Espaçonave tripulada para vôos lunares e interplanetários
Espaçonave Orion
A nova espaçonave da NASA para missões tripuladas ao espaço profundo dará início à próxima era da exploração espacial. a Orion é composto por três elementos principais e subsistemas de suporte. Os principais elementos são 1) o módulo da tripulação, onde os astronautas vivem e trabalham; 2) o módulo de serviço, que produz eletricidade, propulsão e suprimentos críticos; e 3) o sistema de aborto de lançamento, que pode colocar a espaçonave e a tripulação em segurança no caso de uma emergência durante o lançamento ou subida para a órbita.
A espaçonave, construída pela empreiteira Lockheed Martin para a NASA, foi projetada especificamente para transportar astronautas em missões de exploração do espaço profundo mais longe do que nunca e requer uma série de recursos para manter a espaçonave e sua tripulação seguras. Em missões no espaço profundo, tanto a distância quanto a duração ditam as capacidades e tecnologias avançadas necessárias. segundo a NASA, “nenhuma outra espaçonave tem a tecnologia para suportar os extremos do espaço profundo, como suporte avançado ao meio ambiente e à vida, navegação, comunicações, proteção contra radiação e o maior escudo térmico do mundo para proteger os astronautas e trazê-los para casa.”
Reutilização das espaçonaves
Em ocasiões anteriores, a NASA havia planejado reutilizar todos os equipamentos aviônicos do módulo da tripulação Crew Module na espaçonave da Artemis I para a Artemis II. Antes de 2019, as missões eram chamadas Exploration Mission-1 e Exploration Mission-2 e eram as únicas totalmente incluídas na linha de base como parte da capacidade operacional inicial da divisão Exploration Systems Development (ESD). Por muito tempo, foram previstos até três anos ou mais entre as missões agora denominadas Artemis I e Artemis II; no entanto, uma revisão significativa no manifesto do ESD em 2018 permitiu que as missões fossem mais próximas. A mudança também colocou a Artemis I no caminho crítico para Artemis II, e o Programa Orion avançou na aquisição de um segundo conjunto de aviônicos do módulo de tripulação no final de 2018, para que a montagem da espaçonave Artemis II não fosse significativamente prejudicada pela Artemis I.
O conjunto completo de aviônicos é dividido conceitualmente em grupos “core” e “non-core”; A Orion decidiu primeiro avançar na aquisição dos principais aviônicos, e esses computadores e dispositivos estão no Kennedy Space Center, prontos para instalação no Módulo de Tripulação. “A decisão foi tomada para acelerar o conjunto principal que seria construído para Artemis III, de modo que o conjunto principal foi construído mais cedo e será instalado no Artemis II”, disse um representante da NASA. Enquanto isso, o prazo projetado para o Artemis I continuou a passar de 2020 para o início e depois fins de 2022, e a aquisição dos aviônicos não essenciais também foi iniciada. No início de 2021, a NASA ainda estava negociando opções entre reutilizar os aviônicos não essenciais da Artemis I ou um novo conjunto; no entanto, a agência decidiu esperar os aviônicos “não-core” usados na espaçonave da Artemis I.
“Ainda temos um conjunto de aviônicos não essenciais – basicamente antenas, receptores, unidades de medição inercial – que ainda serão reutilizados do Artemis I”, anunciou a NASA. “Agora dependemos de Artemis I.” “… [entre], cronograma, financiamento, risco técnico, temo certeza de que todo esse risco foi [considerado]”. A decisão de usar os aviônicos não essenciais que voarão na Artemis I como parte da configuração de voo da Artemis II significa que a conclusão da missão Artemis I continua sendo uma etapa indissociável para a Artemis II.
