Lançador pesado europeu comercial de sucesso
O Ariane 5 ECA, também denominado Ariane 5 “10 toneladas”, em referência à sua capacidade de cerca de dez toneladas em órbita de transferência geoestacionária. Seu primeiro estágio EPC é movido pelo motor Vulcain 2, que é mais potente que o Vulcain 1, e seu segundo estágio ESC usa o motor criogênico HM-7B, já usado para o terceiro estágio do Ariane 4. Desde o final de 2009, ele é a única versão usada para lançar satélites comerciais. Em 18 de fevereiro de 2020, havia sido disparado 75 vezes e sofreu apenas uma falha, durante o voo V157 (1º tiro) em 11 de dezembro de 2002. O 26 de novembro de 2019 marcou, com o 250º voo de um Ariane, os 40 anos de operação do lançador desde 24 de dezembro de 1979.
A decisão de desenvolver um sucessor para o foguete Ariane 4 foi tomada em janeiro de 1985, quando esta versão ainda não havia voado. O programa foi oficialmente aprovado durante a reunião anual de 1987 dos ministros europeus para assuntos espaciais, que foi realizada em Haia. O novo lançador Ariane 5 foi um dos três componentes do programa espacial tripulado que a agência espacial européia planejava implementar. Os outros dois componentes seriam um mini ônibus espacial de 17 toneladas, o Hermès, e um laboratório espacial, o Columbus. Enquanto o Ariane 4 foi otimizado para colocar satélites em órbita geoestacionária, a arquitetura escolhida para o Ariane 5 visava ser capaz de lançar espaçonaves muito pesadas em órbita baixa: o primeiro estágio e os propulsores seriam dimensionados de forma a colocá-los em sua órbita sem estágios adicionais (o mini-shuttle Hermès, colocado em uma trajetória suborbital, deveria, entretanto, usar sua propulsão para entrar em órbita). O Ariane 5 foi projetado para atingir uma taxa de sucesso de 99% (com dois estágios). A versão de três estágios usada para satélites geoestacionários deveria ter uma taxa de sucesso de 98,5% (por design, a taxa de sucesso do Ariane 4 seria de 90%, mas na verdade chegaria a 97%). Para fazer frente ao crescimento constante da massa dos satélites de telecomunicações, o novo foguete precisava ser capaz de colocar 6,8 toneladas em uma órbita de transferência geoestacionária, 60% a mais que o Ariane 4 versão 44L, com um custo por quilograma reduzido em 44%.
Durante seu projeto detalhado, a massa da nave Hermès aumentou continuamente e chegou a 21 toneladas. Para que o lançador cumprisse seu objetivo, o impulso do motor principal Vulcain pulou de 1.050 a 1.150 kilonewtons e vários componentes do foguete foram reduzidos. Finalmente, em 1992, o desenvolvimento do Hermès, muito caro, foi abandonado. O trabalho sobre o lançador foi, então, adaptado para atividade não-tripulada.
Cerca de 1.100 indústrias participam do projeto. O primeiro voo, que ocorreu em 4 de junho de 1996 foi um fracasso. O foguete teve um início difícil, com duas falhas totais (Voo 517 em 2002) e duas falhas parciais nos primeiros quatorze lançamentos. mas gradualmente chegou ao sucesso do Ariane 4. Em 2009, o Ariane 5 detinha mais de 60% do mercado mundial de lançamentos de satélites comerciais em órbita geoestacionária. Em dezembro de 2016, espera-se que o último lançamento de um Ariane 5 ocorresse em 2023.
Para o Ariane 5 L5114 a ser usado para lançar o telescópio James Webb, a carenagem de carga útil teve seu desenho modificado pela ESA, a Arianespace e a fabricante RUAG nas aberturas para lidar com a preocupação de que um evento de despressurização pudesse danificar o observatório quando a carenagem cair após a decolagem. Os engenheiros estavam preocupados com o ar residual preso nas membranas do protetor solar do satélite, enquanto dobradas, o qual poderia causar uma “condição de excesso de estresse” no momento da separação da carenagem.As equipes europeias desenvolveram um novo sistema para garantir que as aberturas ao redor (as portas de ventilação) da base da carenagem permaneçam totalmente abertas durante o voo do Ariane para o espaço, permitindo que a pressão se iguale antes que a coifa se separe do foguete.
Em um lançamento no início de 2021, os engenheiros testaram a carenagem de carga útil com as novas aberturas que mostrou alguma melhora na vazão da pressão de ar interna.
