Starship pode fazer seu segundo voo hoje

Foguete decolará do Texas para teste com queda no Havaí

O segundo teste de voo do sistema Starship/SuperHeavy da SpaceX tem “cinquenta por cento de chance” de ocorrer hoje, 18 de novembro de 2023 às 10:00 de Brasília. Este será o segundo lançamento de um foguete totalmente integrado, daí a designação ‘Integrated Flight Test 2‘ IFT-2: A espaçonave Starship S25 e o foguete Super Heavy Booster B9 formam um veículo com 4.966 t de massa e capacidade de transportar cerca de 150 toneladas para a órbita terrestre. Espera-se que o primeiro estágio se separe ainda na área do Golfo do México e caia na água próximo à costa, enquanto a espaçonave entrará em órbita fracionada. Pouco depois, irá reentrar na atmosfera e cair no Oceano Pacífico perto do Havaí. A previsão da meteorologia mostra temperaturas de 20 graus C, ventos de 10 km por hora, céu limpo a parcialmente nublado e umidade a 90%.

Durante o primeiro lançamento, ocorrido em abril passado, o foguete foi destruído por meio do sistema automático devido à perda de controle do primeiro estágio. As falhas verificadas levaram a várias modificações no foguete e na espaçonave – a principal delas a adoção de um sistema de separação (estagiamento) que inclui a ignição dos motores do Starship simultaneamente à desconexão do primeiro estágio, procedimento tradicional na tecnologia de foguetes chamado ‘separação quente’ (“hot separation” ou “hot staging“). A prática anterior era de eficiência duvidosa – incluía um giro parcial de todo o foguete para que a nave fosse ‘empurrada’ por força centrífuga para longe do SuperHeavy. Também será testado um novo sistema eletrônico de controle de vetor de empuxo (thrust vector control – TVC), para os motores Raptor.

Foguete ‘Booster 9’ na mesa de lançamento

A zona abaixo da mesa de disparo foi reforçada por paínneis de concreto e aço com arrefecimento por pressão de água, para evitar a destruição ocorrida no primeiro lançamento

Perfil de voo

Trilha em solo do voo do foguete desde a decolagem até a queda no Pacífico

Com base na configuração da Starship a SpaceX planeja realizar uma descida passiva que resultará no impacto intacto da nave com a superfície do oceano. O Super Heavy aterrissaria intacto na ‘Área de Ação’ de pouso oceânico. Após a separação do estágio Super Heavy da Starship, o plano de vôo inclui uma ignição de retorno antes de descer para a atmosfera. Após a descida, o Super Heavy realizaria uma ignição de pouso até a superfície do oceano e então impactará a água a aproximadamente 8,5 metros/segundo. Após o término da ignição de pouso, o plano cair verticalmente. Então, em alguns segundos, o Super Heavy tombaria e bateria na água horizontalmente. O pouso causaria extremo estresse aos tanques de oxigênio líquido (LOX) e metano; no entanto, as capacidades estruturais desses tanques permitem que resistam a essas forças.

Se o Super Heavy concluir as fases de descida conforme planejado, a SpaceX espera que ele caia intacto no Golfo do México e afunde. Se a Starship concluir as fases de descida conforme planejado, espera-se que a exploda e se rompa com o impacto na superfície do Oceano Pacífico, onde a maioria dos detritos deve afundar.

Decolagem e separação do primeiro estágio

Fase de voo do segundo estágio atravessando o Atlântico

Trajetória sobre o Oceano Índico e entrando sobre o Pacífico

Áreas nominais de amerrissagem da Starship. A profundidade da água na área de pouso é de aproximadamente 4.570 metros.

