Nave espacial Shenzhou

Veículo de transporte de tripulações para a estação orbital chinesa

A nave é uma montagem modular que consiste em um módulo orbital cilindrico, um módulo de reentrada (com a cabine) em forma de cone arredondado e um módulo de serviço cilíndrico equipado com um par de painéis solares.

Para o foguete, uma torre de lançamento de escape está ligada no conjunto, sendo descartada 2 minutos após a decolagem.

A tripulação fica no interior do módulo de reentrada durante as etapas importantes do voo – lançamento e pouso, e de lá a tripulação controla o veículo. O módulo orbital, que também é pressurizado, proporciona espaço suplementar para a tripulação. A nave é lançada pelo foguete Longa Marcha CZ-2F do Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan, normalmente numa órbita de 343 km, inclinada a 42,5 ° do equador.

Desenho chinês com as dimensões da nave

Pode levar até três astronautas em até sete dias em vôo solo. Quando a missão é concluída, os módulos orbital e de serviço são descartados, enquanto o módulo de reentrada faz uma descida controlada, uma lifting reentry (reentrada sustentada) semelhante à da Soyuz russa através da atmosfera e, em seguida, abre seus pára-quedas e retrofoguetes para uma aterrissagem suave – da mesma maneira que a nave russa.

Comparação entre Shenzhou em Soyuz

A Shenzhou tem cerca de 9,45 m de comprimento, 2,5 m de diâmetro no corpo cilindrico do módulo de propulsão, com uma massa de lançamento bruta de 8.130 kg – e uma massa em órbita de 7.800 kg.

Shenzhou 5 com painéis solares extras no módulo orbital
Shenzhou 11 com módulo orbital adaptado para encontro com estação espacial

Seus treze subsistemas são os de estrutura, navegação de orientação e controle (GNC), gerenciamento de dados, telemetria e comunicações, controle térmico, propulsão, energia, carga, controle de ambiente e sistema de suporte de vida, tripulação, instrumentos , aparelhos adicionais, sistemas de resgate de emergência e reentrada /pouso.

A nave estava equipada,  na sua variante inicial , com um total de 52 motores, incluindo quatro principais e 48 de controle, de pequeno impulso (16 no módulo orbital, 8 no módulo de reentrada, e 24 no módulo de serviço). Na variante definitiva, oficialmente a partir da Shenzhou 8, não há motores no módulo orbital.

A Shenzhou de linha de produção é a atual, configurada para abastecer estações espaciais. O módulo orbital, na frente do conjunto, é utilizado para transportar equipamentos essenciais, incluindo o toalete, oferecendo espaço habitável adicional para a tripulação. O módulo tem 2,80 m de comprimento, 2,25 de diâmetro, um volume de 8 metros cúbicos e massa de 1.500 kg. É ligado ao módulo de reentrada através de uma escotilha de 65 centímetros de diâmetro – que é selada durante a subida, nas acoplagens e na reentrada. Uma grande escotilha circular na lateral permite à tripulação entrar na nave antes do lançamento, e também pode ser utilizada para sair durante atividades  extraveiculares.

Espaçonave configurada como transporte entre a Terra e a estação espacial

No início, em voos solo (nas Shenzhou 1 a 5), o módulo orbital foi equipado com sistemas independentes de controle altitude, propulsão, telemetria e comunicação. Nas SZ 1 a 6 foi-lhe instalado um par de painéis solares, menores que os do módulo de propulsão, juntamente com 16 propulsores (em quatro grupos de 4). Este design permitiu ao módulo permanecer em órbita em modo automatizado por mais seis meses depois de ter sido ejetado ao final da missão.

Após a largada do módulo orbital, este servia como plataforma para experimentos científicos ou observação da Terra, com sua carga instalada interna e externamente. A missão Shenzhou 7 em 2008 tinha um módulo orbital especialmente modificado, que funcionava como câmara de compressão, e dois escafandros de atividade extraveicular (EVA) – um de design chinês, o Feitian, e outro, um Orlan, comprado dos russos. A escotilha de ligação ao módulo de reentrada permaneceu selada durante toda a EVA. Este modelo de módulo orbital não tinha capacidade automatizada de vôo e foi simplesmente descartado no final da missão.

