a engenharia mecânica nos transportes...
TRANSCRIPT
I
MIEM – UC Projeto Feup
Ano letivo 2014/2015
A Engenharia Mecânica
nos transportes aéreos:
o vaivém espacial
Equipa 1M3_01:
António Batista (up201404766)
Artur Sousa (up201405007)
Bruno Sousa (up201405644)
Catarina Maia (up201404479)
Nuno Lucas (up201403914)
Supervisores: Prof. Ana Reis
Eng. João Duarte
Monitores: Ana Dulce
Luís Faria
II
“This cause of exploration and discovery is not an option we
choose; it is a desire written in the human heart …We find the
best among us, send them forth into unmapped darkness, and
pray they will return. They go in peace for all mankind, and all
mankind is in their debt.”
President George W. Bush, 4 Fevereiro, 2003
III
Resumo
O presente relatório desenvolvido no âmbito da UC Projeto Feup, inserido na
temática “A Engenharia Mecânica nos transportes aéreos” irá centrar-se no caso
particular do vaivém espacial e da mecânica adjacente a este. Inicialmente, será feita
uma contextualização histórica, o que permitirá uma mais fácil comparação e
compreensão da necessidade deste aparelho. Será abordada a constituição do vaivém,
com uma descrição pormenorizada dos materiais, elementos e requisitos necessários.
Seguidamente, focar-se-á no funcionamento do vaivém espacial e no seu
deslocamento. Relativamente, ao funcionamento abordar-se-ão as temáticas relativas
aos seus motores, mecanismos de prevenção e segurança, sistemas de propulsão e
refrigeração. Toda esta análise versa principalmente sobre as três fases de voo de um
vaivém espacial: descolagem, em órbita e aterragem.
Posteriormente, comparar-se-ão os vaivéns atuais e as novas implementações
feitas em relação aos do passado.
Finalmente, serão sintetizados os conhecimentos, bem como, será explicitado o
papel dos engenheiros mecânicos na indústria aeroespacial.
IV
Agradecimentos
A realização deste trabalho não teria sido possível sem a notável contribuição
de:
- Professora Ana Reis e Engenheiro João Duarte, por sempre nos aconselharem
quanto às opções a tomar na execução do projeto;
- Monitora Ana Dulce, pela sua permanente ajuda e disponibilidade.
A todos expressamos o nosso reconhecimento.
V
Índice
Glossário ............................................................................................................................................... 1
Abreviaturas .......................................................................................................................................... 1
Introdução............................................................................................................................................. 2
1. Vaivém, o que é? ............................................................................................................................... 4
2. Contextualização Temporal do Vaivém ............................................................................................ 4
3. Os materiais ...................................................................................................................................... 9
4. Funcionamento do vaivém ............................................................................................................. 15
4.1. Sistemas de Propulsão ............................................................................................................. 15
O que é o Sistema de Propulsão? ............................................................................................... 15
Mecanismos de Propulsão .......................................................................................................... 16
Os Propulsores ........................................................................................................................ 16
Os Motores Principais ............................................................................................................. 18
O Tanque de Combustível ....................................................................................................... 18
Os Combustíveis na Propulsão ................................................................................................ 19
4.2. Fases de movimento ................................................................................................................ 22
Na descolagem ............................................................................................................................ 22
Em órbita ..................................................................................................................................... 23
Aterragem ................................................................................................................................... 24
Considerações finais .......................................................................................................................... 27
Referências bibliográficas ................................................................................................................... 28
1
Glossário
DeorbitBurn - Activação do OMS, usado para abrandar a velocidade do vaivém.
Black Out- Apagão.
Orbiter- Módulo principal do Vaivém espacial
Tactical Air Navigation System, or TACAN Orbital Maneuvering System-
Sistema de auxilio à navegação do vaivém
Payload bay doors- Os portões que permitem a carga/descarga de objectos de
grandes dimensões.
Drag Chute- Tipo de paraquedas especialmente concebido para o
abrandamento de aeronaves.
Black Out-Apagão
Orbiter- Módulo principal do vaivém espacial
Ângulo de Ataque- Ângulo entre o vaivém e a horizontal.
Heading Alignment Cone – Cone imaginário, usado para alinhar o vaivém com a
pista de aterragem
Abreviaturas
SRB – Solid Fuel Rocket Boosters
SSME – Space Shuttle Main Engine
ET –External Tank
NASA- National Aeronautics and Space Administration
NACA- National Advisory Committee for Aeronautics
OMS- Orbital Maneuvering System
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Introdução
Com o tema principal de “A Engenharia Mecânica nos transportes aéreos”,
promovido pelo projeto FEUP, decidiu-se elaborar um relatório técnico sobre um meio
de transporte muito singular, com características que o permitem ir mais longe que
muitos outros, mas onde podem encontrar-se também muitas semelhanças com os
transportes aéreos mais convencionais. Será abordado então, o vaivém espacial.
É logo após a chegada do homem à lua, que surge o programa Project Mercury,
da NASA, que começou a investigar um meio de transporte viável para uma pequena
tripulação, até uma órbita terrestre baixa. Surge então a ideia de um meio de
transporte reutilizável que se propulsionasse como um foguete e que fosse capaz de
planar como um avião, ao aterrar.
O vaivém é um projeto desenvolvido pela NASA, sediada nos Estados Unidos,
onde equipas de engenheiros testam e aplicam conhecimentos e comunicam entre si,
de modo a que as ideias se tornem realidade.
