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Programa de desenvolvimento de sistema de lançamento reutilizável da SpaceX
Leosls/Testes/1
O primeiro estágio do Voo 20 do Falcon 9 pousando verticalmente na zona de pouso 1, em dezembro de 2015
País Estados Unidos
Organização SpaceX
Propósito Sistema de lançamento reutilizável
Status Ativo
História do programa
Duração 2011-presente
Primeiro voo SpaceX CRS-3
18 de abril de 2014
Local(is) de lançamento Cabo Canaveral (SLC-40)
Centro Espacial John F. Kennedy (LC-39A)
Vandenberg (SLC-4E)
Informação do veículo
Veículo(s) de lançamento Falcon 9
Falcon Heavy
Starship
Parte de uma série sobre
Voo espacial privado
Empresas ativas
Veículos ativos
Contratos e programas

O programa de desenvolvimento de sistema de lançamento reutilizável da SpaceX (em inglês: SpaceX reusable launch system development program), é um programa de financiamento privado para desenvolver um conjunto de novas tecnologias para um sistema de lançamento orbital que pode ser reutilizado muitas vezes de maneira semelhante à reutilização de aeronaves. A SpaceX vem desenvolvendo tecnologias há vários anos para facilitar a reutilização total e rápida de veículos de lançamento espaciais. Os objetivos de longo prazo do projeto incluem o retorno do primeiro estágio de um veículo de lançamento ao local de lançamento em minutos e o retorno de um segundo estágio à plataforma de lançamento após o realinhamento orbital com o local de lançamento e reentrada atmosférica em até 24 horas. O objetivo de longo prazo da SpaceX é que ambos os estágios de seu veículo de lançamento orbital sejam projetados para permitir a reutilização algumas horas após o retorno.[1]

O programa foi anunciado publicamente em 2011. A SpaceX alcançou pela primeira vez um pouso e recuperação bem-sucedidos de um primeiro estágio em dezembro de 2015. O primeiro re-lançamento de um primeiro estágio ocorreu em março de 2017,[2] com o segundo estágio ocorrendo em junho de 2017, aquele apenas cinco meses após o lançamento inaugural do foguete auxiliar.[3] A terceira tentativa ocorreu em outubro de 2017 com a missão SES-11/EchoStar-105. Re-lançamentos de primeiros estágios recondicionados tornaram-se então rotina. Em maio de 2021, o B1051 se tornou o primeiro foguete auxiliar a ser usado em dez missões.[4]

A tecnologia do sistema de lançamento reutilizável foi desenvolvida e usada inicialmente para o primeiro estágio do Falcon 9. Após a separação do estágio, o foguete auxiliar vira, uma queima de reforço opcional é feita para reverter seu curso, uma queima de reentrada, controlando a direção para chegar ao local de pouso e uma queima de pouso para efetuar a desaceleração final em baixa altitude e o toque no solo.

A SpaceX pretendia (pelo menos a partir de 2014) desenvolver tecnologia para estender o hardware de voo reutilizável para o segundo estágio, um problema de engenharia mais desafiador porque o veículo está viajando em velocidade orbital.[5][6][7] A reutilização do segundo estágio é considerada fundamental para os planos de Elon Musk de permitir a colonização de Marte. Os conceitos iniciais para tornar o segundo estágio do Falcon 9 reutilizável foram abandonados.[8]

A partir de 2021, a SpaceX está desenvolvendo ativamente o sistema Starship, com a intenção de torná-lo um veículo de lançamento de dois estágios totalmente reutilizável, destinado a substituir todos os seus veículos de lançamento existentes e espaçonaves usados para entrega de satélite e transporte humano, Falcon 9, Falcon Heavy e Dragon 2, e também, eventualmente, voos para a Lua e Marte. Além disso, pode ser usado para transporte ponto a ponto na Terra.[9]

História[editar | editar código-fonte]

Da esquerda para a direita, Falcon 1, Falcon 9 v1.0, três versões do Falcon 9 v1.1, três versões do Falcon 9 v1.2 "Full Thrust", três versões do Falcon 9 Block 5, Falcon Heavy e Falcon Heavy Block 5. A tecnologia de foguete reutilizável da SpaceX está sendo desenvolvida para Falcon 9 v1.2 e Falcon Heavy

A SpaceX inicialmente tentou pousar o primeiro estágio do Falcon 1 de paraquedas, porém o estágio não sobreviveu à reentrada na atmosfera. Continuaram a fazer experiências sem sucesso com paraquedas nos primeiros lançamentos do Falcon 9 depois de 2010. A SpaceX posteriormente mudou seu foco para o desenvolvimento de um sistema de pouso de descida retropropulsada.[10]

O esboço geral do sistema de lançamento reutilizável foi descrito publicamente pela primeira vez em setembro de 2011. A SpaceX disse que tentaria desenvolver a descida retropropulsada e a recuperação de ambos os estágios do Falcon 9, um foguete totalmente de decolagem vertical e pouso vertical (VTVL). A empresa produziu um vídeo animado por computador mostrando uma visão nocional do primeiro estágio voltando com uma descida retropropulsada e o segundo estágio com um escudo térmico, reentrando primeiro com o topo do foguete antes de girar para uma descida retropropulsada.[11][12][13][14] Em setembro de 2012, a SpaceX começou os testes de voo em um primeiro estágio de protótipo reutilizável com o foguete suborbital Grasshopper.[15] Esses testes continuaram em 2014, incluindo o teste de um segundo protótipo maior, o F9R Dev1.