O foguete também estará equipado com um sistema de localização autônomo recém desenvolvido e testado pelo CNES, a agência espacial francesa, em parceria com a ESA. Assim, dependerá menos dos meios terrestres em termos de telemetria durante os primeiros minutos do lançamento, quando estiver sob as condições gerais de segurança vinculadas ao alcance do lançamento. Eventualmente, o localizador autônomo fará parte de um sistema automático de terminação de vôo, que seria ativado para destruir o foguete se ele saísse do curso e ameaçasse áreas povoadas. O antigo sistema de terminação de vôo do Ariane só pode ser acionado manualmente do solo, onde especialistas rastreiam o curso do foguete usando radares.
Especificações do lançador
O foguete na versão Ariane 5 ECA tem altura de 47 a 52 metros ; um diâmetro principal de 5,40 m ; e cerca de 750 toneladas na decolagem
Propelentes :
Boosters (EAP): 480 toneladas de propelente sólido (composto por
68% de perclorato de amônia (NH 4 ClO 4, oxidante), 18% de alumínio, redutor de reação química,14% de polibutadieno e vários ligantes químicos.), distribuídas entre os dois boosters. Cada EAP consome duas toneladas de propelente por segundo durante aproximadamente dois minutos.
Estágio principal criogênico (EPC): 220 toneladas de propelentes líquidos (hidrogênio e oxigênio). É abastecido pouco antes da decolagem;
Velocidade de separação de carga útil GTO (final): 10 km / s ;
Velocidade máxima na separação do EPS (ESC): 17,3 km / s (ECA).
Estagio superior criogênico (ESC-D)
10,5 toneladas de propelentes líquidos (hidrogênio e oxigênio).
Estágio central (‘core’) EPC
O ” estágio principal criogenico” (étage principal cryogénique, EPC) é composto por dois tanques e o motor Vulcain (Vulcain II para o Ariane 5 evolução ECA). Este estágio é disparado na decolagem e sozinho produz propulsão para o foguete durante a segunda fase de vôo, após a liberação dos estágios boosters. Opera por um total de nove minutos, durante os quais produz um empuxo de 1350 kN para um peso total de 188,3 t.
Com uma altura de 30,525 m e um diâmetro de 5,458 m e uma massa vazio de 12,3 t, que contém 158,5 t de propelentes, distribuído entre hidrogênio líquido (26 t) e. oxigênio líquido (132,5 t). Esses reservatórios têm capacidade de 391 m 3 e 123 m 3, respectivamente. Eles armazenam os propelentes resfriados a −253 ° C e −183 ° C, respectivamente. A espessura do casco de aluminio é da ordem de 4 mm, com proteção térmica em poliuretano expandido com 2 cm de espessura.
Os dois tanques são pressurizados aproximadamente 4 h 30 min antes da decolagem com hélio. Este hélio vem de um tanque COPV próximo ao motor Vulcain. É isolado termicamente por uma manta. Ele contém 145 kg de hélio, pressurizado a 19 bar na decolagem e depois a 17 durante o vôo. Este hélio pressuriza os tanques a 3,5 bar para o oxigênio e 2,15 bar para o hidrogênio. Durante o vôo, o oxigênio é pressurizado a 3,7 e então 3,45 bar. O fluxo médio de hélio no tanque é de cerca de 0,2 kg / s. O hidrogênio líquido é mantido sob pressão pelo gás retornado do circuito do motor então reaquecido e transformado em gás, para ser finalmente reinjetado no tanque de hidrogênio líquido. Em média, isso representa uma taxa de fluxo de 0,4 kg / s. Existe, todo um conjunto de válvulas e válvulas para controlar as diferentes pressões..
A turbobomba de hidrogênio do motor funciona a 33.000 rpm, desenvolvendo uma potência de 15 MW, ou 21.000 hp. A turbobomba de oxigênio gira a 13.000 rpm e desenvolve uma potência de 3,7 MW. O motor Vulcain recebe dessas bombas 200 litros de oxigênio e 600 litros de hidrogênio por segundo.
‘Boosters’ EAP
Cada EAP “étage d’accélération à poudre” ou P230 é composto por três segmentos. O segmento frontal S1 é feito na Itália, enquanto os outros dois, S2 e S3, são fabricados diretamente na Guiana na fábrica da UPG (Usine de Propergol de Guyane). Em seguida, são transportados por rodovia em caminhão reboque de várias eixos), da fábrica até o Edifício de Integração do Propulsor (Bâtiment d’Intégration Propulseurs, BIP).
Os EAPs são compostos por um tubo de metal contendo o propelente sólido, produzido na planta da Guiana REGULUS, e uma tubeira. Os dois EAPs são idênticos, eles circundam o estágio principal criogênico. Cada um desses propulsores mede 31 m de altura e 3 m de diâmetro. Com massa vazia de 38 t, eles carregam 237 t de propelente e produzem 92% do empuxo total do foguete na decolagem (empuxo médio de 5.060 kN e empuxo máximo de 7.080 kN).