Vai ser abordada uma contextualização temporal do vaivém, ou mais
propriamente, dos vaivéns construídos pela NASA até à data. Também vão ser tidos
em conta os desastres devido a falhas de engenharia infelizmente ocorridos ao longo
do programa. Estas, embora tratando-se de algo indesejável, são potenciadoras de
melhoramentos e novas descobertas. É ainda de salientar que o recurso a tecnologia
de ponta no domínio das simulações (muitas vezes, à escala real), tem contribuído
ativamente na prevenção e diminuição do número de acidentes envolvendo vaivéns
espaciais.
No que toca mais concretamente ao vaivém, este será caracterizado pela sua
constituição, particularmente pelos materiais e componentes utilizados em áreas
específicas e as suas funções no conjunto estrutura - fuselagem - componentes
externos.
Também indispensável será explicar as diversas fases do percurso do vaivém,
do lançamento, à órbita terrestre, reentrada na atmosfera e aterragem. A respeito de
3
cada uma das referidas fases consta uma explicação detalhada do funcionamento dos
diversos sistemas.
De modo a ser possível relacionar a engenharia mecânica com o vaivém
espacial, é preciso perceber todo o processo por detrás da sua concepção, ou seja, de
saber o que faz um engenheiro mecânico de profissão, saber o que ele é capaz de fazer
em equipa e a importância da comunicação entre engenheiros de várias
especializações.
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1. Vaivém, o que é?
O vaivém espacial é uma das mais complexas máquinas alguma vez inventadas,
sendo um veículo tripulado capaz de atingir uma órbita terrestre equiparada à dos
satélites artificiais. Estes transportes operaram desde 1981 a 2011, após o programa
Apollo, desempenhando diversas missões espaciais como lançamento de satélites,
apoio técnico e operacional a estações espaciais e outros aparelhos orbitais.
Este é constituído por mais de 2,5 milhões de peças, 370 quilómetros de cabos,
1060 válvulas e 1440 disjuntores. Pesando aproximadamente 2000 toneladas em
lançamento, o vaivém acelera até uma velocidade orbital de 28000 km/h (25 vezes a
velocidade do som) em apenas pouco mais de 8 minutos. Uma vez em órbita, o
habitáculo tem de proteger os tripulantes do vácuo espacial, permitindo os
astronautas levar a cabo pesquisa científica, implantar ou prestar serviço a satélites ou
a estações espaciais.
No final da missão, com o auxílio dos propulsores orbitais, inicia a reentrada na
atmosfera terrestre, actuando esta como um travão para desacelerar para uma
velocidade segura para aterragem de 350 km/h, dissipando assim a sua velocidade
orbital. [1]
2. Contextualização Temporal do Vaivém
A 1 outubro de 1958, o presidente Dwight D. Eisenhower e a assembleia dos
Estados Unidos criaram a National Aeronautics and Space Administration (NASA).
Sediada em Washington D. C., a NASA é responsável pela liderança e gerência
de cinco empresas estratégicas: Tecnologia Aeroespacial, Pesquisa Física e Biológica,
Ciência da Terra, Ciência Espacial e Exploração e Desenvolvimento Humano do Espaço.
A sede gere, ainda, estrategicamente os programas Space Shuttle e International Space
Station.
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É a partir do Kennedy Space Center, California, que a montagem e lançamento
dos vaivéns se realiza e a partir de onde é proporcionada a manutenção e serviços
gerais aos aparelhos em órbita. [2]
Abaixo, na Figura 1, podem ver-se os diversos centros de lançamento da NASA.
Esta organização sempre foi pioneira no desenvolvimento da indústria
aeroespacial. Assim, em resposta ao lançamento do satélite russo Sputnik, a NASA
iniciou uma investigação juntamente com outras organizações como a National
Advisory Committee for Aeronautics (NACA), com o intuito de organizar missões
espaciais tripuladas. O primeiro programa chamado Project Mercury teve o objetivo de
perceber de que modo era possível a sobrevivência do homem no espaço. [3]
Após um vasto progresso, surge o Project Apollo, culminando com a chegada à
lua da Apollo 11 em 1969.
Neste período final do programa espacial Apollo, usavam-se foguetões
descartáveis, de uso único, muito dispendiosos. Assim, era imperativo que se criasse
um meio de transporte mais seguro, menos dispendioso, e que fosse reutilizável. A
ideia foi de um vaivém espacial que pudesse ser lançado como um foguete e que
aterrasse como um avião, o que viria a ser uma grande conquista técnica.
Figura 1 - Localização dos centros da NASA.
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Eram então usados escudos térmicos que se desintegravam na entrada da
atmosfera. Contudo, para que fossem reutilizáveis, tinha de ser usada uma nova
estratégia. Foi então inserida a cerâmica resistente a elevadas temperaturas. A ideia
era revestir a superfície do vaivém com pequenos blocos cerâmicos capazes de
absorver o aumento drástico da temperatura da superfície na entrada na atmosfera
terrestre.
Em princípios dos anos 70, a União Soviética, em resposta militar ao vaivém dos
EUA, da NASA, começou a desenvolver um veículo similar, com o mesmo propósito do
americano, só que, após o seu único lançamento em 1988, o projeto foi abandonado
por falta de fundos (Figura 2). [4]
A NASA começou então a projetar e a financiar estudos de engenharia sobre o
vaivém e em 1972, o presidente Nixon anunciou o desenvolvimento de um vaivém
espacial reutilizável ou sistema de transporte espacial (em inglês, STS). A NASA decidiu
que o transporte consistiria numa cabine orbital ligada a propulsores a jato e a um
tanque de combustível externo.