Notícias sobre o foguete de teste Grasshopper se tornaram públicas alguns dias antes, quando a Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos divulgou um rascunho de Avaliação de Impacto Ambiental para o local de teste da SpaceX no Texas, e a mídia espacial relatou isso.[16][17] Em maio de 2012, a SpaceX obteve um conjunto de dados de teste atmosférico para a recuperação do primeiro estágio do Falcon 9 com base em 176 testes realizados na instalação de teste do túnel de vento do Centro de Voos Espaciais George C. Marshall da NASA. O trabalho foi contratado pela SpaceX sob um acordo reembolsável do ato espacial com a NASA.[18]

Em 2012, foi projetado que a separação do primeiro estágio de um foguete Falcon 9 reutilizável ocorreria a uma velocidade de aproximadamente Mach 6 (7.400 km/h) em vez de Mach 10 (12.350 km/h) para um Falcon 9 descartável, para fornecer o combustível residual necessário para a desaceleração, manobra de retorno, descida e pouso controlado.[1]

Em novembro de 2012, o Elon Musk anunciou os planos da SpaceX para construir um segundo sistema de foguete reutilizável muito maior, este a ser alimentado por LOX/metano em vez de LOX/RP-1 usado no Falcon 9 e Falcon Heavy. O novo sistema era para ser "uma evolução do foguete auxiliar do Falcon 9 da SpaceX", e a SpaceX reiterou seu compromisso em desenvolver uma inovação em tecnologia de pouso vertical.[19] No final de 2012, o veículo de teste de demonstração, Grasshopper, fez três voos de teste VTVL, incluindo um voo pairado de 29 segundos a 40 metros em 17 de dezembro de 2012.[15] No início de março de 2013, a SpaceX testou com sucesso o Grasshopper pela quarta vez quando ele voou a uma altitude de mais de 80 metros.[20]

Em março de 2013, a SpaceX anunciou que instrumentaria e equiparia os primeiros estágios subsequentes do Falcon 9 como veículos de teste de descida controlada, com planos para pousos simulados sobre a água propulsivamente desacelerados a partir de 2013, com a intenção de retornar o veículo ao local de lançamento para um pouso retropopulsado, possivelmente já em meados de 2014.[21] O rascunho da Declaração de Impacto Ambiental de abril de 2013 para o local de lançamento proposto South Texas da SpaceX inclui acomodações específicas para o retorno dos foguetes auxiliares de primeiro estágio do Falcon 9 ao local de lançamento.[22] Elon Musk se referiu publicamente ao Falcon 9 reutilizável como o Falcon 9-R em abril de 2013.[23]

Em setembro de 2013, a SpaceX reativou com sucesso três motores de um foguete auxiliar que tinha realizado um lançamento orbital, e o foguete auxiliar reentrou na atmosfera em velocidade hipersônica sem queimar.[24] Com os dados coletados do primeiro teste de voo de uma descida controlada de um foguete auxiliar de grande altitude, juntamente com os avanços tecnológicos feitos no demonstrador de pouso em baixa altitude Grasshopper, a SpaceX anunciou que acreditava estar pronta para testar uma recuperação total de um foguete auxiliar.[25] Com base nos resultados positivos do primeiro teste de voo em alta altitude, a SpaceX antecipou a data esperada de um teste de meados de 2014 para o início de 2015, com a intenção de fazê-lo no próximo lançamento de reabastecimento de carga da Estação Espacial Internacional, dependendo das aprovações regulatórias.[26][27] Esse lançamento ocorreu em 18 de abril de 2014.[28][29]

Musk declarou em maio de 2013 que o objetivo do programa é atingir a reutilização total e rápida do primeiro estágio até 2015, e desenvolver a reutilização total do veículo de lançamento como "parte de uma arquitetura de design futura".[30] Em setembro de 2013, a SpaceX disse que se todos os aspectos do programa de teste fossem bem-sucedidos e se um cliente estivesse interessado, a primeira reutilização de um estágio do Falcon 9 poderia acontecer já no final de 2014.[26]

Em fevereiro de 2014, a SpaceX deixou explícito que o veículo de lançamento superpesado recém-definido para o então chamado Mars Colonial Transporter também faria uso da tecnologia reutilizável.[7] Isso foi consistente com a declaração estratégica de Musk em 2012 de que "O avanço revolucionário virá com foguetes que são total e rapidamente reutilizáveis. Nunca conquistaremos Marte a menos que façamos isso. Vai ser muito caro. As colônias americanas nunca teriam sido pioneiras se os navios que cruzaram o oceano não fossem reutilizáveis".[31]