O plano atual é não reutilizar as naves Orions das Artemis I e II, exceto o equipamento interno, aviônicos, etc. O vaso de pressão e os sistemas externos não serão reutilizados. As melhorias significativas feitas no vaso de pressão e outras estruturas e sistemas para reduzir o peso graças às lições aprendidas durante a montagem e construção dos dois primeiros Orions foram a raiz da decisão. A nave Orion para a Artemis III está muito mais atrasada no cronograma de construção do que a Orion da Artemis II. No final de fevereiro, a espaçonave para a Artemis III era ainda mais ou menos um vaso de pressão vazio com alguns chicotes de fiação instalados, enquanto a Orion da Artemis II tinha a maioria dos subsistemas externos instalados e alguns deles já foram testados.
O plano atual é construir uma nova Orion para as Artemis III, IV e V, com a Orion da Artemis III sendo mais ou menos totalmente reutilizada para a Artemis VI, a Orion da Artemis IV será reutilizada para Artemis VII e a nave da Artemis V será reutilizada para a Artemis VIII. Pode haver outras reutilizações depois disso, com base em avaliações de como estiverem suas condições após de voar duas vezes, mas isso ainda está cerca de dez anos no futuro.
Elementos
Módulo de Tripulação
O módulo da tripulação é a parte pressurizada da espaçonave a Orion, às vezes chamada de cápsula, onde os membros da tripulação em futuras missões viverão e trabalharão em sua jornada para a Lua e de volta à Terra; é a única porção da Orion que retorna à Terra no final da missão. Embora a Artemis I seja uma missão não tripulada, o módulo da tripulação pode acomodar quatro membros da tripulação em missões futuras por até 21 dias sem acoplar com outra espaçonave, e oferecerá um habitat seguro por meio de lançamento, operações em órbita, pouso e recuperação. Ilustração mostrando os principais componentes da espaçonave a Orion.
Vaso de Pressão
A estrutura subjacente do módulo da tripulação é chamada de vaso de pressão. O vaso de pressão consiste em sete grandes peças de liga de alumínio que são unidas por meio de soldagem por fricção e agitação para produzir uma cápsula hermética forte, porém leve. As sete principais peças estruturais incluem o barril, o túnel, as anteparas dianteiras e traseiras e três painéis de cone. Os projetos originais da Orion exigiam 33 soldas para criar o vaso de pressão. Os engenheiros refinaram o projeto para reduzir o número de soldas para sete na Artemis I, economizando 350 kg de massa na espaçonave.
Soldas do Túnel Frontal do Vaso de Pressão
Sete peças de liga de alumínio que foram soldadas para criar o vaso de pressão da Orion. Cobrindo esse vaso de pressão, nas laterais do cone do módulo da tripulação, está o backshell, composto por 1.300 telhas do sistema de proteção térmica. Essas telhas são feitas de um material de fibra de sílica semelhante às telhas usadas por mais de trinta anos no ônibus espacial e incorporam um revestimento mais forte chamado “isolamento fibroso uni-peça endurecido”, ou revestimento TUFI, que foi usado no final do programa do shuttle. As telhas protegem a espaçonave de detritos micrometeoróides no espaço, bem como as variações extremas de temperatura de -184° C do espaço para o calor de 2.760 graus C ao entrar na atmosfera terrestre em velocidades de retorno lunar.
Embora a liga de alumínio 2195 de alta resistência seja uma excelente escolha para estruturas compostas de placas que não excedam 57 mm de espessura, ela não foi recomendada para estruturas que exigiam placas em espessuras maiores (com base na falta de dados relevantes). Em 2004, a empresa Costellium (operando como Rio Tinto Alcan) desenvolveu uma liga 2050 a fim de atender aos requisitos de estruturas com espessuras maiores na faixa de 57-160 mm. Como uma evolução do 2195 anteriormente projetado, a liga 2050 foi elaborada para corresponder e / ou exceder as propriedades de tração e fratura da liga 7050-T7451 tradicional, enquanto oferece uma redução de densidade de 4% e até 5% de melhoria no módulo de elasticidade. Inicialmente direcionado para estruturas espessas , anteparas e longarinas de asas de aeronaves comerciais e militares de até 6,5 polegadas de espessura, a liga 2050 foi avaliada em última análise para aplicações em tanques criogênicos para foguetes com base em sua excelente resistência a fratura e estabilidade em temperaturas criogênicas.
