HANBIT

Foguete sul-coreano comercial leve de resposta rápida; HANBIT-TLV e HANBIT-Nano

A INNOSPACE, uma startup espacial sul-coreana construtora pequenos veículos lançadores, assinou um acordo com o Departamento Brasileiro de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA) para lançar o SISNAV, projeto de sistema de navegação inercial brasileiro no primeiro teste de seu foguete no Centro Espacial de Alcântara no Maranhão. O lançamento do foguete de teste HANBIT-TLV deveria ser feito no fim deste ano a partir do Centro Espacial de Alcântara, no nordeste do Brasil.

A empresa sul-coreana está atualmente desenvolvendo o HANBIT, um pequeno lançador movido por motor-foguete híbrido; o primeiro voo de teste do HANBIT-TLV está programado para o quarto trimestre de 2022 no Centro de Lançamento de Alcântara. Será o primeiro voo de teste suborbital para validar o motor de primeiro estágio do HANBIT-Nano, projetado como um pequeno lançador de satélites de dois estágios capaz de transportar uma carga útil de 50kg. O HANBIT-TLV levará a bordo a carga útil SISNAV, um sistema de navegação inercial que está sendo desenvolvido pelo DCTA e outras instituições. Eles verificarão se o sistema funciona adequadamente em ambientes específicos como vibração, choques e altas temperaturas que ocorrem no trajeto desde a decolagem e durante o voo transatmosférico.

Com este acordo, a INNOSPACE espera verificar a capacidade de desempenho do foguete e obter reconhecimento no setor aeroespacial, lançando a carga útil já no voo de teste. O HANBIT-TLV é um foguete híbrido de estágio único de empuxo de 15.200 kgf com comprimento de 16,3 m, diâmetro de um metro e massa de 9.200 kg. A tecnologia de foguete híbrido (HRE, Hybrid Rocket Engine), desenvolvida de forma independente, é caracterizada por combinar os pontos fortes de motores de propelentes líquidos e sólidos. É uma tecnologia que combina as vantagens de uma estrutura simples e empuxo controlável usando combustível sólido e oxidante líquido, e é avaliado como de curto período de produção, boas condições de segurança e alta economia.

Já o HANBIT-nano tem, no projeto, um primeiro estágio com comprimento de 11,5 m e diâmetro de 1 metro ; é equipado com um motor de empuxo de 150kN, tempo de queima de 150 segundos e impulso específico de 292 segundos. O segundo estágio tem comprimento de 4,8 metros , diâmetro igual ao do primeiro e um motor com empuxo máximo de 30kN com tempo de queima de 130 segundos e impulso específico de 325 segundos.
O foguete tem carga útil máxima de 50kg, com tamanho limitado a um comprimento de 80 centímetros e diâmetro de 60 cm.

A aposta dos coreanos na tecnologia híbrida

A Innospace escolheu um combustível sólido que classifica como “eficaz” misturando cera de parafina pura e LDPE (polietileno de baixa densidade). Os combustíveis misturados parafina-LDPE podem ter muitas vantagens em comparação com os combustíveis típicos à base de parafina metalizada. O fato de que tanto a cera de parafina (alcano) quanto o LDPE (alceno) são séries de materiais homólogos, misturados o combustível pode ser considerado como um material uniforme e, portanto, o assentamento do material adicionado durante o processo de fabricação, ocorrência de instabilidade de combustão e de sensibilidade à pressão da câmara provocada pelo material metálico adicionado pode ser evitado. Além disso, os combustíveis misturados parafina-LDPE podem melhorar a resistência mecânica e a combustão eficiência dos combustíveis de parafina pura, uma vez que a solidez do combustível misturado é maior do que a própria parafina. Propelentes de parafina-LDPE com dois tipos de proporção de mistura foram fabricados e investigações foram realizadas para analisar a aplicabilidade do par parafina-LDPE para motores híbridos de foguete. A taxa de regressão, a velocidade característica e os dados do espectro de pressão da câmara da mistura de combustíveis parafínicos compostos foram estudados em comparação com combustível parafínico puro, combustível high-density polyethylene, ou polietileno de alta densidade (HDPE) puro, combustível low density polyethylene, polietileno de baixa densidade (LDPE) puro e HTPB (polibutadieno terminado em hidroxila, hydroxyl–terminated polybutadiene) puro.

A tecnologia de propulsão de foguetes híbridos tem sido exaustivamente testada durante as últimas oito décadas ; no entanto, suas desvantagens impediram seu desenvolvimento completo por muito tempo. Nos últimos anos, um interesse renovado por esta tecnologia foi desencadeado por dois fatores principais: os avanços na melhoria do desempenho, e uma maior preocupação com questões ambientais e de segurança. Apesar da enorme quantidade de investigações realizadas nas últimas décadas, os esforços de melhoria da tecnologia híbrida ainda enfrentam uma série de problemas como instabilidades de combustão e baixos valores de taxa de regressão.