Empresa tentará recuperar destroços

Espera-se que o Super Heavy permaneça intacto. Após a ignição do pouso, as válvulas dos tanques abririam, fazendo com que inundassem com água do mar. O Super Heavy afundaria em um ângulo (semelhante a um navio afundando). A água do mar inundaria os tanques através das válvulas de drenagem próximas ao fundo. À medida que os tanques inundam, o veículo fica tomado e afunda. Se num evento fora do nominal, o Super Heavy não afundasse, a SpaceX tentaria naufraga-lo. O principal meio de afundar o veículo é abrir remotamente as aberturas do tanque, permitindo que a água entre e afunde o veículo. Se as aberturas eventuais forem determinadas como fechadas, a SpaceX tentará comandar a abertura, induzindo a inundação. Caso a SpaceX receba confirmação positiva de que as válvulas estão abertas, mas o veículo não está recebendo água, a empresa tentaria orientar o veículo de uma maneira que seria esperada para induzir o afundamento usando uma embarcação para interagir fisicamente com o veículo e fazê-lo rolar em seu longo eixo. Isso pode ser feito com uma embarcação e uma linha de reboque presa à extremidade traseira do veículo ou aletas da grid. Durante um evento fora do nominal em que o Super Heavy não afunde, métodos adicionais para afundamento podem ser considerados, como perfurar a casca externa usando arma de fogo ou uma embarcação de operação remota.

A SpaceX usaria a embarcação para pesquisar o campo de detritos por aproximadamente 24 a 48 horas (usando pesquisa visual durante o dia e radar a bordo à noite), dependendo do resultado da separação. A área de pesquisa inicial seria determinada com base no último ponto de localização de dados conhecido recebido da telemetria no veículo após a aterrissagem. Os dados meteorológicos e das correntes oceânicas seriam usados para caracterizar ainda mais o campo de detritos à medida que a operação é conduzida.

A empresa também tentará localizar o dispositivo de gravação de voo (“caixa preta”), que possui um sistema de rastreamento do sistema de posicionamento global (GPS). Caso o dispositivo de gravação seja localizado, mergulhadores autônomos podem ser mobilizados para facilitar a recuperação do dispositivo.

A área de aterrissagem da Starship é bem longe da costa, onde a densidade de espécies marinhas diminui em comparação com ambientes costeiros e áreas de ressurgência. Devido à área limitada que pode resultar em eventos de sobrepressão da Starship, o curto período de tempo em que eles ocorreriam, as baixas densidades previstas de arraia manta gigante e do tubarão-pontas-brancas oceânicas e a baixa probabilidade de essas espécies estarem dentro do área no momento do evento, as operações de descida e pouso da nave podem afetar, mas provavelmente não afetarão adversamente, essas espécies.

Sequência análises de possíveis impactos de ruído na explosão da Starship

Figura 1: Sequência de eventos analisados para avaliar possíveis impactos de ruído subaquático de uma explosão de Starship

Os itens 1 a 3 na Figura 1 mostram a sequência razoavelmente previsível de eventos que levariam a um evento explosivo quando o veículo impacta a superfície do oceano em velocidade terminal, em para prever o local dentro da estrutura do veículo onde a explosão provavelmente se originará. A conclusão, com base nesses eventos, é que a explosão começará nas proximidades do duto de transferência de combustível e é mais provável que se origine na extremidade traseira do tubo de transferência, conforme ilustrado na Figura 1.

A Figura 2 mostra uma seção transversal interna do veículo Starship imediatamente antes do impacto com o equipamento principal do veículo observado; as alturas da estação são dadas em milímetros em relação à estrutura do veículo full stack, que tem origem na base do ‘booster’ Super Heavy. A localização do combustível líquido residual (metano) é mostrada na região destacada em vermelho. Durante a entrada, o tanque principal de combustível é isolado do duto de transferência de forma que os resíduos de combustível líquido fiquem totalmente contidos no duto de transferência de aproximadamente 13 metros de comprimento que passa pelo tanque de oxigênio líquido (LOX). As localizações de LOX residual são mostradas nas regiões destacadas em azul. Resíduos de LOX existirão no tanque principal LOX, no tanque principal LOX e nas linhas de alimentação do tanque principal LOX. Os resíduos do tanque principal LOX estarão concentrados principalmente no lado do tanque a barlavento devido à força de arrasto experimentada pelo veículo descendo na atmosfera.