A partir da Shenzhou 8 em diante (lançada não-tripulada em voo de teste), a nave foi apresentada na sua configuração de transporte padrão, que possui um sistema de engate tipo APAS (baseado no sistema russo) e um sistema de aproximação e acoplagem óptico e por radar, automatizado, na frente do módulo.

O módulo de reentrada (ou cápsula), de cerca de 3.000 kg, oferece o espaço pressurizado para a tripulação durante a decolagem e reentrada. É o equivalente ao spuskaemi apparat russo. Tem assentos para até três astronautas, painel de instrumentos, controles manuais, um visor de orientação e sistema de comunicações. Seu volume interno de 8 metros cúbicos mostra-se bem mais espaçoso do que a nave russa. Foram instaladas duas janelas laterais de cerca de 20 cm de diâmetro.

Cabine da Shezhou 9 – foto Xinhua

O módulo é equipado com oito grupos de motores (em quatro pares) de 5 newtons de empuxo, incluindo dois propulsores de guinada, dois propulsores de cabragem e quatro propulsores de rolagem para manter o controle durante a reentrada. Durante a fase de descida , o módulo de reentrada primeiro faz uma descida balística através da atmosfera, com seu escudo térmico apontando para a frente.

Taikonautas da Shenzhou 6 – foto Xinhua

O módulo tem o mesmo design aerodinâmico do da Soyuz, com o seu centro de massa deliberadamente deslocado do seu eixo de simetria para conseguir o ângulo de ataque durante a trajetória. Isto permite um pequeno lift (sustentação aerodinâmica) para reduzir a força para 8-9 g numa trajetória balística a 4 a 5 g no voo hipersônico, bem como reduzir significativamente o calor na reentrada. O módulo de reentrada é equipado com diferentes tipos de páraquedas: um drogue (4,25 m² de área), um segundo, piloto (0,7 m²), um estabilizador (24m²), um principal (1.200 metros quadrados) e um reserva (760 m²). Os pára-quedas são desfraldados a partir de 10.000 m de altitude. Há um conjunto de drogue, piloto e estabilizador para o paraquedas principal e outro para o reserva.

O escudo de calor de 280 kg é descartado antes da aterrissagem de modo que os quatro retrofoguetes na parte inferior podem disparar para uma aterrissagem suave, do mesmo modo usado pela Soyuz. Numa situação de emergência, o módulo pode fazer a reentrada usando uma trajetória puramente balística, com forças de 8-9 g. Se necessário, pode pousar na água e flutuar.

O módulo de serviço, ou de propulsão, é maior do que o da Soyuz. É um cilindro de 2,5 metros de diametro (aumentando na saia traseira para 2,8 metros). Ele acomoda os aparelhos de navegação, comunicações, controle de vôo, controle térmico e sistemas de propulsão – bem como baterias, tanques de oxigênio e os tanques de propelente. Tem um par de painéis solares de 17 m de envergadura que pivotam para obter o máximo de energia solar, independentemente da inclinação da nave – e continuando a comparação, os painéis da Soyuz são fixos.

O sistema de propulsão é constituído por quatro motores axiais principais (os motores de manobra orbital) e 24 empuxadores de controle. São quatro os tanques de propelente (de até 230 litros cada, contendo aproximadamente 1.000 kg de N2O4 / MMH). Os quatro motores principais, cada um com empuxo de 2,5 kN, estão localizados na base do módulo . Há oito motores de 150 Newtons para guinada e arfagem, em pares. E oito impulsores (também em quatro pares) de 5 N para ajustes também de guinada e arfagem; finalmente, oito impulsores de 5 N para guinada e rolagem, sempre em 4 pares.

Módulo de pilotagem da Shenzhou, mostrando o suporte do assento do piloto

O módulo tem um peso de aproximadamente 3.500 kg. A variante de transporte está equipada com um sistema de acoplamento no módulo orbital. Derivado dos APAS-89 russos, o sistema tem um anel andrógino de encaixe, balizas de rádio, transponders, antena de comunicação, radar UHF, telêmetro laser , sistema de conexão elétrica/pneumática e sistema de rastreamento de eletroóptico. O diâmetro do túnel de acoplamento é de 0,8 metro.

