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Falcon 9 da SpaceX sofre pane e acaba pousando na água

A SpaceX conseguiu mais uma missão perfeita, exceto pela parte que não deu certo. Depois de 30 pousos bem-sucedidos um Falcon 9 sofreu uma pane na descida, mas calma, ele não morreu, só se molhou um pouco.

06/12/2018 às 14:52

Hoje a SpaceX fez seu 20o lançamento no ano. Como os outros 19, missão dada é missão cumprida. A cápsula Dragon foi colocada na órbita exata para encontrar a Estação Espacial e entregar mais de três toneladas de suprimentos, experimentos e comida de rato. Além de alguns milhares de vermes. O único ponto negativo foi no pouso do primeiro estágio do Falcon 9, que sofreu uma… anomalia.

Para entendermos o que aconteceu é preciso antes apreciar a complexidade do pouso de um Falcon 9, algo que ninguém mais no mundo faz; foguetes são como um caminhão 0 km que entrega uma geladeira e depois são jogados no mar. Como alguém quer manter uma economia viável com esse modelo, ninguém sabe.

Não que seja simples, um foguete reverter seu curso é o ato mais antinatural conhecido pelo Homem, ou pela mulher, se ela não for a Katherine Johnson ou a Gwynne Shotwell.

A SpaceX tem duas manobras para pouso. Quando a missão consome muito combustível, o Falcon 9 segue uma trajetória parabólica e pousa na balsa. Se é uma missão mais tranquila ele reverte a direção e pousa na mesma área de onde foi lançado:

Para a volta ao local de lançamento o Falcon 9 executa as seguintes manobras:

1 – Gira 180 graus e aciona três de seus nove motores Merlin, anulando a velocidade horizontal e mudando a direção de seu movimento, que antes se afastava e agora se aproxima de onde saiu. Ele só usa três motores por estar muito mais leve, sem carregar o segundo estágio, nem a maior parte do combustível que usou pra subir.

2 – Quando o Falcon 9 começa a cair em direção ao local de pouso, ele começa a acumular velocidade. Para que ele não desça rápido demais e queime na reentrada, ele faz a chamada queima de reentrada, acionando os motores mais uma vez.

3 – Nos momentos finais do pouso o Falcon 9 ainda está supersônico. Precisa desacelerar, mas está tão leve que mesmo um único motor na potência mínima faria com que ele subisse, se acionado no solo. A descida é calculada para que a desaceleração causada por aquele motor faça com que a velocidade do Falcon 9 seja zero quando a altitude for zero. O motor então é desligado antes que o Falcon 9 comece a subir de volta.

Nisso tudo o Falcon 9 está o tempo todo corrigindo sua trajetória, mas como um foguete faz isso?

Existem quatro formas básicas de um foguete alterar sua trajetória, todas têm vantagens e desvantagens.

1 – Aletas

A experiência com aviões levou os projetistas a usarem os mesmos métodos de controle: Uma superfície estabilizadora com uma parte móvel que altera o fluxo de ar, e graças a Newton, o foguete se move na direção oposta. Repare na ponta das aletas deste foguete V2, as pecinhas móveis. Não precisa mais que isso, em grande velocidade.

O problema aqui é que quanto mais alto você chega, menos autoridade aerodinâmica as superfícies de controle têm, e no vácuo, elas são mais inúteis que o seu cunhado, aquele inútil.

2 – Empuxo Vetorial

Outra forma de controlar a direção de um foguete é alterar a saída da exaustão, se ao invés de seguir o vetor de velocidade do foguete, a exaustão se inclinar, o correspondente movimento é aplicado ao resto do foguete. Isso pode ser feito com aletas direto na exaustão, como as V2 também tinham. Claro, isso não funciona pra foguetes maiores e com gases de exaustão mais quentes. Aí a solução é mover a biqueira inteira do motor:

A desvantagem aqui é que não funciona pra manobras sutis, e o motor precisa estar ligado. Acionar o motor principal quando você está acoplando com a Estação Espacial é uma forma excelente de ganhar um pontapé no traseiro e nunca mais pilotar nada mais poderoso que um Lada.

3 – Motores Vernier

A idéia aqui é usar empuxo vetorial, mas fixo. Vernier é um nome dado a pequenos motores auxiliares que são acionados em potência variável, gerando um empuxo desbalanceado, forçando o foguete em determinada direção. Eles também são usados para afastar estágios no momento da separação, como no caso do Saturno V.

Aqui um propulsor de um Soyuz, note que há quatro motores Vernier em volta dos motores principais.

A desvantagem é que eles são pesados, complexos e consomem precioso combustível

4 – Jatos de manobra

Os motores Vernier são legais, mas colocar motores em todos os lugares onde o foguete precisa rotacionar tornaria tudo muito caro e complexo. Às vezes é preciso um ajuste fino, e isso é feito com jatos de manobra de baixa potência espalhados pela nave. O módulo de pouso da Apolo tinha 16 motores de manobra:

Apesar disso, 16 motores não acrescentavam tanto peso, pois eram extremamente simples. Eles usavam combustível hipergólico, uma categoria de substâncias que se entram em contato com um oxidante, pega fogo automaticamente, sem depender de fatores externos.