Uma fuselagem foi criada apenas para testes aerodinâmicos, chamada de
Enterprise (referência a “Star Trek”). O Enterprise passou por diversos testes de voo e
aterragem, lançado de um Boeing 747 (Figura 3), visto que não possuía quaisquer
sistemas de propulsão.
Figura 2 - Vaivém espacial challenger da NASA
comparado com o buran soviético.
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Finalmente após vários anos de desenvolvimento e testes, o vaivém estava
pronto para levar missões a cabo. Foram construídos quatro vaivéns: Columbia,
Discovery, Atlantis e Challenger. O primeiro lançamento foi em 1981 do vaivém
Columbia, pilotado pelos astronautas John Young e Robert Crippen, obtendo total
sucesso.
Desde 1981 que vaivéns espaciais da NASA são lançados da costa da Florida
para a órbita terrestre. Estes já voaram mais de 130 vezes, levando já mais de 350
pessoas até ao espaço, viajando, ao todo, mais de 500 mil milhões de quilómetros,
mais do que o suficiente para chegar a Júpiter.
Em 1986, o vaivém Challenger explode na subida de lançamento juntamente
com todos a bordo. A NASA seguidamente suspende o programa vaivém por vários
anos enquanto decorriam investigações e correções consequentes do desastre. Só foi
retomado o programa com a construção de um novo vaivém, o Endeavour como
substituto do Challenger para compor novamente a frota.
Em 2003, quando o vaivém Columbia efetuava a reentrada na atmosfera
terrestre, ocorre um acidente e este despedaça-se sobre solo americano. Mais uma
vez, a NASA suspendeu o programa e trabalhou fervorosamente para encontrar novas
soluções. Em 2006, o vaivém Discovery perdeu uma peça do revestimento externo do
tanque de combustível, aquando da preparação do lançamento, provocando a
paragem imediata para resolução do problema. Por atraso da missão e acumulação de
prazos, o vaivém Discovery foi lançado duas vezes em 2006, uma em Julho e outra em
Figura 3 - Voo de teste do Enterprise lançado de
um Boeing 747.
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Dezembro. De acordo com a NASA o lançamento de Julho foi a missão mais
fotografada da história.
Na Figura 4 podem ver-se os diversos lançamentos dos vaivéns da NASA.
Atualmente apenas se mantêm em natividade as missões tripuladas
Soyuzprogram (Figura 5), na Rússia, e o Shenzhouprogram, na China, lançados através
de foguetões não reutilizáveis, constituídos por um pequeno habitáculo orbital alojado
no topo de um foguetão.
Figura 5 – Soyuz.
Figura 4 – Cronologia de lançamentos de vaivéns da NASA.
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Embora os vaivéns espaciais sejam um enorme avanço tecnológico, são
limitados no que toca a transportar carga para órbita, e a percorrer grandes distâncias
como a ida à Lua ou a Marte. Atualmente a NASA está a explorar novos conceitos de
veículos que são capazes de ultrapassar estas barreiras.
3. Os materiais
Os vaivéns espaciais são efectivamente construídos em inúmeros materiais
diferentes, contudo, nesta secção, atender-se-á principalmente sobre os
revestimentos térmicos.
Nos revestimentos térmicos que constituem os vaivéns são utilizados variados
materiais, distribuídos por toda a nave consoante os pontos que atingem
temperaturas mais altas ou mais baixas.
Estes são utilizados na parte exterior da nave permitindo que esta camada se
mantenha entre as temperaturas desejáveis principalmente na entrada na atmosfera.
A parte mais exterior da nave e constituída principalmente por alumínio e epoxi
grafitada.
Devido a entrada na atmosfera os materiais utilizados como revestimento
protegem a nave de temperaturas que atingem os 1648 °C. No entanto, estes
materiais também resistem a temperaturas até os -121 °C quando se encontram nas
partes mais geladas da órbita.
Ainda assim os revestimentos térmicos não são apenas aplicados na parte
exterior da nave, as temperaturas interiores também são controlados por isolamento
interno, através de por exemplo aquecedores, entre outros.
O revestimento térmico é um sistema passivo que consiste em materiais
selecionados para a obtenção de uma melhor estabilidade a altas temperaturas e à
eficiência de peso.
Estes materiais são os seguintes:
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Os compósitos de fibras de carbono que são usados nas bordas das asas e na
tampa do nariz e protegem contra temperaturas que ultrapassam os 1260 °C
durante a entrada na atmosfera (Figura 6).
As telhas deste compósito são feitas através da adição de um tecido de raiom
grafitado (seda artificial) com uma resina fenólica. Este material passa por diversos
tratamentos até chegar a adquirir as propriedades de carbono-carbono desejadas.
Para prevenir a oxidação deste compósito e permitir a sua reutilização, as camadas
exteriores das telhas são convertidas em carboneto de silício e posteriormente
tratadas com ortosilicato de tetraetila (Si(OC2H5)4).
Este compósito tem uma estrutura laminada (Figura 7) que apresenta
vantagens relativamente ao design sanduíche sendo mais leve e resistente, e promove
a dispersão do calor não permitindo a sua acumulação e consequente aquecimento da
nave. Além disto, é altamente resistente às cargas contínuas que lhe são causadas
durante a subida e a reentrada na atmosfera.
Uma vez que o carbono por norma é um bom condutor térmico, as zonas feitas
em alumínio entre outros fragmentos metálicos a ele associados tem que ser
protegidas, de modo a não excederem os seus limites de temperatura. Para o efeito,
são aplicados isolamentos internos tais como o inconel-718 e o A-286, que têm pontos
de fusão que rondam os 1350 oC.