*Fig. 2 – Seção transversal interna da Starship*

A localização do combustível líquido residual (metano) é mostrada na região destacada em vermelho. Durante a entrada, o tanque principal de combustível é isolado do duto de transferência de forma que os resíduos de combustível líquido fiquem totalmente contidos no duto de transferência de aproximadamente 13 metros de comprimento que passa pelo tanque de oxigênio líquido (LOX). Resíduos de LOX existirão no tanque principal e nas linhas de alimentação do tanque principal. Os resíduos do tanque estarão concentrados principalmente no lado a barlavento devido à força de arrasto experimentada pelo veículo caindo na atmosfera.

A Figura 3 mostra o estado do veículo imediatamente após o impacto. A carga de LOX que for depositada no lado de barlavento do tanque principal será totalmente dispersa pela força do impacto, enquanto o combustível permanecerá confinado dentro do tubo de transferência. Existem três modos de falha razoavelmente previsíveis para o duto de transferência de combustível, sendo o primeiro denotado pela rachadura central. Dado que a massa do duto é relativamente alta, ele terá mais inércia do que o tanque LOX vazio ao redor. Isso fará com que o duto de transferência se flexione na parte central e exerça tensões na estrutura do tubo para as quais não foi projetado. Isso poderia razoavelmente levar a uma falha do duto de transferência em parte devido a tensões de flexão. Os outros modos de falha razoáveis resultam da propagação de falhas estruturais do tanque principal. No ponto de impacto, espera-se que o tanque principal colapse, resultando em grandes rachaduras que se propagarão pela estrutura de aço na velocidade do som (aproximadamente 5.100 m/s para aço).

Figura 3: Seção transversal interna da nave imediatamente após o impacto. As ondas de choque capazes de quebrar os tanques de propelente viajariam muito mais rápido do que a velocidade do veículo ao atingir a superfície.”

Onde quer que ocorra a falha do tubo de transferência, o combustível será liberado e subsequentemente se misturará com a nuvem de LOX agora dispersa por todo o tanque. Espera-se que esta mistura líquida de LOX/metano detone imediatamente. Ao contrário dos gases que devem passar da deflagração para a detonação uma vez inflamados, a mistura líquida se comportará como um alto explosivo, de modo que qualquer fonte de ignição, faísca, chama, metal quente e choque levará o fluido a detonar em microssegundos como um alto explosivo com toda e qualquer detonação de propelente misto naquele momento. Como o veículo estará em posição horizontal no momento do impacto, cada centro explosivo potencial está à mesma distância da superfície da água.

A Figura 4 mostra os potenciais centros explosivos considerados: a superfície da água nesta figura seria paralela à parte inferior da figura. As conclusões da empresa afirmam que “o centro de explosão na interface entre os tanques de combustível e oxidante ocorreria acima de qualquer cratera formada em um material de superfície de impacto no qual o veículo pudesse penetrar.”

*Figura 4: Seção transversal interna da Starship mostrando os locais mais prováveis de uma explosão causada por impacto*

A Figura 5 mostra uma divisão quadro a quadro da Starship durante a explosão do SN10: como essa explosão aconteceu no solo, alguns minutos após o impacto, a SpaceX conseguiu focar câmeras de vídeo de alta velocidade na extremidade traseira do veículo. Na linha superior de imagens, um volume igual de gás pode ser visto saindo das aberturas em todos os lados do veículo, indicando uma fonte explosiva próxima ao centro. Na imagem central inferior, há um claro sinal de explosão dentro do veículo quando o tanque começa a rasgar permitindo a passagem da primeira luz. Finalmente, a imagem inferior direita mostra os efeitos da explosão novamente sendo vistos em ambos os lados do veículo. Após a imagem inferior direita, a estrutura do veículo falha totalmente e a imagem satura. A SpaceX determinou que é razoavelmente previsível que o centro explosivo esteja no duto de transferência e que a explosão ocorra imediatamente após o impacto no oceano.