Para seu lançamento, a Shenzhou usa o foguete Longa Marcha 2F, ou CZ-2F/G, derivado do lançador CZ- 2E de grande sucesso comercial. O CZ-2F incorpora uma série de modificações necessárias para certificá-lo como seguro para voo tripulado. Entre elas, a montagem do sistema de escape de emergência. Essa montagem engloba a torre de de escape, o módulo orbital, o módulo de descida, a parte superior da coifa e nela quatro grades (“grids”) aerodinâmicas desdobráveis. No caso de uma anomalia durante o lançamento, o conjunto pode ser puxado para longe do veículo de lançamento em segundos.

O conjunto de escape (torre, parte superior da coifa e módulos orbital e de reentrada) tem 15,1 m de comprimento e 3,8 m de diâmetro, com uma massa total de 11.260 kg. Também de modo similar à Soyuz, a carenagem, de duas peças, também é equipada com motores-foguete para uma eventual emergência em grande altitude, depois que a torre já tenha sido descartada. A torre de escape tem 8,35 m de comprimento e é equipada com seis motores: quatro principais, de escape, um motor de arfagem e um motor de separação com oito tubeiras. Os quatro motores de escape são montados simetricamente na parte inferior da torre a um ângulo de 30 ° em relação ao eixo do veículo.

Acima deles estão os motores de separação, menores. Os motores de arfagem são montados na parte superior da torre.

O Controle Ambiental e Suporte de Vida (ECLSS) consiste de um regenerador de atmosfera, um suprimento de oxigênio e outros gases, tanques de armazenamento de abastecimento de água e um sistema de processamento e eliminação de resíduos; Um conjunto de aparelhos sanitários, e detectores de fumaça como parte de um sistema de supressão de incêndio. A Shenzhou pode manter um ambiente em seu interior semelhante à da Terra, com atmosfera convencional de nitrogênio e oxigênio. Uma unidade de controle de temperatura por circulação de líquido mantém a temperatura nas cabines entre 17 e 25 ° C. Já a umidade do ar é mantida entre 30 e 70%. O toalete utiliza um sistema de vácuo para recolher resíduos da tripulação. O astronautas usam trajes pressurizados nas atividade intraveiculares – durante o lançamento, acoplagem e desacoplagem, e regresso à Terra. O escafandro, que foi baseado no Sokol russo, protege o usuário em caso de ruptura no casco ou perda de pressão. Nesta configuração, foram realizadas as missões Shenzhou 8 a 11. Estas naves se acoplaram ao veículo-alvo, ou laboratório espacial, Tiangong 1, precursor da primeira estação espacial chinesa, que está sendo montada a partir do lançamento do módulo-base TianHe em 2021. Depois de encerrada a missão da Tiangong 1, foi lançado o Tiangong-2, equipado com sistemas modificados, que permitem inclusive o reabastecimento em órbita por um veiculo cargueiro. Com o Tiangong 2 foi realizada a missão espacial mais longa dos chineses, de 30 dias, a bordo da Shenzhou 11, que também recebeu algumas modificações. A Shenzhou 11 estava equipada com um sistema de retransmissão de dados de feixe largo, e o aumento do escopo e da capacidade do sistema de rádio ajudaram a assegurar uma melhor comunicação entre o controle da missão, em terra, e os astronautas no espaço. Para se acoplar com o Tiangong-2, a espaçonave adotou a tecnologia de sensor de imagem latente, CRDS, que é capaz de fazer medições mesmo em baixa iluminação. Este recurso aumenta a confiabilidade do encontro espacial, garantindo que a nave pode ser acoplada em circunstâncias desfavoráveis. Foi também incluído um sistema de retorno de emergência modificado: Em caso de emergência, a espaçonave podia se desengatar e retornar à Terra, em modo automatico ou manual. Alimentos extras e água potável foram armazenados. O projeto térmico da Shenzhou-11 foi melhorado para reduzir os efeitos de variações de temperatura causados por rotações e mudanças de atitude.     

Shenzhou x Soyuz

Shenzhou (duas versões) e Soyuz comparadas, em visão lateral.