Figura 6 – Locais do vaivém onde é aplicado o compósito
de fibra de carbono.
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As telhas pretas de isolamento a altas temperaturas (reutilizáveis) (Figura 8)
são usadas em áreas na fuselagem dianteira superior, incluindo ao redor das
janelas, toda a parte inferior do veículo onde não é utilizado o carbono-carbono
reforçado, partes do sistema de manobras de sistema de controle de reacção e
nos bordos anterior e posterior do estabilizador vertical. Estas telhas vão
proteger as áreas onde as temperaturas estão abaixo de 1260 °C.
Figura 7 - Estrutura laminada de carbono-carbono reforçado.
Figura 8 - Composição das telhas pretas de isolamento a altas temperaturas
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As telhas pretas de isolamento são feitas de são feitas de sílica amorfa de baixa
densidade e alta pureza (99,8%) e de fibras de sílica amorfa (fibras obtidas a partir de
areia comum, de 1 a 2mm de espessura) de isolamento que é feito por ligações
cerâmicas rígidas. Como 90 % da telha é vazia os restantes 10% são constituídos por
matéria. Estas telhas são produzidas misturando fibras com água que permanecem em
suspensão até formarem blocos macios, porosos aos quais é adicionada uma solução
de sílica coloidal. Quando este é sintetizado, o bloco rígido que é produzido é cortado
e em seguida maquinado até atingir as medidas necessárias para a formação das
telhas.
Estas telhas também são capazes de resistir, enquanto estão em orbita, a
condições gélidas, ao aquecimento repetido e arrefecimento (choque térmico) e a
ambientes acústicos extremos (aguentando até 165 dB) tais como durante o
lançamento.
Na verdade, estas telhas dissipam o calor tão rapidamente que é possível pegar
nela segundos depois de esta sair do forno, ainda quando o seu interior ainda
permanece vermelho.
As telhas pretas de isolamento a altas temperaturas são revestidas na parte
superior e nos lados e em seguida, colocadas num forno aquecido a uma temperatura
de 1260 °C. Consequentemente, resulta um revestimento negro e lustroso
impermeável que tem uma emissão superficial 0,85 e uma absorção solar, de cerca de
0,85. Após o processo de aquecimento do revestimento de cerâmica, as fibras de sílica
restantes são tratadas com uma resina de silicone para proporcionar grandes
quantidades de impermeabilização.
Há duas densidades diferentes de telhas pretas de isolamento a altas
temperaturas. O primeiro pesa 352.4 kg/m3 e é usado em todas as áreas ao redor do
nariz, asa de ponta, tanque externo, portas umbilicais, ventilação portas e estabilizador
vertical de ponta. As áreas restantes usam peças que pesam 144.2 kg/m3.
Na Figura 9, observa-se a localização das referidas telhas no vaivém, entre
outros materiais.
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As telhas que constituem a superfície de isolamento para baixas temperaturas
(reutilizável) (Figura 10) corresponde aos azulejos brancos são usados na
frente, ao longo do vaivém e na popa cauda vertical e na asa superior. Estas
telhas protegem as áreas onde as temperaturas estão abaixo de 648.9 °C. Estas
telhas têm um revestimento superficial branco para fornecer melhores
características térmicas em órbita.
Figura 9 - Locais onde são aplicados os diferentes compósitos usados nos space
shuttle incluindo as telhas pretas de isolamento a altas temperaturas
Figura 10 - Superfície de isolamento para baixas temperaturas apresentam-se a branco.
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Estas telhas são construídas da mesma maneira e têm as mesmas funções
básicas que as telhas de sílica HRSI, mas são mais finas (0,2-1,4 polegadas). A única
diferença na construção destas telhas em relação as telhas pretas de isolamento a
altas temperaturas é que estas têm uma dimensão de 8 por 8 polegadas e tem um
revestimento branco que é resistente à humidade óptica. O revestimento é feito de
compostos de sílica com óxido de alumínio brilhante para obter propriedades ópticas.
Estas telhas de sílica são tratadas até atingirem altos níveis de impermeabilização
semelhantes às telhas pretas de isolamento a altas temperaturas. As telhas têm uma
emissão superficial de 0,8 e uma absorção de 0,32 solares.
Os vaivéns também são revestidos por uma superfície de cobertores de
isolamento flexíveis e reutilizáveis (brancos) feitos de Nomex (meta –aramida de alta
resistência ao fogo). Estes são utilizados nas portas dos compartimentos de cargas
superiores, nas partes do corpo do vaivém, nos lados da fuselagem traseira e na parte
da superfície superior da asa, estes cobertores protegem as áreas onde as
temperaturas estão abaixo de 371.1°C.
Os cobertores são revestidos com uma cerâmica de sílica coloidal de alta
pureza em fibras de sílica que proporcionam uma maior resistência. A aplicação direta
dos cobertores apresenta vantagens tais como a redução de peso, a melhoria da
produtibilidade e durabilidade, a redução de custos de fabricação e instalação.
Outros materiais são utilizados em outras áreas especiais tais como painéis
térmicos para as janelas, metais específicos para o sistema de controlo, e também uma
combinação de um revestimento de sílica branca e preta para a barreiras térmicas. As
barreiras térmicas (Figura 11) são utilizadas nas extremidades na nave tais como vários
dos componentes do corpo da nave e do revestimento térmico, como a dianteira e
traseira da nave feita com compósitos com fibras de carbono, leme, freio de
velocidade, nariz e portas principais, tanque externo e portas umbilicais, estabilizador
vertical e interface de fuselagem traseira, portas de compartimento de carga, asa de
ponta em compósito com fibras de carbono e a tampa do nariz. [5]
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4. Funcionamento do vaivém
4.1. Sistemas de Propulsão
O que é o Sistema de Propulsão?
