Os defensores do vôo espacial sonharam em construir lançadores reutilizáveis, pois eles oferecem relativa simplicidade operacional e o potencial de custos reduzidos significativos comparados aos veículos descartáveis. Entretanto, os lançadores reutilizáveis também são tecnologicamente muito mais difíceis de construir. Os experimentadores alemães foram os primeiros a avaliar, durante os anos de 1920 e 1930, o desenvolvimento de um veículo de lançamento reutilizável (RLV, em inglês).
O lançamento bem sucedido e retorno dependem de todos os sistemas funcionando em sincronia durante todo o ciclo da missão, à medida que eles atravessam regimes ambientais distintos. Na fase de lançamento, o veículo reutilizável e seu impulsionador (booster), com qualquer tancagem de propelente associada, deve operar como um foguete de alto desempenho, erguendo centenas de milhares de quilogramas em Baixa Órbita Terrestre (LEO, em inglês). No espaço, o veículo reutilizável funciona como uma espaçonave orbital manobrável na qual considerações aerodinâmicas são discutíveis. Entretanto, durante a reentrada na atmosfera e a redução para velocidades subsônicas, o controle da aerodinâmica e do calor torna-se rapidamente extremamente importante, pois o veículo reutilizável deve voar através da atmosfera, primeiro a velocidades hipersônicas (maiores que Mach 5), então a velocidades supersônicas e, depois, a velocidades subsônicas. Finalmente, o veículo deve voar ou planar para um pouso seguro.
Pelo fato dos RLVs serem capazes de voar várias vezes, e pelo fato de eles deverem reentrar na atmosfera, eles estão sujeitos a tensões nos materiais e na estrutura principal que os veículos descartáveis não precisam suportar. Assim, construir um RLV impõem exigências extraordinárias em materiais e sistemas.
Histórico
As origens conceituais do primeiro veículo reutilizável para lançamento do mundo data de pelo menos os anos 1950, quando o Departamento de Defesa (DoD, em inglês) começou a estudar a viabilidade de um RLV no espaço para uma variedade de aplicações militares, incluindo reconhecimento automático, interceptação anti-satélite e manobras com armas. A Força Aérea e a NASA anteviram um planador em asa delta que levaria um piloto em órbita no topo de um foguete Titan II ou III. Custos crescentes e outras prioridades rivais levaram ao cancelamento do programa em 1963.
Em 1962, em um esforço para salvar o conceito reutilizável, os projetistas da Força Aérea voltaram-se para um desenho dois estágios para um conceito que eles começaram a chamar de Aerospaceplane. Sete companhias aeroespaciais receberam contratos para o projeto inicial. Em outubro de 1963, após estudar o programa Aerospaceplane por algum tempo, o Escritório de Conselho Científico do DoD chegou à conclusão que o programa estava levando a Força Aérea a negligenciar problemas convencionais na pesquisa de lançamento. O programa Aerospaceplane foi rapidamente cancelado.
Origens do Space Shuttle
O programa surgiu ainda durante o desenvolvimento do foguete Saturno V e do lançamento dos astronautas do programa Apollo para a Lua. Na época, o presidente Nixon tomou a decisão de 1972 de continuar com o desenvolvimento do Space Shuttle, já que os aspectos principais do projeto estavam definidos. Em dezembro de 1968, à medida que o programa espacial pós-Apollo ganhou velocidade, a NASA criou o Grupo de Trabalho do Space Shuttle para determinar as necessidades da agência para o transporte espacial. Este grupo de trabalho estabeleceu as missões básicas e características do tipo de veículo que a NASA esperava ganhar aprovação para desenvolver.
O relatório final do Grupo de Trabalho do Space Shuttle, emitido em julho de 1969, concluiu que um ILRV deveria ser capaz de:
• Apoiar logisticamente a Estação Espacial.
• Lançamento orbital e colocação de satélites.
• Lançamento e entrega de estágios propulsivos e cargas.
• Entrega orbital de propelente.
• Serviços e manutenção de satellites.
• Missões orbitais tripuladas de curta duração.
O desenho definitivo do orbitador Shuttle e de outros components do sistema dependiam de decisões sobre cinco características-chaves do orbitador:
• Capacidade e tamanho do compartimento de carga.
• Extensão da manobrabilidade lateral.
• Sistema de propulsão.
• Planagem ou pouso assistido por motor.
• Material primário estrutural.