Também em maio de 2014, a SpaceX anunciou publicamente um extenso programa de teste para uma tecnologia reutilizável relacionada: uma cápsula espacial pouso propulsado chamada DragonFly. Os testes deveriam ser executados no Texas, na Instalação de teste de foguetes de McGregor em 2014-2015.[32]

Em junho de 2014, a COO Gwynne Shotwell esclareceu que todo o financiamento para desenvolvimento e teste do programa de desenvolvimento de tecnologia de sistema de lançamento reutilizável é financiamento privado da SpaceX, sem contribuição do governo dos Estados Unidos.[33][34] Em 2017, a SpaceX gastou mais de um bilhão de dólares no programa de desenvolvimento.[35]

Pela primeira vez, a SpaceX afirmou em julho de 2014 que estão "altamente confiantes de serem capazes de pousar com sucesso em uma plataforma de lançamento flutuante ou de volta ao local de lançamento e refinar o foguete sem necessidade de reforma".[36]

No final de 2014, a SpaceX suspendeu ou abandonou o plano de recuperação e reutilização do segundo estágio do Falcon 9;[37] a massa adicional do escudo térmico, trem de pouso e motores de pouso de baixa potência necessários incorreria em uma penalidade de desempenho muito grande. Embora a ideia tenha sido mencionada novamente mais tarde, ela foi finalmente abandonada conforme o desenvolvimento do Starship progredia.[8]

Em dezembro de 2015, após a recuperação do primeiro estágio de lançamento de 22 de dezembro, a SpaceX projetou que a primeira reutilização de um foguete auxiliar recuperado provavelmente ocorreria em 2016, mas que seu plano era não refinar o estágio recuperado de 22 de dezembro para esse fim.[38]

Em setembro de 2016, a SpaceX anunciou que o desenvolvimento estava em andamento para estender o hardware de voo reutilizável para o segundo estágio, um problema de engenharia mais desafiador porque o veículo está viajando em velocidade orbital. A tecnologia reutilizável deveria ter sido estendida aos projetos de 2016 das variantes do estágio superior da espaçonave de carga e tripulada, bem como ao primeiro estágio do Sistema de Transporte Interplanetário,[5][6][7] e é considerada fundamental para os planos de Elon Musk que está lutando para permitir a colonização de Marte.[39][40][41] Em 2016, voos de teste iniciais de um veículo do Sistema de Transporte Interplanetário não eram esperados antes de 2020.[5]

Em 2017, a SpaceX estava fazendo testes de voo no desenvolvimento de forma incremental e iterativa de um sistema de recuperação de coifa.[42][2] Em julho de 2017, Musk disse "estamos muito perto de conseguir recuperar a coifa. ... Temos uma chance decente de recuperar uma coifa até o final do ano e refazer no final deste ano ou no início do próximo".[43] A economia de custos para a SpaceX com a recuperação da coifa deve ser da ordem de US$ 5 milhões. Juntos, o estágio e a coifa representam aproximadamente 80% do custo de um lançamento.[43] As coifas são equipadas com um paraquedas dirigível e caem em direção a um navio equipado com uma grande rede.[44] As coifas intactas puderam ser recuperadas do oceano a partir de 2017,[45] com pousos na rede a partir de 2019.[44]

Tecnologias[editar | editar código-fonte]

Várias novas tecnologias precisaram ser desenvolvidas e testadas para facilitar o lançamento e a recuperação bem-sucedidos dos primeiros estágios do Falcon 9 e do Falcon Heavy, e os dois estágios do Starship. Desde 2017, a recuperação e a reutilização de foguetes auxiliares Falcon se tornaram rotina.

Reentrada do estágio do Falcon 9 com aletas de manobra, fevereiro de 2015 após o lançamento da missão DSCOVR

As tecnologias que foram desenvolvidas para o Falcon 9, algumas das quais ainda estão sendo refinadas, incluem:

  • Sistema de ignição reinicializável para o foguete auxiliar do primeiro estágio.[23] Reinícios são necessários em ambas as velocidades supersônicas na atmosfera superior, a fim de reverter a alta velocidade para longe da plataforma de lançamento e colocar o foguete auxiliar em uma trajetória de descida de volta para a plataforma de lançamento, e em altas velocidades transônicas na atmosfera inferior, em ordem para desacelerar a descida terminal e realizar um pouso suave.[46] Se o foguete auxiliar retornar a um local de pouso em terra, outra queima é necessária logo após a separação do estágio para reverter a direção de voo do foguete auxiliar, para um total de quatro queima do motor central.
  • Nova tecnologia de controle de atitude para o foguete auxiliar para trazer o corpo do foguete descendente através da atmosfera de uma maneira que conduza tanto ao retorno não destrutivo quanto ao controle aerodinâmico suficiente para que a fase terminal do pouso seja possível.[47] Isso inclui autoridade de controle de rotação suficiente para evitar que o foguete gire excessivamente como ocorreu no primeiro teste de voo em alta altitude em setembro de 2013, onde a taxa de rotação excedeu as capacidades do sistema de controle de atitude (ACS) do foguete auxiliar e o combustível nos tanques "centrifugado" ao lado do tanque desligando o único motor envolvido na manobra de desaceleração em baixa altitude.[27][48] A tecnologia precisa lidar com a transição do vácuo do espaço em condições hipersônicas, desacelerando para velocidades supersônicas e passando pelo buffet transônico, antes de reacender um dos motores do estágio principal em velocidade terminal.[25]
  • Aletas de manobra para velocidades hipersônicas foram adicionadas ao projeto do foguete auxiliar de teste, começando no quinto lançamento de teste de descida controlada no oceano em 2014, a fim de permitir um pouso preciso. Dispostas em uma configuração em "X", as aletas de manobra controlam o vetor de sustentação do foguete descendente assim que o veículo retornou à atmosfera para permitir um local de pouso muito mais preciso.[49][50] A iteração no design continuou em 2017. Aletas de manobra maiores e mais robustas, feitas de titânio e sem pintura, foram testadas pela primeira vez em junho de 2017 e têm sido usadas em todos os primeiros estágios do Falcon 9 Block 5 reutilizáveis desde maio de 2018.[51]
Falcon 9 v1.1 com pernas do trem de pouso conectadas, na posição retraída enquanto o foguete é preparado para lançamento em seu hangar
Balsa-drone Just Read the Instructions, no porto em janeiro de 2015

Economia na reutilização de foguetes[editar | editar código-fonte]

Para tornar o Falcon 9 reutilizável e retornar ao local de lançamento, propelente extra e trem de pouso devem ser carregados no primeiro estágio, exigindo uma redução de cerca de 30% da carga útil máxima para orbitar em comparação com o Falcon 9 descartável.[64] O re-lançamento de um estágio usado anteriormente em um lançamento subsequente depende da condição do estágio pousado e é uma técnica que teve pouco uso fora os foguetes auxiliares reutilizáveis de combustível sólido dos Ônibus Espaciais.

Elon Musk projetou em 2015 que a etapa de re-lançamentos do programa seria "direta", por causa dos vários disparos de duração total dos motores que haviam sido feitos no solo e os múltiplos reinícios de motores que haviam sido demonstrados naquela época, sem degradação significativa observada.[65] Em 2015, os analistas do setor continuaram a prever problemas que poderiam impedir a reutilização econômica porque os custos para reformar e relançar o estágio ainda não foram demonstrados, e o argumento econômico para reutilização seria necessariamente altamente dependente de lançamentos frequentes.[66]

Espera-se que a SpaceX reduza significativamente o custo de acesso ao espaço e mude o mercado cada vez mais competitivo de serviços de lançamento espacial.[26][67] Michael Belfiore escreveu na Foreign Policy em 2013 que, a um custo publicado de US$ 56.5 milhões por lançamento em órbita terrestre baixa, "os foguetes Falcon 9 já são os mais baratos da indústria. Os Falcon 9 reutilizáveis podem diminuir o preço em uma ordem de magnitude, gerando mais empreendimentos baseados no espaço, o que por sua vez reduziria o custo de acesso ao espaço ainda mais por meio de economias de escala".[24] Mesmo para lançamentos militares, que possuem uma série de requisitos contratuais para a prestação de serviços de lançamento adicionais, o preço da SpaceX está abaixo de US$ 100 milhões.[68][69]

Descrição da trajetória de pouso do Falcon 9 para alguns dos testes de recuperação de plataforma flutuante

O analista da indústria espacial Ajay Kothari observou que a tecnologia reutilizável da SpaceX poderia fazer pelo transporte espacial "o que os motores a jato fizeram pelo transporte aéreo 60 anos atrás, quando as pessoas nunca imaginaram que mais de 500 milhões de passageiros viajariam de avião todos os anos e que o custo poderia ser reduzido ao nível que está, tudo por causa do volume de passageiros e da capacidade de reutilização confiável".[70] A SpaceX disse em janeiro de 2014 que se eles tivessem sucesso no desenvolvimento da tecnologia reutilizável, seriam possíveis preços de lançamento de cerca de US$ 5 a US$ 7 milhões para um Falcon 9 reutilizável,[71] e após a recuperação bem-sucedida do primeiro estágio em dezembro de 2015, Musk disse que "a redução de custo potencial a longo prazo é provavelmente superior a um fator de 100".[66]

Em março de 2014, as empresas de serviços de lançamento que competem com a SpaceX não planejavam desenvolver tecnologia semelhante ou oferecer opções de lançadores reutilizáveis. Nem a International Launch Services (ILS), que comercializa os lançamentos do foguete russo Proton; Arianespace; nem a Sea Launch estavam planejando desenvolver e comercializar serviços de veículos lançadores reutilizáveis. A SpaceX foi a única concorrente que projetou um mercado suficientemente elástico do lado da demanda para justificar o desenvolvimento caro da tecnologia de foguetes reutilizável e o dispêndio de capital privado para desenvolver opções para essa oportunidade de mercado teórica.[72]