O Sistema de Propulsão é um conjunto de mecanismos usados para produzir
Thrust suficiente para "ultrapassar" o atrito do ar e o próprio peso do vaivém.
Podemos pensar na propulsão fazendo a analogia com um balão.
Quando o seguramos cheio fechando a abertura, a pressão é distribuída igualmente
pelo balão, há um equilíbrio. Porém, quando largamos a base, há uma falha na
superfície onde atua a pressão provocando um aumento da pressão no topo do balão,
o que resulta na Força Resultante com ponto de aplicação no topo e o sentido para
cima. Esta força é aquilo a que chamamos Thrust, e é responsável pelo movimento do
balão em frente, tal como é responsável pelo movimento do vaivém (Figura 12). [6]
Figura 11 - Barreira térmica em ação.
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Mecanismos de Propulsão O Sistema de Propulsão é constituído por dois Propulsores (SRB), três motores
principais (SSME) e um tanque de combustível externo (ET).
Todas estas componentes do vaivém (Figura 13) são cruciais na descolagem e
na escapatória ao efeito gravítico da Terra.
Os Propulsores
Os propulsores são os principais responsáveis pelo sucesso na descolagem do
vaivém, isto porque são a principal fonte de Thrust produzindo cerca de 80% do
necessário, cerca de 14 milhões de Newtons.
Figura 12 – Analogia sobre o mecanismo de propulsão.
Figura 13 – Vaivém espacial.
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Estão localizados dos lados esquerdo e direito do tanque de combustível e são
eles que suportam o peso do tanque e do próprio vaivém quando este se encontra
“pousado” na plataforma de lançamento, sendo que medem cerca de 45 metros.
Cada propulsor é constítuido por: um nariz em forma de cone; três paraquedas;
um motor de combustível sólido; um igniter; um nozzle; um sistema de separação;
instrumentação de voo; sistemas de recuperação; sistemas de travagem; sistemas de
segurança e um sistema de controlo do vetor Thrust. Na Figura 14, observam-se os
diversos segmentos do propulsor, sendo que na Figura 15 constam alguns
componentes do mesmo.
São desenvolvidos pela United Space Alliance em Flórida no Kennedy Space
Center.
Figura 15 - Componentes do propulsor.
Figura 14 – Os 4 segmentos do propulsor.
Fig. 13 – O vaivém
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Os Motores Principais
Os motores principais (Figura 16) são motores de alta performance, fabricados
pela Aerojet Rocketdyne nos EUA, são motores de combustível liquído e a
percentagem de Thrust gerada tem um alcance de 65% a 109% da capacidade do
motor.
O motor é composto por várias válvulas, turboPumps, preburners, uma câmara
de combustão, um nozzle, o controlador do motor, um Gimbal e um sistema de Hélio.
São usados apenas na fase ascendente, até o vaivém entrar em órbita. Esta
etapa dura cerca de 8 minutos.
O Tanque de Combustível
O tanque de combustível (Figura 17) é um cilíndro gigante maior do que um
edíficio de 15 andares, medindo cerca de 47 metros, sendo a maior peça do Space
Shuttle.
É a fonte de combustível dos três motores principais do Space Shuttle, sendo que os
três juntos “bebem” cerca de 235 800 litros de combustível por minuto, este
Figura 16 – Esquema e componentes do motor principal.
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combustível é uma mistura de oxigénio líquido (comburente) com hidrogénio líquido
(combustível).
É fabricado na Lockheed Martin Space Systems Company em New Orleans, por
maquinagem, constituído maioritariamente por ligas de aluminío. [7]
Os Combustíveis na Propulsão
Existem três grandes tipos de combustível conhecidos e utilizados nos dias de
hoje, podendo ser classificados como: Combustíveis sólidos, como o carvão, a madeira
e a turfa; Combustíveis Líquidos, como o petróleo, diesel, gasolina ou o etanol;
Combustíveis Gasosos, como o gás natural, o hidrogénio, o propano e vapor de água.
No Sistema de Propulsão do vaivém são usados apenas dois destes tipos de
combustíveis, o sólido e o líquido, em contextos e sítios diferentes, sendo que não é
apenas o estado físico que diferente entre eles; têm aplicações e missões diferentes,
especialmente no que toca a uma missão espacial.
Os combustíveis sólidos são usados para missões curtas, visto que são
impossíveis de ser controlados, assim que se dá a ignição do motor e começa a queima
do combustível, é impossível parar ou controlar a quantidade de combustível que está
a ser queimado, é por isso que se usa combustível sólido nos propulsores, e é daí que
vem o nome Solid Fuel Rocket Boosters.
A missão dos propulsores dura cerca de 2 minutos, apenas são usados na
descolagem, tornando-a uma missão curta e perfeita para a utilização de combustível
Figura 17 – Tanque Externo.
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sólido que apresenta algumas vantagens como a simplicidade e o baixo-custo de
produção.
A missão dos motores principais já é mais longa, cerca de 8 minutos até à
entrada em órbita, e por isso requer um combustível mais eficiente e em que seja
possível o controlo da quantidade de combustível que está a ser queimado.
Em seguida analisar-se-á mais pormenorizadamente a constituição do
combustível sólido, bem como será explicitada a função do combustível quando
injectado no propulsor.
