria com a descrição de Musk de que o Super Heavy retornaria a Boca Chica para ser pego pelos braços da torre de recuperação “Mechazilla” agora em finalização. Uma vez separada do Super Heavy, a Starship continuará em direção à altitude orbital, impulsionada por seis Raptors e, uma vez nessa altitude, desligará seus motores e começará uma descida balistica em direção ao Oceano Pacífico. Isso envolverá uma técnica demonstrada por uma série de voos de protótipo em 2020 e 2021 no Texas, nos quais os Raptors reacenderam para virar a base da nave para o solo (manobra bellyflop). Desta vez, porém, a Starship tentará um pouso suave a noroeste de Kauai, nas ilhas havaianas. A empresa não especificou se os planos exigem um “mergulho” ou pouso em algum tipo de embarcação. Os registros da FAA indicam que a SpaceX pode não recuperar o Starship e o Super Heavy desde o primeiro voo, mas os planos operacionais exigirão mais um novo voo completo.

O foguete e a nave terão 9 metros de diâmetro

Se o lançamento de teste for bem-sucedido, representará um passo fundamental para reduzir o custo de acesso ao espaço a um grau revolucionário. Demonstrar que componentes caros podem ser devolvidos à Terra provavelmente inspirará outras empresas a adotar a reutilização.

A história dos custos astronômicos dos voos espaciais

As missões lunares Apollo da década de 1960 e início dos anos 70 geraram empolgação com as viagens espaciais – mas também confirmaram que o uso de veículos descartáveis não era sustentável. Pouco mais de um ano após o histórico pouso da Apollo 11, o então presidente dos EUA, Richard Nixon, decidiu truncar o plano original de dez pousos lunares, tornando a missão Apollo 17 a última em dezembro de 1972. O programa acabou custando US$ 25,4 bilhões, quase US$ 165 bilhões em dólares de hoje.

Em janeiro de 1972, Nixon instruiu a NASA a construir uma espaçonave reutilizável para transportar pessoas e cargas para a órbita baixa . O projeto do ônibus espacial (space shuttle) tornou-se a arquitetura icônica registrada na história: na ascensão, um orbitador reutilizável receberia propelente de um grande tanque externo descartável, além de impulso adicional de dois boosters de propelete sólido cujas caixas seriam retiradas do mar e reutilizadas.

O Falcon Heavy é uma adaptação do Falcon 9 mediante o agrupamento de três ‘core’ de primeiro estágio

Nos anos seguintes, a NASA procurou reduzir os custos de lançamento, incentivando o setor privado a desenvolver seus próprios foguetes. Embora a agência tivesse contratos com entidades comerciais desde sua criação em 1958, ela tratou essas fontes mais como fornecedores de peças necessárias, mantendo o controle absoluto sobre todos os aspectos de seus programas – um processo que provou ser caro. Assim, em 1983, o então presidente Ronald Reagan assinou a Diretriz de Decisão de Segurança Nacional-94, “Comercialização de Veículos de Lançamento descartáveis”, que iniciou um maior envolvimento comercial no desenvolvimento de lançadores. A agência também estabeleceu o Escritório de Programas Comerciais em setembro de 1984 para encorajar o setor privado a se envolver ainda mais nas atividades espaciais.

1986 – uma tragédia abre o caminho para a comercialização do espaço

A tragédia do ônibus espacial Challenger em 1986 acelerou o impulso para o desenvolvimento comercial de veículos de lançamento descartáveis e encorajou as empresas comerciais a defender um papel mais ativo. E enquanto Reagan proibiu temporariamente cargas comerciais de voar em voos de ônibus espaciais após a perda do Challenger, esse hiato não impediu que empresas privadas desenvolvessem ativamente seus próprios veículos de lançamento descartáveis para os clientes. Na frente reutilizável, a pesquisa recebeu um impulso significativo com a dissolução da União Soviética em 1991 e o consequente fim da Guerra Fria. O motivo: o excesso de dólares do governo ou “dividendo da paz” forneceu uma nova oportunidade para pesquisas de longo prazo. Com o financiamento da NASA, várias empresas aeroespaciais começaram a experimentar diferentes conceitos de veículos de lançamento em apoio ao desejo da entidade de acesso garantido ao espaço, focando especificamente em sistemas de propulsão convencionais que lançariam dois estágios em órbita. Os primeiros participantes foram Boeing, Lockheed Martin e Orbital Sciences Corp, esta última posteriormente comprada pela Northrop Grumman.

Uma pequena vitória para a reutilização parcial veio em 1990 com o primeiro lançamento do foguete Pegasus pela Orbital, no qual um avião Lockheed L-1011 modificado carregou o foguete e a carga a uma altitude de 12 km e os liberou. Embora limitado a cargas úteis de 454 quilos, o projeto foi um passo significativo em direção a uma mudança revolucionária de paradigma na capacidade de lançamento e demonstrou a economia significativa de custos de um veículo multiuso. Um motivador para este trabalho foi que a frota de ônibus espaciais não conseguiu reduzir os custos como esperado. Além disso, cada orbitador exigia mais reformas entre os voos do que o inicialmente esperado.