Em 2014, o foguete Falcon 9 v1.1 foi projetado com cerca de 30% a mais de capacidade do que suas especificações oficiais de carga útil; o desempenho adicional foi reservado para a SpaceX realizar os testes de reentrada e pouso do primeiro estágio para reutilização, enquanto ainda atinge a entrega de carga orbital especificada para os clientes.[73]

Para obter o benefício econômico total da tecnologia reutilizável, é necessário que a reutilização seja rápida e completa, sem o longo e caro período de renovação ou design parcialmente reutilizável que atrapalhou as tentativas anteriores de veículos de lançamento reutilizáveis. A SpaceX foi explícita que o "enorme potencial para abrir voos espaciais"[74] depende da obtenção de uma capacidade de reutilização completa e rápida.[28][68] O CEO Musk afirmou em 2014 que o sucesso com o esforço de desenvolvimento de tecnologia poderia reduzir "o custo do voo espacial por um fator de 100"[75] porque o custo do propelente/oxidante no Falcon 9 é apenas 0.3% do custo total do veículo.[76]

Separada da competição de mercado provocada pelos preços de lançamento mais baixos da SpaceX e o futuro potencial de preços de lançamento ainda mais radicalmente mais baixos se a tecnologia puder ser concluída com sucesso, a Aviation Week & Space Technology disse em 2014 que "o trabalho de lançamento reutilizável da SpaceX é um modelo de pesquisa e desenvolvimento", "A audácia do conceito e a velocidade do progresso do programa tornam-no um exemplo. ... [o] ritmo alucinante de desenvolvimento tem sido quase como o do Programa Apollo em sua execução ... [embora] o sucesso esteja longe de ser garantido".[77]

Em 9 de março de 2016, a presidente da SpaceX, Gwynne Shotwell, fez uma avaliação mais realista da economia potencial de um lançamento reutilizado, agora que as tentativas de reutilizar o segundo estágio foram abandonadas devido a problemas de custo e peso. Ela disse que o custo de reabastecimento de US$ 1 milhão e o custo de US$ 3 milhões para reformar um primeiro estágio usado podem permitir que um lançamento tenha um preço tão baixo quanto US$ 40 milhões, uma economia de 30%. O maior cliente da SpaceX, SES S.A., disse que quer ser o primeiro a usar um veículo reutilizado, mas quer um preço de lançamento de US$ 30 milhões ou uma economia de 50% para compensar o risco de ser pioneiro no processo.[78]

De acordo com Elon Musk, quase todas as peças do Falcon devem ser reutilizadas mais de 100 vezes. Os escudos térmicos e alguns outros itens devem ser reutilizados mais de 10 vezes antes de serem substituídos.[79] Em março de 2017, a SpaceX anunciou o progresso em seus experimentos para recuperar e, eventualmente, reutilizar a coifa de carga útil de US$ 6 milhões. Na missão SES-10, uma das metades da coifa executou uma reentrada atmosférica controlada e amerissagem usando propulsores e um paraquedas dirigível; as coifas serão eventualmente projetadas para pousar em uma estrutura flutuante de "castelo inflável".[80]

A SpaceX começou a reformular os estágios lançados anteriormente em 2017. O primeiro re-lançamento foi realizado em março de 2017, quase um ano após o lançamento inaugural do foguete auxiliar; a segunda foi em junho de 2017, apenas cinco meses após seu lançamento inaugural. Ambos tiveram sucesso, e tanto as seguradoras quanto os clientes de serviço de lançamento estão prontamente apoiando o mercado emergente em serviços de lançamento fornecidos por foguetes auxiliares reutilizáveis.[3]

Em agosto de 2020, Elon Musk tweetou que a renovação e reutilização de um foguete auxiliar é feito por menos de 10% do preço de um foguete auxiliar novo, enquanto a redução da carga útil é inferior a 40%. De acordo com seu tweet, a SpaceX atinge o ponto de equilíbrio com um segundo lançamento por foguete auxiliar e economiza dinheiro a partir do terceiro lançamento.[81] Naquela época, o Falcon 9 Block 5 havia feito 35 lançamentos com 11 foguetes auxiliares.

Viabilidade técnica[editar | editar código-fonte]

Antes do sucesso do programa de reutilização em dezembro de 2015, o retorno de um foguete auxiliar do sistema de lançamento orbital nunca havia sido realizado e muitos questionavam a viabilidade técnica e econômica. E mesmo depois desse sucesso, a rápida reutilização de um foguete não foi tentada. Desenvolver um foguete reutilizável é extremamente desafiador devido à pequena porcentagem da massa de um foguete que pode colocá-lo em órbita.[12][82] Normalmente, a carga útil de um foguete é apenas cerca de 3% da massa do foguete, que também é aproximadamente a quantidade de massa do combustível necessário para a reentrada do veículo.[83]

Elon Musk disse no início do programa que acreditava que o retorno, pouso vertical e recuperação eram possíveis porque as metodologias de fabricação da SpaceX resultam em uma eficiência do foguete excedendo a margem típica de 3%. Um foguete SpaceX operando na configuração reutilizável tem aproximadamente 30% menos capacidade de carga útil do que o mesmo foguete em uma configuração descartável.[25]