Combustível sólido dos Propulsores
O Combustível dos propulsores é sólido e é uma mistura de várias
componentes:
- Perclorato de Amónio (69,93% em peso)
- Pó de Alumínio (16,00% em peso)
- Polímeros (12,04% em peso)
- Resina epoxy (1,96% em peso)
- Óxido de ferro (0,07% em peso)
O principal critério na escolha do composto é atingir valores altos de energia na
queima do combustível e garantir a produção de gases com um baixo número de
moléculas.[8]
O Perclorato de Amónio sempre foi o oxidizer, comburente, preferido, isto
porque apresenta características que o distingue de todos os outros nitratos e sais
perclorato, para além dos principais critérios. São elas: elevada quantidade de oxigénio
disponível; não-higroscopicidade (não retém nem atrai as moléculas de água no meio-
ambiente e facilidade de armazenamento.
O Pó de Alumínio é o combustível utilizado no composto, satisfaz os desejos de
uma combustão altamente energética mas não-explosiva, é produzido através da
atomização do aluminío liquído.
Os polímeros são os binders (agentes ligantes) que garantem uma maior
eficiência do composto através da união das substâncias, conferem uma estrutura e
uma consistência bem definida ao composto, garantindo a previsibilidade na queima
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do combustível. O mais comum é o Poliuretano, usado em produtos que nos são
familiares, como vernizes e colas.
A resina epoxy é um Curing Agent, agente de cura. Curing é um processo de
fabrico no qual endurecemos uma substância constítuida por polímeros, como é o caso
do composto, através do Cross-linking, em que se cria uma ligação entre duas cadeias
de polímeros, tornando-as mais resistentes e menos maleáveis. [8]
O Composto e o Propulsor
A Figura 18, em corte, explica de uma forma simples como acontece a queima
do combustível dentro do propulsor. À esquerda vemos o propulsor antes da ignição
(before), com o combustível sólido pintado a verde escuro, é depositado num tubo
cilíndrico no meio do corpo. Quando se dá a queima do combustível (after), este arde
ao longo das paredes do tubo, sempre no sentido da cavidade, para que os gases
sejam ejetados, criando uma força no nariz do propulsor, Thrust. Cada propulsor leva
cerca de 500 000Kg de composto sólido, e a queima dura cerca de 2 minutos, que é o
tempo estimado da missão dos propulsores. [9]
.
Figura 18 - Combustível nos Propulsores.
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4.2. Fases de movimento
Na descolagem
O vaivém e lançado numa posição vertical, a força que necessita de adquirir
ser-lhe-á fornecida por dois propulsores de combustível sólido (primeira fase) estes
levam a que a nave tenha aproximadamente 30MN, e por três motores principais os
quais fornecem à nave cerca de 53,3 MN de força.
Portanto o aparelho adquire a aceleração máxima para alcançar a órbita, tendo
em conta que no instante inicial apresenta velocidade nula, consegue adquirir um
incremento de velocidade de cerca de 28968km/h, cerca de nove vezes mais rápido
que uma bala. Devido aos materiais usados na sua construção o atrito do ar não levará
a um aumento significativo da sua temperatura. [10]
Assim sendo, a seguir apresenta-se figura (figura 14) que representa a
sequência de lançamento e início de órbita, bem como uma explicação desta fase:
1. Nos computadores de bordo é iniciada a sequência de lançamento;
2. Os motores principais do vaivém entram em combustão alternadamente,
de modo a ser possível que o aparelho atinja 90% do impulso necessário;
3. Os motores adquirem a posição de lançamento;
4. Os motores atingem a aceleração máxima;
5. Os SRBs entram ignição e o vaivém descola;
6. Os SRBs separam-se do orbiter e do tanque de combustível externo, os
motores principais continuam em combustão. Os SRBs aterram no meio do
mar;
7. Os motores principais são desligados;
8. O tanque de combustível externo separa-se do orbiter e entra em
combustão na reentrada;
9. Os motores OMS entram em combustão para que o aparelho circule,
momentaneamente, numa rota mais baixa;
Fig. 14- sequência de descolagem
23
10. Finalmente, os motores OMS voltam a entrar em combustão para que o
vaivém se desloque para uma órbita desta vez mais alta. (Ver Figura 19)
[11]
Em órbita
Depois de os motores principais serem desligados, o vaivém executa uma órbita
oval; se nada fosse alterado, o vaivém iria reentrar na atmosfera, tal como acontece ao
depósito de combustível. Passados 35 minutos depois dos de os dois motores
principais terem sido desligados, geralmente quando o vaivém alcança o ponto mais
alto da órbita oval os dois OMS, localizados na parte esquerda e direita da cauda do
vaivém, entram em ignição durante três minutos. Para tal os OMS usam dois
impulsores, que automaticamente entram em combustão sempre que estão em
contacto. Este processo leva a que o aparelho se mantenha em órbita a uma altitude
segura, ficando, portanto, acima da atmosfera (Figura 20).
Figura 19 - Sequência de descolagem.
24
O vaivém é a única nave espacial capaz de recuperar grandes satélites da sua
órbita e levá-los de volta para a Terra. Além disso, através de um braço robótico
(remote manipulator system) a tripulação pode mover objectos de maiores dimensões,
pode, ainda, manobrar astronautas que caminham no espaço para os locais desejados
de modo a que executem as mais diversas funções, tais como reparação de
manutenção de satélites.
A reparação do vaivém em órbita inclui a aplicação de polímeros pré-cerâmicos
em falhas pequenos. [12]
Aterragem
A aterragem do vaivém espacial envolve várias etapas, sendo um processo que
demora 4 horas.