Vários usuários da liga 2050 notaram melhorias significativas na resistência criogênica , um requisito fundamental. Em comparação com o legado do Al 2219, a liga 2050 exibe cerca de 30% mais resistência ao escoamento, 5% mais módulo de compressão e tração e 5% menos densidade. Isso permite um projeto que é significativamente mais forte com uma maior rigidez, proporcionando uma redução de peso de 5% para a substituição imediata dos componentes do tanque criogênico.
Quando as estruturas também são reprojetadas para usar reforços mais finos com espaçamentos mais amplos, a liga pode demonstrar uma redução de peso de até 15%.O Al 2050 é usinado muito facilmente em ambos as têmperas T34 e T84 final, usando uma gama completa de velocidades em centros de fresagem de 3, 4 e 5 eixos com mesas horizontais ou verticais. Uma ampla variedade de peças e parâmetros são usados com placas de entrada de alumínio variando de 50 a 6.000kg. A alta complexidade das peças é possível com usinagem de lado único, colocação de bolsas e assimetria. A metodologia de lubrificação para usinagem 2050 inclui resfriamento por inundação e microlubrificação com uma faixa de velocidade de 15.000 a 40.000 rpm. Desgaste da ferramenta, formação de cavacos e distorção são semelhantes aos observados em outras ligas de alumínio convencionais de alta resistência, como 7050 e 2219. Tal como acontece com outras ligas de alta resistência, os centros de usinagem trabalhando com 2050 precisam desenvolver uma estratégia de remoção de metal para garantir a liberdade de distorção.Em alguns casos, projetos híbridos com aplicativos 2195 e 2050 estão sendo implementados no mesmo veículo de lançamento. Nestes designs híbridos, os estágios superiores que requerem uma placa de calibre mais leve favorecem uma a escolha do 2195, enquanto os componentes do estágio central exigem uma placa tipo 2050 de 3.000-4.000 polegadas de espessura. Da mesma forma, uma quantidade significativa de placas 2050 com formas complexas foi testada e prototipada com sucesso para o módulo da tripulação da espaçonave.
Naves espaciais que retornam da Lua reentram na atmosfera da Terra mais rápido e mais quente do que naves espaciais da órbita baixa da Terra. Na parte superior do módulo da tripulação, a tampa do compartimento dianteiro protege a parte superior da cápsula, bem como os pára-quedas, durante o lançamento, vôo orbital e reentrada; é coberto com as mesmas telhas de proteção térmica que a concha traseira. Depois que a espaçonave entra novamente na atmosfera da Terra, ela é lançada a uma altitude de aproximadamente 6.900 m para permitir a ejeção do sistema de pára-quedas. O sistema de pára-quedas inclui uma série de onze pára-quedas que são abertos em uma sequência para desacelerar o módulo de cerca de 325 mph para 20 mph ou menos e produzir uma velocidade segura para mergulho no oceano.
O escudo de calor libera calor intenso do módulo da tripulação quanda Orion retorna à Terra, viajando cerca de 40.000 km/h e suportando temperaturas cerca de metade do calor da superfície do Sol a quase 2.760 graus Celsius. A superfície externa do escudo térmico é feita de 186 tarugos, ou blocos, de um material ablativo chamado Avcoat, uma versão reformulada do material usado nas cápsulas Apollo. O Avcoat é colado a um esqueleto de titânio e pele composta que dá forma ao escudo e dá suporte estrutural para o módulo da tripulação durante a descida e a amerrissagem.