O F9 pode transportar veículos tripulados como o Crew Dragon

Assim, em uma tentativa de fornecer uma alternativa ao ônibus espacial, a NASA em 1996 concedeu à Lockheed Martin um contrato para desenvolver o X-33, visando um veículo de estágio único para órbita alimentado por um motor aerospike linear, um projeto notável para sua falta de tubeira convencional. Se tudo corresse como planejado, o X-33 evitaria a dispendiosa preparação do veículo de lançamento. Mas depois que o programa experimentou uma longa série de dificuldades técnicas – incluindo aumento de peso e evidências de que o veículo experimentaria instabilidade de voo se algum dia decolasse – a agência cancelou o esforço em 2001 sem nunca pilotar o demonstrador. Os engenheiros conduziram testes de solo com os dois protótipos que a Rocketdyne construiu a partir do design do motor aerospike linear, escolhido por seu impulso específico mais alto em comparação com o motor com tubeiras. Durante o teste de solo de 2001 Stennis Space Center da NASA no Mississippi, um dos motores foi acionado por 30 segundos. Os problemas experimentados pelos desenvolvedores do X-33 sugerem que pelo menos dois estágios de lançamento compreendendo propulsão convencional, como no projeto da Starship, permanecem necessários para um veículo verdadeiramente econômico. A experiência adquirida com esses esforços anteriores estimulou uma participação comercial mais ampla. Após extenso lobby da indústria aeroespacial, em novembro de 2005, a NASA estabeleceu o Commercial Crew and Cargo Program Office, C3PO, com o objetivo de incentivar o crescimento do setor de espaçonaves privadas, que por sua vez estabeleceu o programa Commercial Orbital Transportation Services, COTS. Embora o C3PO gerenciasse o COTS, a própria entidade recuou de sua abordagem prática normal e assumiu o papel de investidora e consultora para fomentar o desenvolvimento de sistemas de transporte espacial comercial.

O X-33 chegou a ser visto como uma esperança nos voos espaciais com naves reutilizaveis nos anos 90

Esta foi uma nova forma de fazer negócios – em suma, um novo paradigma. A novidade foi a agência espacial se tornar parceira da indústria e não sua superintendente — tudo com o objetivo de reduzir os custos de acesso ao espaço, embora o foco ainda não fosse os veículos lançadores espaciais reutilizáveis. O COTS criou um caminho para o programa de Desenvolvimento de Tripulação Comercial para estabelecer serviços de transporte de astronautas para a Estação Espacial Internacional. A concessão de contratos à Boeing e à SpaceX em 2014 para prover esses serviços marcou um marco para restaurar a capacidade dos EUA de enviar à ISS com foguetes fabricados nos Estados Unidos.

Esse foco comercial renovado liberou a NASA para concentrar seus fundos internos em pesquisas para propulsão espacial avançada, como a propulsão elétrica capaz de fornecer impulsos específicos muito altos. O desenvolvimento da própria capacidade de acesso ao espaço foi deixado para os esforços de empresas comerciais. Todos esses esforços de comercialização para reduzir o custo por quilo de alcance do espaço, embora significativos, ainda permaneceram evolutivos. Nenhum deles abordou o “elefante na sala” – a necessidade de um determinado veículo de lançamento voar várias vezes e que essa reutilização se tornasse a norma em todo o setor de lançamentos. A lógica era inescapável: ninguém construiria um avião 747, o encheria de passageiros em Los Angeles, voaria para Nova York e depois o jogaria fora. A única forma de dobrar a curva de custo do acesso ao espaço de forma revolucionária seria através do uso múltiplo de um mesmo foguete.

O Starship tem motores Raptor padrão e adaptados a vacuo

A tecnologia de lançamento e pouso vertical adotada pela SpaceX e pela Blue Origin de Jeff Bezos foi inspirada no desenvolvimento de dois demonstradores de baixa altitude Delta Clipper-Experimental , ou DC-X. A Força Aérea dos EUA forneceu financiamento inicial, mas o programa foi posteriormente transferido para a NASA. A McDonnell-Douglas iniciou a construção do primeiro veículo em 1991 e voou com ele pela primeira vez em White Sands, no Novo México, em 1993. O DC-XA, como foi chamado o segundo veículo, fez o voo final do programa em julho de 1996, quando atingiu uma altitude de 3.140 metros. Embora o programa tenha terminado, sua influência na indústria não.

Os estágios reutilizáveis dos veículos de lançamento são mesmo realmente um benefício?

Musk diz que, embora a reutilização de um Falcon 9 reduza a carga útil máxima em menos de 40%, a reforma e as atualizações do ‘booster’ custam menos de 10% do custo total. Como resultado, após dois lançamentos, o custo total e a capacidade de carga são aproximadamente comparáveis a um lançamento de um foguete descartável. E se forem realizados pelo menos três voos com um ‘booster’, a economia será inegável. O raciocínio é lógico, mas é difícil verificá-lo.