São preparados, montados na posição vertical sobre seus suportes (aos quais permanecerão presos durante toda a fase de preparação até a decolagem), e puxados por uma trator (mesa móvel de 180 t). Estas operações de preparação são realizadas pela empresa franco-italiana Europropulsion. O segmento S1, o mais comprido, tem 3,5 m de comprimento e 23,4 t de propelente. O segmento central, S2, tem 10,17 m de comprimento e contém 107,4 t de propelente. O último segmento, S3, tem 11,1 m de comprimento e 106,7 t de propelente. Ele se abre diretamente para a tubeira, por meio do motor MPS.
O casco dos segmentos é feito de aço de 8 mm de espessura, cujo interior é coberto por uma camada térmica à base de borracha. Eles são separados por linhas de isolamento colocadas entre os segmentos. Esses segmentos são carregados com propelente sólido de diferentes maneiras, com uma cavidade em forma de estrela no segmento superior (S1) e uma forma quase cilíndrica nos outros dois segmentos
Caixa de equipamento “Case à Equipements”
O compartimento do equipamento abriga o sistema de controle e orientação. Ele está localizado diretamente acima do EPC no caso de um Ariane 5 Genérico ou na versão A5E / S e, em seguida, envolve o motor Aestus do EPS. No caso de um Ariane 5E / CA, o compartimento do equipamento está localizado acima do ESC. O compartimento abriga todos os controles e comandos de vôo, as ordens de pilotagem sendo dadas pelos computadores de bordo com base nas informações dos centros de orientação. Esses computadores também enviam ao lançador todos os comandos necessários, como ignição dos motores, separação de estágios e liberação de satélites. Todo o equipamento é duplicado, para que em caso de falha de um dos dois sistemas, a missão possa continuar.
A Caixa de Equipamentos mede 5,43 m de diâmetro na base e 5,46 m na parte superior, para permitir a fixação tanto da estrutura SPELTRA (Estrutura de Suporte Externo para Lançamentos Múltiplos) quanto de uma carenagem simples. Sua altura é de 1,56 m, para uma massa de 1.500 kg. A interface com o EPS que desliza para dentro do anel mede no topo 3,97 m de diâmetro. O anel de suporte sobre o qual os instrumentos estão afixados tem 33,4 cm de largura.
O compartimento também abriga o Sistema de Controle de Atitude (propulsão), mais comumente referido por sua sigla SCA -Système [propulsif] de Contrôle d’Attitude -, que inclui dois blocos de tubeiras alimentadas com hidrazina (N 2 H 4). Permitem o controle de rolagem do foguete, durante as fases de propulsão, e o controle da atitude do composito superior, durante a fase de lançamento das cargas úteis. O tempo máximo de operação especificado é da ordem de 6.900 segundos, sendo esse tempo máximo de operação geralmente observado durante as missões de órbita baixa. O SCA também permite contornar as irregularidades do motor Vulcain, ao mesmo tempo que permite posicionar satélites em tres eixos. Incorpora dois tanques esféricos de titânio, cada um contendo 38 litros de hidrazina, pressurizados a 26 bar com nitrogênio. O sistema também inclui dois módulos de três propulsores de empuxo de 460 N (ao nível do mar)
Durante a primeira fase de vôo, o controle de rolagem do foguete é gerenciado pelos dois EAPs, cujos tubeiras basculantes permitem dirigir o foguete em todos os eixos. O foguete não deve girar em demasia porque perderia energia e isso levaria a um movimento indesejado do propelente nos tanques como resultado da força centrífuga. Como os tubos e os sensores que medem a quantidade de propelentes remanescentes são colocados no meio dos tanques, isso poderia fazer com que os motores parassem prematuramente, com a desativação das turbobombas. Este cenário ocorreu no segundo vôo de qualificação do foguete (vôo 502).
Depois de liberados os EAPs, resta apenas o motor Vulcain, não sendo mais possível ajustar o giro do foguete. É quando o SCA tem utilidade, pois com os seus três propulsores controla o eixo de rotação. Esses três motores são apontados um para a direita, um para a esquerda e o último para baixo. Após a falha do vôo 502, foi determinado que o número de propulsores não era suficiente para conter o fenômeno e os projetistas preferiram se precaver reforçando o sistema: A partir de então, o sistema passou a ter seis tanques e dez propulsores.
Estágio superior – ESC
O “estágio criogênico superior” (étage supérieur cryogénique ESC) usa um motor criogênico HM-7B. Ele produz um empuxo de 65 kN por 970 s, para um peso de 15 t (4,5 t vazio) e uma altura de 4,71 m.
Seção de cabeça ou composto superior (composite supérieur)
O composto superior inclui o compartimento do equipamento e, dependendo da carga transportada, um estágio superior com um motor propulsor armazenável (no caso de um Ariane 5 com um estágio superior EPS) ou com propelentes criogênicos (no caso de um Ariane 5 com ESC estágio superior). O composto superior faz a propulsão após a extinção e liberação do estágio EPC. Opera durante a terceira fase do vôo, que dura aproximadamente 25 minutos.