1ª Fase - 4 horas para a aterragem: Preparação da tripulação e dos computadores para
o regresso;
2ª Fase - 3 horas para a aterragem : Fecham as payload bay doors;
3ª Fase - 2 horas para a aterragem: A tripulação veste os fatos e sentam-se nos seus
postos;
Figura 20 - Vaivém em órbita.
25
4ª Fase – 1 hora para a aterragem: É dado o OK e inicia-se o processo Deorbit Burn com
uma duração de 3 minutos (Nesta fase, o vaivém ainda se encontra no outro lado do
globo);
5ª Fase – Meia hora para a aterragem: É feito o primeiro contacto com a
atmosfera terrestre, tendo o vaivém um ângulo de ataque de sensivelmente 40o, a
mais de 28.000 km/h; é através do atrito com a atmosfera, à medida que o ar se torna
mais denso e se acumula ar suficiente nas asas, que o vaivém actuará como um
parapente, desacelerando progressivamente, planando. [13]
Na Figura 21, pode observar-se a variação da altitude, velocidade e o ângulo de
ataque com o tempo.
Figura 21- Reentry Data.
Nesta zona, os gases ionizados a temperaturas elevadas provocam um black out
de 12 minutos, um apagamento de todas as comunicações, sendo o vaivém pilotado
pelo computador de bordo nesse período. Durante o resto da descida, é feita uma
série de S´s como ilustrado na figura usados para abrandar a velocidade do Orbiter.
[14]
26
Na aproximação final à pista de aterragem, é solicitado por parte da tripulação
a assistência do sistema TACAN, que servirá como guia, ajudando no alinhamento com
a pista. O alinhamento com a pista, é feito através da circundação de um cilindro ou
cone imaginário, Heading Alignment Cone, diminuindo a altitude, de 15 Km para 3 Km,
ao mesmo tempo que diminui a velocidade, como ilustrado na Figura 22.
Figura 22 - Shuttles Reentry.
Nesta fase, o grau de inclinação do Orbiter é 7 vezes superior ao de um avião
comercial e a uma velocidade 20 vezes superior.
A 500 m do solo, a 350 km/h, é accionado o trem de aterragem; quando toca
no chão, abre-se o drag shute que assistirá na travagem (Figura 23). [15]
Figura 23 - Space Shutle landing
27
Considerações finais
Após a execução deste trabalho constatou-se que o vaivém espacial é um meio
fundamental para a exploração espacial e, consequente desenvolvimento tecnológico.
A engenharia mecânica desempenha um papel de ligação, isto é, sendo a
engenharia mais abrangente estabelece a ligação entre as várias especializações da
engenharia.
Conclui-se ainda que a escolha dos materiais é fundamental para o sucesso do
vaivém, uma vez que este estará sujeito a temperaturas e radiações extremas, os
materiais utilizados devem ser capazes de suportar estes ambientes de modo a que
não comprometam a missão.
Por outro lado, todos os mecanismos necessários nas três fases: descolagem,
órbita e aterragem são previamente estudados devido à extrema complexidade destes
processos, portanto é tudo pensado ao pormenor desde a escolha dos combustíveis à
localização dos sistemas de propulsão, dos OMS e do trem de aterragem.
Decorre ainda do trabalho realizado ao longo dos anos, que este ramo da
aeronáutica tem evoluído imenso e que muito mais se pode esperar do futuro.
28
Referências bibliográficas
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http://www.theatlantic.com/infocus/2011/07/the-history-of-the-space-
shuttle/100097/ (acedido em 30-09-2014)
[2] NASA. "Rrelatório da investigação ao vaivém Columbia". NASA. Url:
Http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/archives/sts-
107/investigation/CAIB_medres_full.pdf (acedido em 10-10-2014)
[3] Logsond, John. "Ten presidents and NASA". NASA Oficial. Url:
http://www.nasa.gov/50th/50th_magazine/10presidents.html (acedido em 5-09-2014)
[4] Buran."Vaivém Buran e foguetão Energia". Buran. Url: http://www.buran-
energia.com/ (acedido em 1-10-2014)
[5] Dumoulin, Jim. "Space shuttle Orbiter Systems". NASA. Url:
http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts_sys.html (acedido em
24-10-2014)
[6] Smithsonian Air and Space Museum. "Rocket Propulsion". Smithsonian Air and
Space Museum. Url: http://howthingsfly.si.edu/propulsion/rocket-propulsion (acedido
em 30-10-2014)
[7] NASA Facts. "Space Shuttle Propulsion System". NASA. Url:
http://www.nasa.gov/sites/default/files/174533main_shuttle_propulsion.pdf (acedido
em 2-10-2014)
[8] Boeing Space Transportation training System Data. "Space Shuttle Main Engine
Orentation". Boeing. Url:
http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/nguyen1/docs/SSME_PRESENTATION.