Embora a tecnologia do sistema de lançamento reutilizável tenha sido desenvolvida e inicialmente usada para os primeiros estágios da família de foguetes Falcon,[6] é particularmente adequada para o Falcon Heavy, onde os dois foguetes auxiliares laterais se separam do foguete no início do lançamento e são, portanto, movendo-se mais lentamente na separação dos estágios. Por exemplo, no voo 20 do Falcon 9, a velocidade na separação foi próxima a 6.000 km/h[84] e isso permitiu um retorno próximo ao local de lançamento. No voo 22, indo para a órbita de transferência geoestacionária mais energética, a maior velocidade de separação estava entre 8.000 e 9.000 km/h. Nessas velocidades mais rápidas, não é possível retornar o foguete auxiliar para perto do local de lançamento para um pouso; se um pouso é tentado, necessariamente o local ficara a centenas de quilômetros do local de lançamento, provavelmente em uma balsa-drone.

A reutilização também tem impacto nas estimativas de risco. Enquanto os primeiros clientes de foguetes reutilizados pediam um preço mais baixo,[85] um foguete auxiliar que já voou demonstrou funcionar em condições de voo realistas. Alguns clientes agora preferem foguetes auxiliares reutilizados ao invés de novos.[86]

Desenvolvimento de reutilização do Falcon 9[editar | editar código-fonte]

Em 2013, a SpaceX estava testando tecnologias reutilizáveis para seus projetos de veículos de lançamento (com três veículos de teste: Grasshopper, F9R Dev1 e F9R Dev2), e por sua nova cápsula espacial reutilizável SpaceX Dragon 2 (com um veículo de teste de baixa altitude chamado DragonFly).

A SpaceX divulgou publicamente um programa de teste incremental de múltiplos elementos para estágios de foguetes auxiliares que inclui quatro aspectos:

  • Baixa-altitude menos de 760 m,[16][87] teste de baixa velocidade de seu demonstrador de tecnologia monomotor Grasshopper em seu local de teste no Texas.
  • Baixa-altitude menos de 3.000 m, teste de baixa velocidade de um veículo de teste de três motores muito maior, de segunda geração, chamado F9R Dev1. O veículo de segunda geração inclui pernas de trem de pouso extensíveis e será testado no local de teste do Texas.[88]
  • Alta-altitude e velocidade média, teste foi planejado, mas cancelado em favor dos testes de reentrada pós-missão dos foguetes auxiliares de primeiro estágio. Teria usado o F9R Dev2 em uma instalação alugada da SpaceX no Spaceport America no Novo México, nos Estados Unidos.
  • Alta-altitude de 91 km,[89] velocidade muito alta (aproximadamente 2 km/s; 6.500 km/h; Mach 6),[1] testes de reentrada balística, desaceleração controlada e descida controlada dos estágios do Falcon 9 pós-missão, seguindo um subconjunto de lançamentos do Falcon 9 que começaram em 2013.

Oito testes de voo em baixa altitude foram feitos pelo Grasshopper em 2012 e 2013. O primeiro teste de descida controlada de retorno de alta altitude foi feito em setembro de 2013, com um segundo teste em abril,[26][29][90] um terceiro voo de teste em julho[91] e um quarto teste em setembro de 2014. Todos os quatro voos de teste até agora foram planejados para serem pousos simulados sobre a água.[36] Cinco testes de voo de baixa altitude do F9R Dev1 foram realizados durante abril-agosto de 2014, antes do veículo se autodestruir por razões de segurança no quinto voo.[92][93]

Veículos de teste de voo[editar | editar código-fonte]

Foguete Grasshopper realizando um voo de 325 metros seguido por um pouso propulsivo suave na tentativa de desenvolver tecnologias para um veículo de lançamento reutilizável

A SpaceX usou um conjunto de veículos de lançamento reutilizáveis suborbitais (RLV) experimentais de demonstração de tecnologia para começar o teste de vôo de suas tecnologias de reforço reutilizáveis em 2012. Duas versões do protótipo de foguetes de teste reutilizáveis foram construídos, Grasshopper de 32 m de altura (anteriormente designado como Grasshopper v1.0) e o Falcon 9 Reusable Development Vehicle de 49 m de altura, ou F9R Dev1, anteriormente conhecido como Grasshopper v1.1,[74] bem como um protótipo de cápsula para testar pousos propulsivos da tripulação da Dragon e cápsula de carga para o Falcon 9, DragonFly.[74] O Grasshopper foi construído em 2011-2012 para testes de pairar em baixa altitude e baixa velocidade que começaram em setembro de 2012 e foram concluídos em outubro de 2013 após oito voos de teste.[16][17][74] O segundo projeto de veículo protótipo, F9R Dev1, foi construído no estágio do Falcon 9 v1.1, muito maior, foi usado para estender ainda mais o envelope de testes de voo de baixa altitude em um veículo que melhor correspondia ao hardware de voo real e fez cinco voos de teste em 2014.[74][94][95] Os voos de baixa altitude e baixa velocidade dos foguetes e cápsulas do veículo de teste foram conduzidos na instalação de teste de foguetes da SpaceX em McGregor, Texas.[16][17][74]