Ao longo de 1971, os projetistas do Centro de Espaçonaves Tripuladas e do Centro de Vôo Espacial Marshall analisaram um número incrível de 29 desenhos diferentes do Shuttle, incorporando uma grande variedade de capacidade do orbitador, tanque de combustível de oxigênio e hidrogênio e os impulsionadores. No final de 1971, os projetistas tanto na NASA quanto na indústria estavam começando a perceber que o desenho mais eficiente economicamente para o sistema Shuttle era um orbitador com asa delta lançado verticalmente de um tanque externo carregando oxigênio e hidrogênio líquidos, flanqueados por foguetes impulsionadores. Ao colocar todo oxidante e combustível em um tanque externo permitiu aos projetistas reduzir o tamanho do orbitador. Ele também tornou o projeto e construção dos tanques de propelentes mais simples e, portanto, mais baratos. O desenho permitiu ao Shuttle carregar uma carga maior como uma fração do peso total inerte do veículo em relação a um sistema Shuttle totalmente reutilizável, dois estágios.
O administrador da NASA, James Fletcher (esquerda), apresenta ao presidente Richard Nixon o modelo do Space Shuttle em 1972
Em agosto de 1972, a North American Rockwell recebeu o contrato para projetar e desenvolver o orbitador do Shuttle. Mais tarde, a Morton Thiokol foi selecionada para produzir os SRBs. A NASA também selecionou a Martin Marietta para desenvolver o tanque externo. O Centro de Espaçonaves Tripuladas foi responsável pela supervisão do desenvolvimento e fabricação do SRB (Solid Rocket Booster, Foguete Impulsionador a Propelente Sólido), do SSME (Space Shuttle Main Engine, Motor Principal do Space Shuttle) e do tanque externo, e o Centro espacial Kennedy ficou responsável pelo desenvolvimento de métodos para a montagem, verificação e operações de lançamento do Space Shuttle.
A Rockwell começou a fabricar o Veículo Orbitador (OV-101) em 14 de junho de 1974; a companhia entregou o orbitador de sua planta em Palmdale, Califórnia, em 17 de setembro de 1976. O OV-101 não continha muitos dos subsistemas necessários para funcionar no espaço. Ele era capaz, assim, de servir somente como maquete em escala natural para vôo atmosférico; um comitê da NASA geralmente escolheria o nome do orbitador, mas os fãs da série de TV Jornada nas Estrelas fez pressão junto à NASA e ao Congresso para nomear o OV-101 de Enterprise, o nome da espaçonave da icônica série. Em 12 de agosto de 1977, o 747 transportou o Enterprise até 7,35 km, onde foi liberado para uma planagem de cinco minutos e pouso bem sucedido na base da Força Aérea em Edwards, na Califórinia. Após quatro vôos planados experimentais, a NASA encerrou ser programa de teste de vôo atmosférico e voltou-se para os testes de vibração e outros feitos em terra com o Enterprise.
Primeiro vôo do Enterprise
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A proteção térmica para a reentrada do Shuttle era um item de extrema importância desde os conceitos iniciais até os primeiros vôos do Shuttle. Os engenheiros da NASA resolveram o problema da reentrada para as cápsulas Mercury, Gemini e Apollo usando materiais ablativos que aqueciam e vaporizavam quando a cápsula encontrava a atmosfera superior na reentrada. Entretanto, estas cápsulas não eram projetadas para sofrer os rigores de vôos múltiplos e reentrada e, assim, eram descartadas após o uso. Cada orbitador Shuttle foi projetado para operar até 100 lançamentos e retornos. Seu sistema de proteção térmica tinha que ser robusto o suficiente para agüentar cargas térmicas repetidas e os rigores estruturais da reentrada. O sistema tinha que ser relativamente leve para manter o peso total do orbitador aceitavelmente baixo. Além disso, tinha que ser relativamente barato para ser trocado entre os vôos.
A NASA escolheu usar pastilhas de cerâmica isolantes coladas a uma estrutura leve. Um “escudo” de proteção térmica cerâmico também permitiu aos engenheiros da NASA usar alumínio para a estrutura do orbitador Shuttle. Problemas em instalar as pastilhas fizeram com que a NASA entregasse o primeiro orbitador qualificado para vôo, o Columbia, para o Centro Espacial Kennedy no início de 1979, antes mesmo que os técnicos da NASA tivessem concluído a instalação. Colar as pastilhas tornou-se, então, o elemento crítico na programação do primeiro lançamento do Shuttle. Originalmente planejado para 1978, por volta de março de 1979, a programação havia escorregado pelo menos por dois anos. O trabalho nas pastilhas continuou por 24 horas por dia, seis dias por semana, à medida que os técnicos lutavam para instalar mais de 30.000 pastilhas individuais.