pdf (acedido em 7-10-2014)
[9]Department of Aerospace Engineering, Indian Institute of Science. "Solid Propellant
Blinders". Journal of Scientific & Industrial Research. Url:
http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/17726/1/JSIR%2061(11)%20899-
911.pdf (acedido em 13-10-2014)
[10] Human Space Flight."Space Shuttle Basics". NASA official. Url:
http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/basics/launch.html (acedido em 9-10-
2014)
[11] Freudenrich, Craig. "Space Shuttle lift off"". How stuff works. Url:
http://science.howstuffworks.com/space-shuttle2.htm (acedido em 30-10-2014)
29
[12] Freudenrish, Craig. "The Space Shuttle in Orbit". How stuff works. Url:
http://science.howstuffworks.com/space-shuttle3.htm (acedido em 9-10-2014)
[13]Freudenrish, Craig. "The Shuttle's Return to Earth". How stuff works. Url:
http://science.howstuffworks.com/space-shuttle7.htm (acedido em 3-10-2014)
[14] Human Space Flight. "Space Shuttle Basics". NASA. Url:
http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/basics/landing.html (acedido em 20-10-
2014)
[15] Ryba, Jeanne. "Space Shuttle". NASA. Url:
http://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/launch/landing101.html (acedido em 11-
10-2014)
Anexos: Wilson, Jim. "Launch Schedule". NASA. Url:
http://www.nasa.gov/missions/schedule/index.html#.VDpOf_ldV8E (acedido em 29-
10-2014)
Fig.1: https://www.nssc.nasa.gov/documents/10179/361340/map.png/3cd2165c-
e4a6-4fc0-a703-41660a3694f5?t=1404313171320?t=1404313171320
Fig.2: http://www.nasa.gov/sites/default/files/images/656298main_ECN77-8608.jpg
Fig.3:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/Space_Shuttle_vs_Soyuz
_TM_-_to_scale_drawing.png
Fig.4: http://www.charlesapple.com/2011/07/a-closer-look-at-the-sarasota-herald-
tribunes-huge-space-shuttle-graphic/
Fig.5: http://www.russianspaceweb.com/buran.html
Fig.6:http://www.spaceflight.nasa.gov/shuttle/archives/sts107/investigation/leftwing/
med/orbiter_view5.jpg
Fig.8:http://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_thermal_protection_system#mediav
iewer/File:Space_Shuttle_%28HRSI_tile%29.png
Fig.9:http://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_thermal_protection_system#mediav
iewer/File:ShuttleTPS2-colored.png
Fig.10: http://www.super-hobby.pt/zdjecia/8/6/6/4137_0-auto_downl.jpg
Fig.11: http://thermoshield-coatings.blogspot.pt/p/about.html
Fig.12: http://howthingsfly.si.edu/sites/default/files/image-
regular/rocket_propulsion_reg_0.jpg
Fig.13: http://www.clevescene.com/images/blogimages/2011/04/12/1302639261-
space_shuttle_13.jpg
30
Fig.14: http://www.nasa.gov/sites/default/files/174533main_shuttle_propulsion.pdf
Fig.15: http://www.nasa.gov/sites/default/files/174533main_shuttle_propulsion.pdf
Fig.16: http://i.gyazo.com/920fa4106d5f9d7aa7ec2552370d65d3.png
Fig.17: http://www.nasa.gov/sites/default/files/174533main_shuttle_propulsion.pdf
Fig.18: http://s.hswstatic.com/gif/rocket2.gif
Fig.19:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Space_shuttle_mission_
profile.jpg
Fig.20:http://www.nasa.gov/centers/kennedy/images/content/91156main_93pc1470.
jpg
Fig.21: http://dbs2000ad.com/brojon.org/TERROR%20IN%20ORBIT%20PART%201.htm
Fig.22: http://space.stackexchange.com/questions/1358/what-were-the-differences-
between-space-shuttles-and-burans-reentry-guidance
Fig.23: http://science.howstuffworks.com/space-shuttle7.htm
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Anexos
Próximos lançamentos previstos da NASA
Missão: Third Orbital Sciences Commercial Resupply Services Flight (Orbital CRS-3)
Data: Out. 24, 2014 -- 7:52 p.m. Oriente
Descrição: Lançamento de um foguetão Antares em Wallops Flight Facility, o Orbital
CRS-3 vai transportar carga e mantimentos para a International Space Station.
Missão: Progress 57
Data: Out. 29, 2014
Descrição: Lançamento de um Soyuz Russo, deBaikonurCosmodrome, Cazaquistão, o
Progress 57 vai transportar carga e mantimentos para aInternationalSpace Station.
Missão: Expedition 42 Launch to theInternationalSpace Station
Data: Nov. 23, 2014
Descrição: Lançamento deSoyuz 41 em BaikonurCosmodrome, Cazaquistão, o Soyuz 41
vai levar TerryVirtseSamanthaCristoforettipara aInternationalSpace Station.
Missão: FifthSpaceXCommercialResupplyServicesFlightwithCloud-
AerosolTransportSystem (SpaceX CRS-5)
Por volta de: Dezembro
Descrição: Lançamento de Cape Canaveral Air Force Station, Florida. O SpaceX CRS-5
vai entregar carga e mantimentos àInternationalSpace Station. Também vai
transportar CATS, um instrumento laser para medir intensidade de nuvens e a
localização de poluição, poeira, fumo e outras partículas na atmosfera.
Missão: FirstLaunchof New OrionSpacecraftonExplorationFlight Test-1
Por volta de: Dez. 4, 2014
Descrição: O primeiro voo de teste do Orion chamado de “ExplorationFlight Test-1”,vai
ser executado de uma base Delta IV da Cape Canaveral Air Force Station’s Space
Launch Complex 37. Este teste vai avaliar o lançamento e os sistemas de alta
velocidade de reentrada na atmosfera como a de reentrada como o controlo de
trajetória, paraquedas e escudo térmico.
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Missão: SoilMoisture Active Passive (SMAP)
Data prevista : Jan. 29, 2015
Descrição: SMAP é uma missão projetada para medir e mapear a humidade do solo
terrestre e estados gelados ou descongelados de modo a entender melhor os ciclos
terrestres da água, carbono e energia. O lançamento vai ser a partir de uma base Delta
II 7320 do Complexo 2 da base da força aérea deVandenberg, Califórnia.