Flutuações de aceleração em sistemas de propulsão híbridos geralmente não são catastróficas, mas podem impedir o uso de hh:E em missões tripuladas ou em missões envolvendo carga útil pesada, que podem ser danificadas pelo estresse mecânico gerado pelo funcionamento do motor. A principal desvantagem do HRE são os baixos valores da taxa de regressão, ou seja, a baixa taxa de consumo do combustível sólido, devido à estrutura do jato de saída da tubeira do HRE. Ou seja, a separação física entre o combustível sólido e o oxidante gasoso/líquido que flui sobre sua superfície resulta em uma chama de difusão na camada limite, em vez de uma chama pré-misturada como é típica nois motores sólidos puros.

Envelope motor da caixa de propelente sólido do HANBIT, que recebe o oxigênio líquido vindo da turbobomba que suga o fluido para dentro da caixa

O processo de combustão é sustentado pela pirólise da massa de combustível e feedback de calor, devido à convecção e radiação, da chama para a superfície do combustível. Uma camada limite reativa bloqueada é estabelecida na superfície do grão-propelente. As chamas de difusão são governadas pela dinâmica dos fluidos (escala de tempo de mistura) em vez da cinética química, resultando assim em taxas de regressão mais baixas.

O sistema de lançamento inclui uma plataforma modular Coalesced Launch System montada sobre o pavimento, com estruturas de apoio e estabilização pivotantes e uma mesa de lançamento com defletor de chamas. O foguete é acoplado à lança instaladora, recebe o anel adaptador na baia de motores, que faz a interface com a mesa de lançamento; então a lança é erguida na posição vertical e posiciona o foguete na mesa. No lançamento, o adaptador fica preso à mesa e libera o foguete.

Além disso, a menor eficiência de combustão alcançada ao usar combustíveis à base de parafina resulta em menor desempenho do motor em termos de empuxo e impulso específico. Como consequência da estrutura de chama do HRE, os fenômenos físicos interdependentes envolvidos nesse tipo de propulsão são extremamente complexos. O fluxo na câmara de combustão é turbulento, multifásico, multiespécie e reage quimicamente com fluxo de calor convectivo e condutivo acoplado, fluxo de calor radiativo devido ao fluxo bifásico, troca térmica devido a reações químicas e efeito de bloqueio da camada limite para alimentar a pirólise de massa. Devido a essa complexidade, muitas tecnologias para aumentar a taxa de regressão são ainda experimentais. Várias tentativas foram feitas nas últimas décadas para aumentar a taxa de regressão de combustível usando uma abordagem física (ou seja, combustíveis à base de parafina, fluxos em turbilhão, grãos de combustível multi-porta), e mais recentemente, ou uma abordagem química (ou seja, uso de aditivos de alta energia, como nanometais e hidretos metálicos).

Brasil e Coréia juntos em empreitada espacial comercial: locador e locatário

“Este acordo é significativo porque a INNOSPACE e a DCTA estão comprometidas com o desenvolvimento técnico e operacional mútuo e a parceria contínua. Esperamos que a INNOSPACE entre no mercado de serviços de lançamento de pequenos satélites com o primeiro teste de lançamento bem-sucedido do HANBIT-TLV no quarto trimestre no Brasil”, disse Soo Jong Kim, CEO da empresa.

Fundada em 2017, a INNOSPACE levantou 25 bilhões de won (US$ 19,8 milhões) em uma rodada de financiamento de série B em julho do ano passado de investidores-chave, incluindo as Company K, Kolon Investment, Intervest, Future Play, Schmidt, SV Investment, L&S Venture Capital e Tony Investment. A Kolon Glotech juntou-se ao financiamento como investidor estratégico. Em 2020 foi criada a subsidiária INNOSPACE do Brasil, com sede em São josé dos Campos, para dar suporte às futuras operações em território brasileiro e fazer parcerias nas áreas aeroespacial e de defesa com empresas e instituições brasileiras. A empresa tem acordos para lançamento tanto a partir do Brasil quanto de solo norueguês, na base espacial de Andoya.