Durante a descida, o Avcoat abla, ou queima de forma controlada, transportando o calor para longe da cápsula. O Avcoat é feito primeiro em grandes blocos no Michoud Assembly Facility da NASA em Nova Orleans, depois enviado para o Kennedy Space Center na Flórida e usinado em 186 formas únicas antes da aplicação no escudo térmico. Os engenheiros procuram vazios nas linhas de ligação e também medem os degraus e lacunas entre os blocos. As lacunas são preenchidas com um material adesivo e então reavaliadas. Após a aplicação e inspeção do sistema de proteção térmica, engenheiros e técnicos submetem o escudo térmico a um teste de ciclo térmico. Este teste garante que os blocos de proteção térmica estejam devidamente colados e funcionarão conforme o esperado quando expostos a temperaturas extremas durante a missão. O escudo térmico recebe então uma camada de tinta epóxi branca. A fita aluminizada é aplicada após a secagem da superfície pintada para dissipar as cargas elétricas da superfície e manter temperaturas aceitáveis. Uma vez que todos os testes tenham sido concluídos, o escudo térmico é aparafusado ao módulo da tripulação.
Sistema de Propulsão
O módulo da tripulação possui um sistema de propulsão composto por 12 pequenos motores, denominados propulsores do sistema de controle de reação, fornecidos pela Aerojet Rocketdyne, que proporcionam controle total da translação e rotação do módulo da tripulação. Quando o módulo da tripulação se separa do módulo de serviço para reentrar na atmosfera da Terra, os 12 propulsores controlam o retorno da espaçonave disparando rajadas de propelente em sequências variadas. Interior Dentro do módulo da tripulação, a estrutura do piso onde serão fixados os assentos da tripulação e onde serão localizados os armários de estiva da tripulação é chamada de backbone, que é uma estrutura aparafusada de nove peças de vigas cruzadas. A espinha dorsal, feita de alumínio, também dá suporte estrutural adicional para o módulo da tripulação.
Os assentos do módulo da tripulação são projetados para acomodar quase 99% da população humana – de uma mulher de 1,47 m a um homem de 1,95 m. Os assentos também incluem assentos ajustáveis, apoios para os pés e apoios para os braços, bem como suportes de controle de mão ajustáveis para garantir que os astronautas possam alcançar todos os controles enquanto estiverem em seus trajes de pressão. A maior parte do equipamento que a tripulação precisará para viver no espaço em futuras missões, como alimentos, kits médicos, equipamentos de emergência (incluindo máscaras e extintores), sacos de dormir e roupas de pressão usadas para o lançamento e retorno à Terra será armazenada. em armários localizados sob os assentos. Em missões tripuladas, o módulo de tripulação será configurado com quatro assentos. Para a Artemis I não tripulada, apenas o assento do comandante será ocupado.
Sentado naquele assento (designado número 1) estará um manequim de corpo masculino equipado com um traje espacial e dois sensores para testar os impactos da radiação que podem afetar o corpo de um astronauta. Sensores sob o encosto de cabeça e atrás do assento registrarão dados de aceleração e vibração durante toda a missão. O espaço sob o assento do comandante será usado para guardar armários para o “kit de voo oficial”, que levará várias lembranças durante a viagem ao redor da Lua.
No que seria a localização do assento do piloto (número 2) estarão placas de simulador de massa que funcionam com sensores de acelerômetro para testar a vibração do assento. No espaço onde estarão localizados os dois assentos traseiros, ou inferiores, em futuras missões, estarão dois torsos de manequins, chamados phantoms, que simulam tecidos e órgãos humanos. Os fantasmas fazem parte de uma investigação para medir os níveis de radiação durante a missão e avaliar um colete de proteção contra radiação usado por um dos fantasmas. Dois acelerômetros também serão acoplados no simulador de encosto do banco inferior, onde ficará o phantom sem o colete, que fica mais próximo da escotilha. Os acelerômetros farão uma comparação de vibração nos assentos superiores e inferiores. Durante a queda, todos os acelerômetros medirão as acelerações de impacto nesses locais de assento. A equipe comparará essas acelerações com as medições feitas durante os testes de impacto da água no Langley Research Center, na Virgínia. Os sistemas de controle ambiental manterão a temperatura, a pressão e a umidade da cabine dentro da cápsula.