O primeiro lançamento do ônibus espacial Columbia foi programado para 10 de abril; seria comandado pelos astronautas John Young e Robert Crippen. Após um atraso causado por problemas nos computadores, o lançamento aconteceu às 7:00 da manhã de 12 de abril de 1981. Young e Crippen orbitaram a Terra 37 vezes enquanto realizavam testes de rotina em vários componentes do Shuttle, tais como as portas do compartimento de carga, que foram abertas e fechadas. Enquanto orbitava a Terra, a NASA conseguiu que as câmeras de alta resolução da Força Aérea fotografassem o lado inferior para confirmar a integridade da proteção. Ao verificar as pastilhas em aparentemente bom estado, o Controle da Missão da NASA notificou os dois astronautas para prepararem-se para o retorno.
54 horas após o lançamento, o Columbia planou até um pouso bem sucedido na Base Área de Edwards. Apesar do Columbia ter aterrisado a uma velocidade mais rápida do que a planejada e ter corrido quase 1 km além de seu ponto de parada, o vôo provou a viabilidade do projeto do Shuttle.
Etapas de uma missão típica do ônibus espacial
Os vôos operacionais do Space Shuttle – Primeira Fase
Quando a NASA começou o desenvolvimento do Shuttle, a agência esperava que o veículo assumisse a responsabilidade total de levar os satélites dos EUA e outras cargas em órbita logo após atingir condição operacional completa. A NASA também esperava que outras nações usassem o Shuttle para acesso ao espaço, e a agência projetou uma taxa de vôo de 48/ano, começando em 1980. Tal taxa teria, segundo as estimativas da NASA, levado a um baixo custo por vôo e mesmo permitido que a NASA recuperar muito do seu investimento no sistema do Space Shuttle. Pela metade e final dos anos 1980, a NASA esperava que custos reduzidos para operar o sistema Shuttle permitiriam à agência investir em outros projetos, como a estação espacial. Este “concentrador de fundos Shuttle” tornou-se uma referência da política da NASA e a expectativa da agência para projetos de grande porte no futuro.
O orbitador tornou-se muito mais difícil e consumidor de tempo para manutenção e preparação para lançamento do que a NASA havia pensado. Isto foi conseqüência em parte da necessidade de corrigir deficiências no projeto do sistema, o que, por sua vez, manteve o sistema em um estado de desenvolvimento contínuo. O tempo de turnaround do orbitador (o tempo necessário para uma viagem de ida e volta) tornou-se o item de medida nos esforços para melhorar a taxa de lançamento do Shuttle. De 1983 a 1985, a NASA aumentou constantemente a taxa de vôo até que, em 1985, Eça estava capaz de lançar nove vôos.
Entretanto, o Space Shuttle provou ser incapaz de conseguir seu objetivo de peso de carga de 30 toneladas em LEO (inclinação orbital de 28º), que era necessário para lançar 18 toneladas em órbita polar. Este problema, combinado com a perda do Challenger em 1986 e o desenvolvimento do Titan IV, levou aos freqüentes atrasos do Shuttle e ao aumento do tempo entre o anúncio da carga no Shuttle e o vôo propriamente dito (cerca de 24 meses).
Perdendo o Challenger
A Comissão presidencial do acidente com o ônibus espacial Challenger, apoiada pela NASA e outras agências federais, juntou evidência, investigou a cadeia de eventos e realizou audições públicas.
Como a investigação revelou, a junta entre o primeiro e segundo segmento do motor foi rompida cerca de 59 segundos em vôo. Chamas da junta aberta atingiram o tanque externo e provocaram a ruptura dos tanques de hidrogênio e oxigênio líquidos. Em 69 segundos de vôo, fragmentos do Challenger podiam ser vistos contra o fundo de uma grande bola de fogo, provocada pela ignição de milhares de quilogramas de hidrogênio do tanque externo. O orbitador sofreu ruptura devido às enormes forças aerodinâmicas, que excederam em muito as especificações máximas do orbitador. Grandes partes do Challenger começaram a cair na atmosfera e na direção do Oceano Atlântico. A fuselagem de proa e o módulo da tripulação, ambas permanecendo relativamente intactas, chocaram-se contra a superfície do mar uns poucos segundos depois, matando todos os sete astronautas a bordo.