A SpaceX indicou em novembro de 2018 que eles consideraram testar um segundo estágio de Falcon 9 fortemente modificado que se pareceria com uma "mini espaçonave-BFR" e seria usado para testes de reentrada atmosférica de uma série de tecnologias necessárias para a Starship em escala real, incluindo um ultra-leve escudo térmico e superfícies de controle de alto-Mach,[96][97] mas duas semanas depois, Elon Musk rejeitou a abordagem em favor de usar um BFR de diâmetro total.[98]

Grasshopper[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Grasshopper (foguete)

O Grasshopper, o primeiro veículo de teste VTVL da SpaceX, consistia em um tanque de primeiro estágio do Falcon 9 v1.0, um único motor Merlin-1D e quatro pernas de trem de pouso de aço permanentemente conectadas. Ele tinha 32 m de altura.[17] A SpaceX construiu uma instalação de lançamento de concreto de 2.000 m2 em sua instalação de teste de foguetes em McGregor, Texas, para apoiar o programa de teste de voo do Grasshopper.[99] O Grasshopper também era conhecido como Grasshopper versão 1.0 ou Grasshopper v1.0, antes de 2014, durante a época em que os veículos de teste da classe Grasshopper estavam sendo construídos.

Além de três voos de teste em 2012, cinco testes adicionais foram realizados com sucesso até o final de outubro de 2013, incluindo o quarto testes gerais em março de 2013, no qual o Grasshopper dobrou seu maior salto para subir para 80.1 metros com um 34 segundos de voo.[100] No sétimo teste, em agosto de 2013, o veículo voou a 250 metros durante um voo de 60 segundos e executou uma manobra lateral de 100 metros antes de retornar a plataforma.[101] O Grasshopper fez seu oitavo e último voo de teste em 7 de outubro de 2013, voando a 744 metros antes de fazer seu oitavo pouso com sucesso.[102] O veículo de teste Grasshopper então foi aposentado.[103]

Falcon 9 Reusable Development Vehicle[editar | editar código-fonte]

Já em outubro de 2012, a SpaceX discutiu o desenvolvimento de um veículo de teste Grasshopper de segunda geração, que deveria ter pernas de trem de pouso mais leves que se dobram na lateral do foguete, um compartimento de motor diferente e seria quase 50% mais longo que o primeiro veículo Grasshopper.[95] Em março de 2013, a SpaceX anunciou que o maior veículo de voo suborbital da classe Grasshopper seria construído a partir do tanque de primeiro estágio do Falcon 9 v1.1, que foi usado para testes de qualificação nas instalações de desenvolvimento e teste de foguetes da SpaceX no início de 2013. Ele foi reconstruído como F9R Dev1 com pernas de pouso extensíveis. Cinco voos de teste ocorreram em 2014.[74]

O segundo veículo de teste de voo VTVL, F9R Dev1, construído a partir do mais longo tanque de primeiro estágio do Falcon 9 v1.1, com pernas de trem de pouso de pouso retráteis, fez seu primeiro voo de teste em 17 de abril de 2014.[74][92] F9R Dev1 foi usado para voos de teste de baixa altitude na área de McGregor, Texas, altitude máxima projetada abaixo de 3.000 metros,[74] com um total de cinco voos de teste, todos feitos durante 2014. Este veículo se autodestruiu como medida de segurança durante seu quinto voo de teste em 22 de agosto de 2014.[104]

Em abril de 2014, um terceiro veículo de teste de voo, F9R Dev2, estava sendo construído e planejado para voar na faixa de teste de alta altitude disponível no Spaceport America no Novo México, onde se esperava que voasse em altitudes de até 91.000 metros ou mais.[74] Nunca voou quando a SpaceX mudou o programa de teste de alta altitude para o teste de descida controlada de propulsores usados após seu uso em um lançamento orbital.

DragonFly[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Dragon 2 DragonFly

A DragonFly foi um protótipo de teste para uma versão de pouso propulsivo da cápsula espacial SpaceX Dragon, um veículo de lançamento reutilizável (RLV) suborbital, destinado a testes de voo em baixa altitude. Em maio de 2014, estava planejado passar por um programa de testes, na instalação de teste de foguetes de McGregor, no Texas, durante 2014-2015.[32][105]

O veículo de teste DragonFly é movido por oito motores SuperDraco, dispostos em um padrão redundante para suportar a tolerância a falhas no projeto do sistema de propulsão.[106] Os SuperDraco utilizam uma mistura de propelente armazenável de mono-metil hidrazina (MMH) e oxidante de tetróxido de nitrogênio (NTO), os mesmos propelentes usados nos propulsores Draco muito menores usados para controle de atitude e manobra na cápsula Dragon de primeira geração.[105] Enquanto os motores SuperDraco são capazes de 73.000 newtons de empuxo, durante o uso no veículo de teste de voo da DragonFly, cada um será reduzido para menos de 68.170 newtons para manter a estabilidade do veículo.[105]