O módulo da tripulação também contém sistemas para aviônicos e eletricidade, e a cápsula selada dá a proteção necessária para proteger os sistemas da espaçonave e a tripulação em futuras missões, da radiação cósmica e solar no espaço profundo. Em futuras missões com astronautas, um sistema de suporte à vida manterá os níveis de oxigênio e dióxido de carbono, mantendo a tripulação saudável e confortável. Um cockpit com visores de vidro e painéis de controle permitirá à tripulação o controle total da Orion. Tanques de água e um dispensador oferecerão água potável e uma maneira simples de reidratar e aquecer os alimentos. O sistema de gerenciamento de resíduos do módulo da tripulação, ou lavatório, foi projetado para missões de várias semanas e atenderá às necessidades de higiene pessoal de homens e mulheres. Os astronautas usarão o dispositivo de exercício integrado da Orion, que suporta treinamento aeróbico e de força.
Módulo de Serviço Europeu
O Módulo de Serviço é instalado sob o módulo da tripulação, conectado através do Adaptador do Módulo da Tripulação, que conecta os sistemas entre os dois módulos. Pela primeira vez, a NASA confiou a uma empresa não americana a construção de um elemento de missão crítica para uma missão de voo espacial de astronautas americanos: sob um contrato da Agência Espacial Européia (ESA), a Airbus em Bremen, Alemanha, é responsável pela construção do Módulo de Serviço (chamado Europen Service Module – ESM), que impulsiona e manobra a espaçonave e dá à tripulação elementos essenciais de suporte à vida, como água e oxigênio, além de regular o controle térmico.
O Módulo de Serviço é construído pelo contratante principal Airbus. É a “usina” que alimenta e impulsiona a espaçonave. O módulo está localizado abaixo do módulo da tripulação e é projetado para missões de longa duração para destinos no espaço profundo. Ele cumpre funções críticas, incluindo propulsão, controle térmico e energia elétrica gerada pelos painéis solares. O sistema de armazenamento de consumíveis do módulo de serviço produzirrá água potável, nitrogênio e oxigênio ao módulo de tripulação em missões tripuladas. A água potável será fornecida pelo sistema de distribuição de água e armazenada em quatro tanques com fole metálico, cobrindo as necessidades de água aproveitável da tripulação durante a missão. O oxigênio e o nitrogênio serão fornecidos pelo sistema de distribuição de gás e armazenados em quatro tanques.
O módulo cilíndrico é despressurizado e tem cerca de 3,96 m de altura, incluindo o motor principal e os tanques de gás e propulsor. Durante o lançamento, o módulo de serviço se encaixa em uma carcaça de 5.18 m de diâmetro, cercado por três painéis de carenagem que o protegem dos ambientes hostis do lançamento, como calor, vento e vibrações acústicas. Assim que a Orion estiver acima da atmosfera, os painéis de carenagem ao redor do módulo de serviço serão descartados e seus quatro painéis solares serão desdobrados.
Depois que a espaçonave se separar do estágio superior do foguete, o módulo de serviço a impulsionará em sua missão e o ajudará a retornar à Terra, destacando-se antes que o módulo da tripulação entre na atmosfera terrestre. Quanto mais longe no espaço uma espaçonave se aventurar, mais capazes seus sistemas de propulsão precisam ser para manter seu curso com precisão e garantir seu retorno para casa. Além de sua função como principal sistema de propulsão da Orion, o módulo de serviço é responsável pelas manobras orbitais e controle de posição. É equipado com um total de trinta e três motores: um principal, oito motores auxiliares e 24 propulsores de controle de reação. O motor principal é um motor de sistema de manobras orbitais anteriormente utilizado em missões de ônibus espaciais, fornecido pela NASA e fabricado pela Aerojet Rocketdyne.