 A comparação entre a Shenzhou e a Soyuz é inevitável, uma vez que a nave chinesa foi abertamente baseada na russa. Não se trata de uma cópia, e sim de uma adaptação da filosofia de design. A seção frontal das duas cápsulas tem pinagens e engates semelhantes, mas a escotilha de embarque da nave chinesa é um pouco maior (70 cm versus 66 cm na Soyuz).  Externamente o casco da cápsula das duas naves é semelhante na planforma – mas a Shenzhou tem um diâmetro maior (2,5 x 2,2 metros ) que a russa. Consequentemente o raio da seção esferica do nariz é maior. A cobertura externa de resina fenólica tem acabamento pintado com primer isolante na Shenzhou. A SZ também tem uma janela lateral, no mesmo lugar onde a Soyuz tem o periscópio VSK-4, mas a nave chinesa nao usa o instrumento similar; trata-se de uma vigia de orientação vertical, apontando para a Terra na hora de reentrar.  A placa de umbilicais é quadrada na Soyuz, e circular na Shenzhou; Ambas as cápsulas tem uma porta removivel para o acesso aos tanques do sistema de controle de atitude de reentrada (RCS) e outra, visível à direita, para acessar os motores em si.  A Shenzhou tem a mesma quantidade de motores para controle na reentrada do que a Soyuz. A nave da China apresenta uma superficie externa contínua, ao contrario da russa, que tem uma camada externa em seções. Em ambas os módulos de reentrada existem dois compartimentos de paraquedas, sendo que em ambas o velame principal fica no compartimento à esquerda da cabeça dos tripulantes.  Note-se que o espaço interno da Shenzhou é bem maior do que na Soyuz, reflexo dos pouco centimetros a mais no diâmetro na base. Os compartimentos de paraquedas dão à forma da parede interna do cockpit em ambas as naves.  Compartimentos de paraquedas são semelhantes em ambas as naves, mas o da Shenzhou é mais largo, justamente pelo fato de que sendo a cápsula maior, era necessario um paraquedas com área também maior (1.200 m2 x 1.000 m2). Em ambas, dois arnesses saem do compartimento e um deles dá a volta no topo, circulando a escotilha e sustentando-se no outro lado.  Os módulos orbitais de ambas as naves são distintos. Na Soyuz, o bitovoy otsek é de forma redonda, composto por dois hemisférios unidos por uma seção cilindrica, refletindo a tecnologia metalúrgica soviética dos anos 60. Já a Shenzhou tem um módulo cilíndrico de 2,5 m de diametro com estrutura reforçada e extremidades cônicas. O modelo chinês tem pontos estruturais desenhados para a fixação de motores no exterior, que dão ao aparelho a capacidade de voo autônomo. Inclusive os primeiros exemplares tinham paineis solares, justamente para suportar estes voos autônomos.  A única peça realmente idêntica é a cápsula, pois a nave da China copiou o desenho externo da russa. O módulo de propulsão da Shenzhou tem formato semelhante ao da Soyuz porque ambas usam paineis solares que uma vez dobrados tem que caber no interior da coifa. Ambas as naves tem uma saia traseira que se liga ao último estágio do foguete. A saia garante espaço entre o casco do módulo e a coifa, ao mesmo tempo em que garante a fixação no foguete. 

Foguete Longa Marcha 2F
Longa Marcha 2F separado em seus componentes principais

O foguete da Shenzhou é o Longa Marcha 2F, desenvolvido a partir do CZ-2E e equipado com sistemas avançados de segurança para torná-lo apto a transportar pessoas; Sua altura total é de 58,34 metros, o diâmetro nos estágios principais sendo de 3.35 m. Os tanques de propelente e os intertanques formam foram a estrutura de suporte de todos os estágios – e são construídos em alumínio de alta resistência, a liga LD10. Os boosters do primeiro estágio tem 2,25 m de diâmetro. Em cima, a espaçonave é protegida pela carenagem, que se separa em duas partes (unidas por 12 parafusos explosivos); Essa carenagem, feita com painéis de favo-de-mel em alumínio, é fixada ao segundo estágio por 8 parafusos explosivos, e é descartada a uma altitude de cerca de 120 km. Este lançador tem um peso médio na decolagem de 479.800 kg, usando dois estágios principais e quatro boosters no primeiro estágio. O CZ-2F também lançou os laboratórios Tiangong 1 e 2, na versão T. O empuxo na decolagem é de aproximadamente 580 toneladas, tornando o CZ-2F um lançador da classe do Saturn I-B dos Estados Unidos.

Longa Marcha 2F – foto Xinhua
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