Sistema de suporte e liberação de carga útil
A carga útil consiste nos veículos que devem ser colocados em órbita. Para permitir o lançamento de vários satélites, eles são colocados sob a carenagem em um casulo SPELTRA (Structure Porteuse Externe pour Lancements Multiples – Estrutura de Suporte Externo para Lançamentos Múltiplos) ou um SYLDA (SYstème de Lancement Double Ariane); esses casulos permitem que dois satélites separados sejam colocados em órbita, um após o outro: um deles é posicionado sobre o módulo SPELTRA / SYLDA, o outro dentro dele. O SPELTRA é integrado à coifa de cabeça.
As cargas úteis e o separador são liberados durante a quarta fase do vôo: a fase balística. Dependendo das características da missão, os lançamentos podem ser feitos imediatamente ou várias dezenas de minutos após o início desta fase.
No caso de um lançamento único, o satélite é instalado diretamente sobre o EPS, mas no caso de um lançamento duplo, o satélite inferior é instalado sob o casulo formado pelo SPELTRA ou o SYLDA e o segundo satélite fica instalado sobre a estrutura de suporte. Todas as interfaces de carga útil usam um diâmetro de 2,624 m, tanto no CPS quanto em vários módulos de lançamento. As instalações de satélite podem, portanto, às vezes exigir o uso de adaptadores de carga útil, se eles não puderem usar diretamente este diâmetro para ser instalado na carenagem. Para melhorar a oferta comercial proposta pelo lançador, são desenvolvidos três adaptadores, contendo interfaces com diâmetro entre 93,7 cm et 1,666 m e suportando cargas úteis com uma massa que varia de 2 a 4,5 toneladas. Incluem parafusos de fixação, molas do sistema de separação e um sistema de alimentação de energia para o satélite.
A SYLDA, cuja verdadeira designação é SYLDA 5, é interna à carenagem e não a suporta, ao contrário do SPELTRA. Projetada pelo grupo industrial Daimler-Benz Aerospace, mede 4,903 m de altura e pesa 440 kg. O cone inferior tem 59,2 cm de altura para um diâmetro de base de 5,435 m. É encimado pela estrutura cilíndrica, com diâmetro de 4,561 m por altura de 3,244 m, a qual é encimada por um cone de 1,067 m com diâmetro final de 2,624 m no nível da área de interface com carga útil.
A SPELTRA é uma estrutura cilíndrica em favo-de-mel com uma parte superior cônica (em 6 painéis). Construído em um composto de resina de carbono com 3 cm de espessura, tem de uma a seis portas de acesso e um soquete umbilical para conectar a carga ao mastro de lançamento. Ao contrário da SYLDA, que fica alojada dentro da carenagem, o SPELTRA é colocado entre o compartimento do equipamento e a carenagem, como já acontecia com o SPELTRA do Ariane 4. Portanto, tem um diâmetro externo de 5,435 m, para um diâmetro interno de 5,375 m. A parte inferior é encaixada no compartimento de equipamento, enquanto a parte superior cilíndrica serve como moldura de conexão para a carenagem. A parte troncônica serve como adaptador para as cargas úteis. O SPELTRA existe em duas versões : a curta e a longa. A primeira mede 4,16 m, aos quais se somam os 1,34 m da parte cônica cortada no topo, o que dá uma altura total de 5,50 m, para uma massa de 704 kg. Da mesma forma, a versão grande tem 7 m de altura para uma massa de 820 kg.
Coifa de cabeça (Le Coiffe)
Fabricada na Suíça pela RUAG Space, a carenagem de cabeça é liberada assim que não tem mais utilidade. Este descarte é realizado logo após a separação dos EAPs, a uma altitude de aproximadamente 106 km, após ter permanecido 202,5 s fechada. É uma estrutura com diâmetro externo de 5,425 m para um diâmetro interno útil de 4,57 m. Apresenta-se em dois comprimentos: o “curto”, com 12,728 m de altura para uma massa de 2.027 kg, e o “longo”, com 17 m de altura e massa de 2.900 kg. Está equipada com uma tomada elétrica umbilical para conectar a carga útil ao mastro e uma tomada pneumática ar condicionado do satélite, uma porta de acesso de 60 cm de diâmetro e proteção acústica, composta por um conjunto de tubos plásticos que absorvem vibrações: 1.200 abafadores, instalados em 74 painéis à base de espuma de poliamida cobrem a parede interna com mais de 9,3 m. O ruído presente no interior permanece, porém, em um nível muito alto, atingindo mais de 140 decibéis.
HOMEM DO ESPAÇO 