A SpaceX (e na verdade todo mundo) usa algo mais simples ainda, jatos de manobra de gás frio. É a simplicidade em pessoa, um reservatório de gás sob alta pressão, em geral nitrogênio, uma válvula solenoide e uma biqueira de exaustão. Você abre a válvula, o gás sai, ação reação, the end.

Neste vídeo dá pra ver como a Soyuz aciona o tempo todo os jatos de manobra, pra atracar na ISS:

As desvantagens dos jatos de manobra são principalmente o gás, que se você não calcular direito, acaba. A SpaceX perdeu um Falcon 9 por causa disso. Eles também são menos potentes que um Vernier.

O Acidente

Depois de colocar o segundo estágio a caminho, o Falcon 9 acionou seus propulsores de nitrogênio, girou 180 graus e então acionou três motores Merlin para reverter seu movimento. Quando começou a descida, ele abriu as X-wings, as grades de manobra.

Essas grades são usadas em veículos que atingem velocidades muito altas. Se fossem lisas como ailerons normais de aviões, a pressão do ar sobre elas as arrancaria. Por serem gradeadas a maior parte do ar passa por elas, somente uma pequena fração atinge as partes sólidas, mas essa fração é suficiente para manobrar o foguete na descida.

No caso do Falcon 9, elas eram de alumínio, como na foto abaixo. Atualmente são um pouco maiores, e feitas de Titânio.

Quando a manobra de desaceleração acabou, o Falcon 9 estava apenas na velocidade do som, e acelerando. As grades deveriam prover capacidade de manobra E alguma desaceleração, mas subitamente elas pararam de se mover, com uma delas inclinada. O foguete naquela configuração começou a girar, descontrolado.

O sistema de controle percebeu que havia um problema e abortou a manobra final, que é direcionar o Falcon 9 para a plataforma de pouso. O procedimento é sempre mirar em um ponto no mar, e só mudar para a plataforma se tudo estiver perfeito.

Jatos de manobra não foram suficientes para conter a rotação do foguete, que continuava descendo, mas aí entraram em ação dois fatores: A autoridade aerodinâmica – isso é a capacidade de afetar a direção do veículo- das grades diminui com a velocidade, e nesse momento o Falcon iniciou a queima de pouso.

Um único motor Merlin foi acionado, reduzindo drasticamente a velocidade E a eficiência das grades. Ao mesmo tempo com o motor funcionando, o software ganhou mais uma forma de tentar controlar o foguete: O empuxo vetorial. A beleza do projeto é que o Merlin é extremamente eficiente, o sistema hidráulico que controla o movimento do motor é pressurizado pelo próprio combustível. Então, menos peso.

Só que não é tão simples. O software só tem um motor para atuar. Você está lidando com um movimento giratório e precisa combater isso movendo em alguns graus o motor.

Mudando o ângulo do motor você faz o foguete rotacionar, mas também o faz se inclinar, é preciso compensar a inclinação sem afetar a rotação. Só que isso tudo tem que ser feito com o foguete girando, então a soma das forças que, um momento atrás estava dentro dos parâmetros calculados, agora não está mais. É preciso recalcular tudo dinamicamente, levando em conta milhares de fatores, inclusive o atraso de resposta das partes mecânicas.

É como se você estivesse em uma cadeira giratória, girando bem rápido e para parar seu movimento só pudesse usar um extintor de incêndio apontado para cima, movendo-o só alguns graus em qualquer direção.

Aqui um vídeo de 2003 da SpaceX testando os atuadores hidráulicos do Merlin:

Eu falei que ele tem que fazer isso tudo ainda calculando a velocidade de descida para chegar no chão a 0 km/h.

Eu não tenho nem ideia de onde começar um software desses, e tenho quase certeza de que não é feito em PHP, mas seja lá qual for a macumbaria tecnológica que o pessoal da SpaceX usa, funcionou muito mais do que o esperado. O software corrigiu a rotação no último momento, e praticamente pousou na água:

Neste vídeo aqui dá pra ver como o empuxo vetorial é usado ao máximo, o motor corrigindo a rotação e a inclinação no último momento:

Segundo Elon Musk, as quatro grades de manobra usam o mesmo sistema hidráulico, com a mesma bomba, então quando a bomba travou todas pararam de funcionar. Por não ser um sistema de missão crítica, não há redundância, mesmo assim ele pretende instalar uma segunda bomba e um novo conjunto de linhas hidráulicas, pra isso nunca mais acontecer.

Mesmo assim o Falcon 9 ainda está bem melhor que a concorrência. Depois de pousar no mar, ele continuou flutuando e enviando telemetria como um bom menino. Musk disse que ele será recuperado e usado em alguma missão interna da SpaceX.

Por enquanto ele já mandou um navio inspecionar o foguete, e até algumas horas atrás ainda estava boiando malemolente, esperando a turma da engenharia bater cabeça pra descobrir como se resgata 40 metros de foguete sem custar uma fortuna, nem arriscar a vida de algum marinheiro.

Considerando que se ignorarmos o altamente experimental pouso do booster central do Falcon Heavy, foram TRINTA pousos bem-sucedidos em seguida. Dá pra dizer que a SpaceX acostumou a gente mal, mas o melhor é que eles mesmos não estão felizes. Mesmo um ponto secundário, como pousar o foguete, precisa ser perfeito sempre, e pelo visto, é o que vai acontecer.

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