Fumaça negra saindo da junta entre os segmentos do motor
As audiências e o relatório que resultaram delas também expuseram publicamente um número de deficiências de gestão cruciais dentro da NASA, entre as quais estava a dificuldade do pessoal do fornecedor e de engenheiros de nível médio na NASA em levar a seriedade de problemas técnicos para os administradores de nível superior.
Alguns funcionários da NASA haviam inadvertidamente chegado ao ponto de pensar no Space Shuttle quase tão confiável quanto uma aeronave comercial. Entretanto, aeronaves tipicamente têm confiabilidades derivadas empiricamente (vôos bem sucedidos dividido por tentativas) se aproximando de 99,9999%, baseado em muitos milhares de vôos de veículos essencialmente idênticos. Antes dos primeiro lançamento do Shuttle, a NASA tinha enfrentado a dificuldade de estimar riscos de vôo baseados em estimativas detalhadas de experiência prévia com subsistemas, testes extensivos de subsistemas novos, e a quantidade de redundância construída em sistemas críticos. Baseada em tais considerações, a NASA projetou cada orbitador para ter uma probabilidade de 97% em 100 vôos, o que leva a uma exigência de cada vôo individual do Shuttle ter uma confiabilidade de pelo menos 99,97%. A confiabilidade real do Shuttle era incerta, mas um estudo da NASA estimou que ela estaria entre 97 e 99%.
O choque de perder o Challenger e sua tripulação também forçou os funcionários dentro da administração Reagan a reconsiderar que tipos de cargas o Shuttle poderia carregar. Em agosto de 1986, a administração emitiu um memorando sobre o uso do Shuttle, seguido de um documento formal de política em dezembro. Aquela política restringia as cargas do Shuttle àquelas exigindo as únicas capacidades do Shuttle ou precisando do Shuttle para propósitos de segurança nacional. Em particular, o Shuttle não seria mais usado para lançamento de satélites comerciais de comunicação.
A administração Reagan e o Congresso se empenharam rapidamente para substituir o orbitador perdido. Em maio de 1989, o presidente George Bush anunciou que o novo veículo seria chamado Endeavour, em homenagem ao famoso navio do capitão Cook. O novo veículo (OV-105) foi entregue ao Centro Espacial Kennedy em maio de 1991 e fez seu primeiro vôo em maio de 1992.
Retorno ao Vôo
Em 24 de março de 1986, bem antes das causas detalhadas da falha do Shuttle serem definitivamente estabelecidas, o novo Administrador Associado para Vôo Espacial, o antigo astronauta Richard H. Truly, anunciou uma estratégia de retornar o Shuttle para a condição de vôo. Entre outras coisas, seu memorando clamou por uma reestruturação do gerenciamento do programa inteiro e operação, e baseava-se em um plano para um “retorno conservador às operações”.
Durante o hiato em vôo, a NASA examinou todo elemento vulnerável do desenho do Shuttle e repensou as operações e preparação de lançamento do Shuttle. A NASA instituiu muitos novos procedimentos de segurança e substituiu os componentes do sistema substituídos.
Os procedimentos não eram somente maiores, mas tornaram-se mais complicados e intensos, trazendo mais dúvidas que a NASA pudesse inclusive planejar a taxa de lançamentos anuais de 24 vôos, mesmo se suficiente orçamento das cargas do Shuttle e serviços de lançamento tornassem possível apoiar tal taxa. Mais importante, contudo, a NASA redesenhou e testou os SRBs do Shuttle de modo que eles fossem menos propensos a falhas novamente, especialmente nas juntas entre os segmentos do motor.
Em 29 de setembro de 1988, o shuttle Discovery levantou vôo da plataforma 39B no Centro Espacial Kennedy, transportando uma tripulação de cinco em órbita (STS-26). O Discovery também transportou o substituto do Satélite de Retransmissão de Dados e Rastreamento (TDRS), uma das cargas perdidas quando o Challenger explodiu em janeiro de 1986. O vôo bem sucedido do Discovery e o lançamento do TDRS tiveram significado especial porque marcou o retorno do programa do ônibus espacial para condição de vôo e o fim de uma reavaliação dolorosa do acesso americano ao espaço.
O segundo e último vôo do Shuttle em 1988 (STS-27) aconteceu nove semanas após em 2 de dezembro, durante o qual o orbitador Atlantis transportou um satélite secreto do DoD em inclinação de alta órbita. O sucesso deste vôo agregou a confiança do DoD nos procedimentos de lançamentos revisados.