Os motores auxiliares são motores R4D-11, também feito pela Aerojet Rocketdyne e fornecido pela NASA. Os propulsores de controle de reação são fornecidos pela ESA e são do mesmo modelo que os usados nos Veículos de Transferência Automatizada construídos pela ESA que transportaram carga e reabastecimento de mercadorias da Terra para a Estação Espacial Internacional entre 2008 e 2015. O motor principal produzirá grandes in- capacidades de manobras espaciais ao longo da missão, incluindo a inserção da Orion em uma órbita retrógrada distante ao redor da Lua e também disparando com força suficiente para sair da órbita da Lua e retornar à Terra. Os oito motores auxiliares também são usados para manobras de translação, essencialmente fazendo backup do motor principal. Os 24 propulsores de controle de reação são usados para orientar e controlar a Orion em órbita, mas geralmente apenas 12 são usados e os outros 12 são principalmente backup.
O Orion ESM tem formato cilíndrico e aproximadamente quatro metros de diâmetro e altura. No lançamento, pesa pouco mais de 13 toneladas, representando cerca de 3/5 da massa total da espaçonave Orion. Suas 8,6 toneladas de combustível alimentam o motor principal, oito propulsores auxiliares e 24 propulsores menores usados para controle de atitude. Além de sua função como principal sistema de propulsão da espaçonave, o ESM será usado para manobras orbitais e controle de posição. O ESM pode ser usado para transportar carga útil não pressurizada adicional.
O módulo conta com um conjunto solar de quatro asas, cada uma consistindo em três painéis separados que se desdobrarão em sete metros de comprimento após o lançamento, dando à espaçonave uma envergadura de 19 metros de diâmetro. Quinze mil células solares geram eletricidade suficiente para alimentar o equivalente a duas residências. Cada uma das quatro asas gira em dois eixos para poder se alinhar com o Sol para geração máxima de eletricidade. O sistema de eletricidade do módulo de serviço dá eletricidade para a espaçonave a Orion, gerencia a energia gerada pelas quatro asas do painel solar do módulo de serviço e carrega as baterias principais no módulo da tripulação. Cada asa de painel solar consiste em três seções de painel e cada painel tem aproximadamente 2 por 2 metros. Há um total de 15.000 células de arsenieto de gálio nas quatro matrizes usadas para converter luz em eletricidade, e as matrizes podem girar em dois eixos para permanecer alinhadas com o Sol para potência máxima. Uma unidade de controle e distribuição de eletricidade oferece a interface de energia entre o módulo de serviço e o adaptador do módulo de tripulação, distribui energia elétrica para os equipamentos elétricos do módulo de serviço e protege as linhas de energia.
O exterior do ESM é coberto com kevlar para evitar danos causados por micrometeoritos e detritos espaciais. Além disso, os principais sistemas redundantes, como os aviônicos, são posicionados em lados opostos do módulo.
Mais de 20.000 peças e componentes compõem cada ESM, desde equipamentos elétricos até motores, painéis solares, tanques de combustível e suprimentos de suporte à vida, incluindo aproximadamente 12 quilômetros de cabos. No final da missão, o ESM queimará na atmosfera terrestre, enquanto o Módulo da Tripulação cairá no Oceano Pacífico.
O adaptador do módulo de tripulação abriga equipamentos eletrônicos para comunicações, energia e controle, e inclui um conector umbilical que conecta os sistemas elétricos, de dados e fluidos entre os módulos. Os computadores controlam todos os aspectos do módulo de serviço. A aviônica do módulo de serviço gerencia o equipamento motorizado do módulo e os serviços de troca de dados, que são baseados em instruções recebidas dos computadores de voo da Orion no módulo de tripulação. Cerca de 11,2 km de cabos enviam comandos e recebem informações de sensores.
O sistema de controle térmico do módulo de serviço inclui radiadores e trocadores de calor para manter o equipamento e os futuros astronautas em uma temperatura confortável. O sistema de controle térmico inclui uma parte ativa, que transfere o calor de toda a espaçonave para os radiadores do módulo de serviço, e uma parte passiva, que protege o módulo de serviço de ambientes térmicos internos e externos.
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HOMEM DO ESPAÇO 