*Figura 5: Revisão de vídeo quadro a quadro da explosão do SN10 mostrando evidências de um centro explosivo interno*

Sistema de Lançamento

O veículo de lançamento Starship/Super Heavy da SpaceX tem aproximadamente 119 metros de altura por nove metros de diâmetro e é composto por dois estágios: O Super Heavy é o primeiro estágio (ou ‘booster’) e a Starship (a espaçonave) é o segundo. O Super Heavy vai cair na Terra logo após o lançamento (decolagem). A Starship é um veículo de reentrada, projetado para retornar da órbita ou do espaço para a Terra. As operações do Super Heavy são suborbitais e não são consideradas pela FAA como um veículo de reentrada porque não completaram uma órbita ao redor da Terra. Esses pousos do primeiro estágio são considerados parte do lançamento. Espera-se que o Super Heavy esteja equipado com 33 motores standard Raptor, enquanto a Starship terá seis deles – três standard e três de vácuo. O Raptor é alimentado por oxigênio (LOX) e metano (LCH4) líquidos. Espera-se que o Super Heavy contenha até 3.700 toneladas métricas de propelente e o Starship, até 1.500 toneladas.

A espaçonave tem 50 metros de comprimento, 9 metros de diâmetro e 1.100 toneladas de massa

Super Heavy

Os motores do ‘booster’ serão desligados a uma altitude de aproximadamente 64 quilômetros e o estágio se separará da Starship. Após a separação, o Super Heavy fará uma ignição de retorno (boostback) antes de descer para a atmosfera. Após a descida, será feita uma ignição até aproximadamente a superfície do oceano e, em seguida, impacto na água a 8,5 metros/segundo no local de pouso do Golfo do México, cerca de 31 quilômetros da costa do Texas.

O foguete tem 119 metros de comprimento e 9 metros de diâmetro básico

Qualquer queda fora do local de pouso não será considerada nominal. Espera-se que o Super Heavy impacte a água verticalmente e intacto e, segundos depois, o foguete tombará horizontalmente. Após a ignição de pouso, as válvulas dos tanques abrirão, fazendo com que inundem com água do mar. À medida que os tanques inundam, o foguete cheio de água afundará em ângulo (semelhante a uma barco afundando) no oceano. Se, em um evento fora do nominal, o Super Heavy não afundar, a SpaceX tentará afundá-lo. Para fazer isso, abririam-se remotamente as aberturas do tanque, permitindo que a água entre e afunde o veículo.

Se as aberturas do tanque estiverem fechadas, a SpaceX tentará comandar a abertura das válvulas, induzindo a inundação. Se receber uma confirmação positiva de que as válvulas estão abertas, mas o veículo não está fazendo água, a SpaceX tentará fisicamente, usando uma embarcação e um cabo de reboque, rolar o veículo em seu longo eixo para induzir o naufrágio. Métodos adicionais podem ser considerados, como perfurar a carcaça do veículo usando armas de fogo ou embarcação de operação remota. No entanto, um cenário em que o Super Heavy não afunde é altamente improvável.

Quanto a potencias efeitos sônicos, as amerrissagens gerariam um ou mais estrondos sônicos. A sobrepressão prevista de um boom sônico gerado por um pouso do Super Heavy no Golfo do México é de até 15 psf na superfície do oceano.

‘Eventos explosivos’ da queda da Starship

Após a separação do Super Heavy, os motores da espaçonave darão ignição abaixo da velocidade orbital. Espera-se que a nave amerrisse no Oceano Pacífico Norte, e o impacto resultará em um evento explosivo. Após o corte do motor de subida, o Starship liberaria o propelente residual do tanque principal durante a fase de costeamento no espaço a 120 quilômetros ou acima do nível do solo. Após esta fase, a Starship começaria sua descida passiva. Alguns traços residuais de LOX (aproximadamente 10 toneladas) e LCH4 (quatro toneladas) permaneceriam. Esta é a quantidade mínima que pode permanecer após a ventilação para servir como lastro, a fim de manter a trajetória com sucesso até o local de pouso. As 14 toneladas restantes de propelente representam aproximadamente 1,1 por cento dos níveis totais de enchimento dos tanques principais da Starship. A Starship impactaria o Oceano Pacífico horizontalmente, intacta e em velocidade terminal.

O impacto dispersaria os propelentes remanescentes e levaria à falha estrutural do veículo; esta falha estrutural levaria imediatamente à falha do duto de transferência de combustível, o que permitiria que o LOX e o LCH4 restantes se misturassem. A mistura no duto de transferência irá inflamar, resultando em um evento explosivo. Espera-se que os detritos de impacto sejam contidos a aproximadamente um quilômetro do ponto de pouso.

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