O Space Shuttle nos anos 1990
O acordo de 1993 entre a federação Russa e os Estados Unidos para incluir a Rússia como parceira na Estação espacial Internacional, teve um efeito importante na operação do Space Shuttle durante os anos 1990. Por um lado, a Rússia concordou em lançar parte da estação e ajudar no suprimento, reduzindo os encargos do ônibus espacial. Por outro lado, os Estados Unidos concordavam em colocar a estação em uma órbita de 51,6º, que reduzia a carga que o shuttle poderia transportar para uma órbita com alta inclinação.
O primeiro lançamento para a estação espacial russa Mir aconteceu durante junho de 1995 na STA-71. Em 29 de junho, o shuttle Atlantis fez o acoplamento com a Mir para entregar dois cosmonautas russos e retornar o astronauta Norman Thagard para a terra após 115 dias à bordo da etação russa. O programa Shuttle-Mir foi completado com a STS-91 em junho de 1998 após nove acoplamentos bem sucedidos com a Mir. Em 4 de dezembro de 1999, o shuttle Endeavour (STS-88) lançou o primeiro componente da Estação espacial Internacional em órbita, tornando o início do uso do Shuttle para o qual ele foi basicamente construído – transportar para e de uma estação espacial orbital permanente.
A Tragédia do Columbia e o Fim do Programa
Infelizmente, o destino não sorriu para o programa do ônibus especial. Em fevereiro de 2003, durante a reentrada na atmosfera após uma missão à Estação Espacial Internacional, o shuttle Columbia foi destruído, matando toda sua tripulação. No ano seguinte, o presidente George W. Bush ordenou o desativamento do programa space shuttle e a sua substituição pelo Programa Constellation.
A idéia por trás dessa reformulação era estabelecer objetivos claros para o programa espacial tripulado americano, como o retorno à Lua e uma viagem a Marte. Também contou para a aposentadoria do Shuttle o fato do alto custo do programa e o baixo retorno financeiro, sendo que o ônibus espacial estava servindo apenas para transporte de pessoas e equipamentos para a Estação Espacial.
Quando assumiu a presidência em 2009, Barack Obama resolveu fazer cortes orçamentários para fazer frente à crise econômica que se abateu sobre os EUA. A nova administração reformulou o programa espacial tripulado, cancelando o Constellation, mas mantendo a aposentadoria dos ônibus espaciais. As missões foram retomadas em julho de 2005, mas apenas para a conclusão dos compromissos americanos junto à Estação Espacial. Entre fevereiro e junho de 2011, foram realizados os últimos vôos operacionais deste programa.
Destino dos Shuttles Remanescentes
Enterprise
A “viagem final” do ônibus especial Enterprise foi pelo rio Hudson, em Nova York, para ser exposto no Intrepid Sea, Air and Space Museum.
Discovery
É o mais velho dos ônibus espaciais. Voou em 39 missões, sendo a primeira delas em 1984 e a última em março de 2011. No total, viajou 274 milhões de quilômetros, passando 365 dias no espaço.
Em abril, foi conduzido do Cabo Canaveral, na Flórida, para Virgínia, fazendo um sobrevoo pela capital americana, Washington. Ele já se encontra em exposição no Museu Nacional Aeroespacial Smithsonian, em Chantilly, Virgínia.
Endeavour
É a mais nova das aeronaves. Foi construída para substituir a Challenger, que explodiu durante seu lançamento, em janeiro de 1986. Voou em 25 missões, sendo a primeira em 1992, e a última em junho de 2011. Viajou quase 228 milhões de quilômetros e ficou 299 dias no espaço.
A Endeavour continua no Centro Espacial Kennedy, em Orlando, Flórida e vai ser levada via aérea em setembro para o Centro de Ciência da Califórnia, em Los Angeles.
Atlantis
Voou em 33 missões, sendo a primeira em 1985 e o última em julho de 2011. No total, viajou pouco mais de 233 milhões de quilômetros e ficou 307 dias no espaço.
O Atlantis continua no Centro Espacial Kennedy, em Orlando, Flórida e vai permanecer por lá. Em novembro, vai ser levado pela estrada para o complexo de visitantes do local.
Conclusão
O projeto do Space Shuttle foi um compromisso entre muitas considerações técnicas e políticas. Durante sua concepção, e ao longo de seu desenvolvimento e uso, virtualmente todo elemento do desenho do shuttle e seu uso foi criticado por alguém – algumas vezes por motivos técnicos, algumas vezes por seus altos custos, e algumas vezes pelas decisões questionáveis da NASA. Mesmo assim, este desenho de compromisso, apesar de caro e complexo para operar, é considerado hoje o mais avançado e versátil sistema de lançamento criado pelo homem.
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