A carenagem de cabeça do Falcon 9 é formada por duas conchas

É preciso entender que uma empresa privada não revela todas as nuances de sua situação financeira. No entanto, há dados para análise. Em primeiro lugar, faz sentido dizer que não há limite óbvio para o número de lançamentos de um ´core’ de primeiro estágio. No momento, o máximo é de mais de 14 vezes e esses estágios ainda não foram desativados. Alguns anos atrás, Musk revelou o custo marginal de lançar um Falcon 9 reutilizável em uma entrevista na Aviation Week. Os custos marginais são os custos associados apenas ao relançamento do foguete após a sua primeira missão já ter sido concluída e paga. Agora, de acordo com Musk, o custo marginal de relançar um Falcon 9 era de apenas cerca de US$ 15 milhões, dos quais, apenas uma parte, US$ 10 milhões, são necessários para construir um novo estágio superior. Os $ 5 milhões restantes incluem o custo de restauração das carenagens, recarga de hélio, propelentes e, de fato, a restauração do foguete. O custo de restauração do primeiro estágio era de apenas US$ 250.000 há dois anos, disse Musk.

Motores

Musk disse que há casos não apenas de reparo, mas também de substituição de um ou dois motores por novos. É óbvio que o preço deve saltar aqui. O mistério de quantas vezes os Merlins precisam ser consertados também está envolto em trevas. Deve-se entender que eles não desenvolvem seus recursos de maneira muito uniforme, pois três dos nove motores do ‘booster’ são religados durante o processo de pouso. É verdade que a SpaceX raramente faz um teste de ignição na plataforma (static fire test) em estágios que já voaram antes – então, aparentemente, consertar e ainda mais substituir motores de vez em quando não afeta muito o custo médio de restauração de um ‘booster’ usado.

Os tanques de propelente ocupam o maior volume da estrutura do primeiro estágio do Falcon 9. A SpaceX é conhecida por realizar raios-X entre os lançamentos para verificar soldas, procurar rachaduras ou outros defeitos. Não há informações exatas sobre a frequência com que são consertados, mas, a julgar pelas palavras de Musk e de quem acompanha tudo o que acontece dentro das empresas SpaceX, isso acontece raramente.

Carenagens de cabeça

Para essas, a história é diferente. Aparentemente, depois de um ano recuperando regularmente as carenagens, a SpaceX está começando a mudar para o retorno seletivo, o que tem intrigado um certo público. O próprio programa de reutilização de conchas de carenagem foi desenvolvido pela empresa ao longo dos anos, graças ao qual elas participam regularmente de várias missões (o atual recorde de voo confirmado para as conchas é de seis usos. No entanto, de acordo com observações para uma das conchas da missão Starlink 4-25, o voo foi o sétimo).

Após o voo, as conchas da carenagem são recuperadas no oceano

Durante todo o tempo, em 123 vezes durante 63 missões, as conchas da carenagem do nariz foram reutilizadas. A empresa relançou pelo menos uma concha em 84% de suas missões não-tripuladas para clientes. A princípio, a SpaceX tentou pegar as conchas com redes usando os barcos Ms. Tree e Ms. Chief, então fez um progresso significativo para tirá-las da água. Quem acompanha as atividades da empresa notou que em julho, após o lançamento da Starlink 4-25, durante a qual, talvez, uma das conchas foi utilizada pela sétima vez, nenhuma tentativa foi feita para devolvê-las, e em outubro 22, após o lançamento em uma missão Starlink 4-36, o barco de apoio Bob retornou a Port Canaveral com um único segmento de carenagem. Foi então que aqueles que consideram isso não lucrativo e começaram a dizer que “a SpaceX também percebeu isso”. Ainda não há uma resposta exata para a questão de por que isso está acontecendo, mas os especialistas sugeriram que a empresa pode ter acumulado conchas de carenagem suficientes entre maio e agosto deste ano, graças ao sucesso de seu programa de retorno, e elas começaram a consumir muito espaço em depósitos. Entre outras coisas, a empresa pode chegar à conclusão de que o tempo de uso de algumas conchas atingiu um nível crítico, o que tornaria inútil a sua recuperação. Ou seja, quando a empresa não deseja as carenagens usadas, pode simplesmente descartá-las.

Há alguns meses, a empresa se dedica ativamente à modernização do sistema de extração das conchas da água, realizando treinamentos e testes regulares com os guindastes de seus barcos. Em geral, a SpaceX definitivamente não se recusa a salvar as conchas da carenagem.

A empresa, líder mundial em lançamentos espaciais comerciais, continua desenvolvendo um programa para reutilizar todas as partes possíveis do veículo lançador, mas alguns analistas continuam negando sua eficácia. Como a SpaceX é pioneira nesse assunto, aguarda-se muitos dados interessantes. Por exemplo, alguns especialistas dizem que dez lançamentos era o ciclo inicial de voos sem remanufatura. Até agora, as revisões dos ‘booster’s do Falcon 9 não foram relatadas, e Musk disse que com elas a vida útil aumenta para mais de cem voos. Um dos procedimentos mais difíceis, talvez, seja a limpeza das unidades de turbobombas de todos os nove Merlins pelo fato de trabalharem com querosene. Mas para os novos motores Raptors que usam metano, esse processo é muito mais simples.

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