Um programa de voo de teste de trinta voos foi proposto em 2013-2014, incluindo dois auxiliares de propulsão (paraquedas mais propulsores) e dois pouso propulsivo (sem paraquedas) em voos lançados de um helicóptero a uma altitude de aproximadamente 3.000 m. Os outros 26 voos de teste foram projetados para decolar de uma plataforma: oito para ser hops auxiliares de propulsão (pouso com paraquedas mais propulsores) e 18 para serem hops propulsivos completos, semelhantes aos voos de teste de estágio do Grasshopper e F9R Dev.[105][106] Em 2014, o programa de teste do DragonFly não deveria começar até depois da conclusão do teste do F9R Dev1 nas instalações de McGregor.[106]

Testes de voo pós-missão do Falcon 9[editar | editar código-fonte]

Tentativa de pouso do foguete auxiliar usado na missão SpaceX CRS-6, em 14 de abril de 2015
Ver artigo principal: Testes de pouso do primeiro estágio do Falcon 9

Em um arranjo altamente incomum para veículos de lançamento, a SpaceX começou em 2013 usando alguns dos primeiros estágios dos foguetes Falcon 9 v1.1 para testes de voo de descida controlada propulsivo depois de completarem a fase de reforço de um voo orbital. Desde o advento dos voos espaciais em 1957, os propulsores de veículos de lançamento normalmente eram descartados apenas após colocarem suas cargas em seu caminho. Os testes sobre a água iniciados pela SpaceX ocorreram nos oceanos Pacífico e Atlântico ao sul da Base da Força Aérea de Vandenberg e a leste da Estação da Força Aérea do Cabo Canaveral. O primeiro teste de voo ocorreu em 29 de setembro de 2013, após o segundo estágio com as cargas CASSIOPE e nanosat ser separada do foguete auxiliar. Esses testes de descida e pouso simulado continuaram ao longo dos próximos dois anos, com o segundo teste de voo ocorrendo em 18 de abril de 2014,[26][29][90] mais dois testes em 2014 e quatro testes subsequentes conduzidos em 2015.[107] A SpaceX continuou a fazer mudanças iterativas e incrementais no projeto do foguete auxiliar, bem como nas tecnologias reutilizáveis específicas, perfil de descida e margens do propelente, em alguns voos do Falcon 9 e Falcon Heavy em 2016-2018 para ajustar o projeto e os parâmetros operacionais. Muitos desses testes de descida e pouso foram testados em missões de voo espacial orbital ativo para clientes da SpaceX enquanto o foguete auxiliar entrava novamente na atmosfera e tentava pousos recuperáveis.

Reentrada e descida controlada[editar | editar código-fonte]

Após a análise dos dados de teste de voo da primeira descida controlada de um foguete auxiliar em setembro de 2013, a SpaceX anunciou que haviam testado com sucesso uma grande quantidade de novas tecnologias sobre o voo, e isso junto com os avanços tecnológicos feitos no demonstrador de pouso em baixa altitude Grasshopper, eles estavam prontos para testar uma recuperação completa do estágio. O primeiro teste de voo foi bem sucedido; A SpaceX disse que foi "capaz de fazer a transição com sucesso do vácuo para o hipersônico, para o supersônico, para o transônico, e queimar os motores por todo o caminho e controlar o estágio por toda [a atmosfera]".[25] Elon Musk disse: "a próxima tentativa de recuperação do primeiro estágio do Falcon 9 será no quarto voo do foguete atualizado. Este seria [o] terceiro voo comercial de carga da Dragon para a ISS".[27]

Este segundo teste de voo ocorreu durante o voo da Dragon em abril de 2014 para a Estação Espacial Internacional (ISS). A SpaceX conectou pernas de trem de pouso ao primeiro estágio, desacelerou-o sobre o oceano e tentou um pouso simulado sobre a água, após a ignição do segundo estágio na terceira missão de reabastecimento de carga contratada para a NASA. O primeiro estágio foi desacelerado com sucesso o suficiente para um pouso suave sobre o Oceano Atlântico.[29] A SpaceX anunciou em fevereiro de 2014 a intenção de continuar os testes para pousar o foguete auxiliar de primeiro estágio no oceano até que o controle de precisão do hipersônico até os regimes subsônicos tenha sido comprovado.[90] Cinco testes adicionais de descida controlada foram conduzidos no restante de 2014 até abril de 2015, incluindo duas tentativas de pousar em uma plataforma flutuante de pouso, uma balsa-drone, no Oceano Atlântico, a leste do local de lançamento, ambos trouxeram o veículo para a plataforma de pouso, mas nenhum deles resultou em um pouso bem-sucedido.

Primeiro pouso no solo[editar | editar código-fonte]

O pouso do primeiro estágio do voo 20 do Falcon 9 vista de um helicóptero, 22 de dezembro de 2015

Veja também[editar | editar código-fonte]

Referências

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