Sequência de decolagem e inserção orbital com um HANBIT

A Innospace

A Innospace, startup coreana, foi estabelecida em setembro de 2017 e vem desenvolvendo tecnologias de foguetes híbridos pela primeira vez na Coréia. Kim Soo-jong, CEO da Innospace, disse: “Usar uma bomba elétrica incementará as vantagens dos foguetes híbridos, como estrutura simplificada e baixo custo de fabricação.” “Nossa bomba é compacta e pode ser operada com eficiência. Concluímos o registro da patente e estamos em processo de solicitação no exterior.” O CEO Kim Soo-jong está determinado a ser um caso de sucesso no campo aeroespacial. Ele diz: “O campo de foguetes coreanos é muito deficiente. Há também uma proposta de investimento do exterior, mas quero mostrar aos meus juniores o caso de ‘comercialização bem-sucedida com um foguete na Coréia’ como uma segunda melhor solução.” A empresa levantou US$ 27,76 milhões por meio de três rodadas de financiamento: US$ 1,2 milhão em uma rodada inicial encerrada em outubro de 2019, US$ 6,6 milhões na Série A em janeiro de 2021 e US$ 19,7 milhões na Série B em julho de 2021. Os principais investidores incluem a empresa de capital de risco da Coréia do Sul, Kolon Investment, a Company K Partners, a Intervest e o fabricante de materiais automotivos Kolon Glotech. Além isso, a Innospace assinou um memorando de entendimento com o norueguês Andøya Space em janeiro para lançar seus foguetes em órbitas polares.

Outros foguetes, como o Electron da RocketLab e o Astra Rocket da Astra Space, usam turbobombas elétricas funcionando a bateria, mas seus motores são totalmente movidos a propelentes líquidos (LOX e querosene).

A Innospace também possui tecnologia para fabricar combustível sólido diretamente na fábrica. Está equipada com uma instalação de 50 litros que pode produzir combustível em escalas de 50 kg, bem como uma planta de produção e processamento de 1.200 litros que pode fabricar combustível para o motor de 15 toneladas. A empresa possui a receita de composição para combinações de combustíveis sólidos, mas não registrou uma patente. Isso porque quando uma patente é registrada, há um alto risco de vazamento de tecnologia para o exterior. Em vez disso, mantém sua autoridade independente por meio de um sistema de custódia (armazenamento) de tecnologia. O local de teste de combustão em Geumsan, província de Chungcheong do Sul, pode ensaiar motores de até 20 toneladas de empuxo. Depois de concluir os testes de empuxo usando motores em bancada de 1-3 toneladas e 5 toneladas, os testes dos motores de 15 toneladas começaram em abril, com patrociono de empresas de defesa coreanas como Hanwha e LIG Nex1.

Locais de lançamento da empresa sul-coreana

Motores de propelente híbrido e turbomaquinaria elétrica

Os motores-foguete híbridos da INNOSPACE prevêem fabricação mais rápida e acesso ao espaço a baixo custo têm “um design estável, não tóxico e não explosivo” que usa propelentes à base de oxigênio líquido e parafina e seu sistema patenteado de alimentação por turbobombas elétricas. Um motor-foguete de propelente híbrido combina as vantagens dos motores puramente líquidos e dos de propelentes sólidos: O motor líquido tem performances melhores e permitem acelerar e desacelerar o ciclo do motor, bem como desliga-lo a qualquer momento do voo; o motor sólido tem empuxo robusto e de grande potência em tempos relativamente curtos, sendo regulável de forma simples e pré-programado (é a forma e disposição do combustivel alojado no foguete que determina a curva de empuxo do motor) mas uma vez aceso não pode ser desligado a não ser por autodestruição; já no motor líquido a turbobomba regula com precisão a entrada dos propelentes nas camaras de combustão e assim permite um controle variável em toda o processo de queima até que se esgotem os fluidos – ou até que se desliguem as bombas.
O motor híbrido combina as duas filosofias, aliando a simplicidade da parte sólida e o desempenho do modo líquido, permitindo que seja regulado e mesmo desligado em qualquer momento.

Compressor da bomba elétrica de oxigênio líquido desenvolvida pela empresa sul-coreana

Já o uso de turbomaquinaria elétrica é utilizado por outras empresas que trabalham com foguetes de pequeno porte, como a Astra americana e a Rockelab neozelandesa-americana. Ao contrário das máquinas tradicionais que usam propelente sangrado do circuito de alimentação para girar o eixo da bomba, por vezes equipados com um pre-queimador ou um gerador de gás em sua forma mais simples, o design puramente elétrico oferece simplicidade de construção e ciclo de funcionamento, ainda que limitado a potências menores. A INNOSPACE desenhou sua bomba elétrica de oxigênio líquido usando impressão 3D para o compressor centrífugo e sua caixa.

Técnicos da INNOSPACE trabalham em um envelope motor de propelente sólido

Coréia abriga ‘startups’ espaciais

A Coréia tem uma lista crescente de startups de foguetes espaciais e satélites no setor privado. A NARA Space Technology, uma startup dedicada a pequenos satélites, disse que levantou 10 bilhões de won em uma rodada de financiamento de série A. A empresa está programada para lançar seu primeiro satélite num foguete Falcon 9 da SpaceX no próximo ano. Outro desenvolvedor de foguetes, Perigee Aerospace, levantou um total de 20 bilhões de won no ano passado. O governo coreano tem também sua prória agência espacial que gerencia grandes foguetes como o Naro, que deriva de tecnologia russa e usa know-how sul-coreano.