RESUMO

Há décadas que a Indústria Aeroespacial tem lidado com um problema complexo, sério e delicado que impede que foguetes possam colocar carga útil no espaço sem que antes os cientistas e engenheiros possam resolver uma série de cálculos para desenvolver e produzir um foguete de maneira mais eficiente e económico possível.

Daí que a empresa SpinLaunch que é uma construtora de foguetes alternativos, pretende mudar o actual cenário de lançamento de pequenos satélites, a partir de uma centrífuga a vácuo, tendo um braço feito de fibra de carbónio, e também, um projéctil, como um pequeno satélite (CubeSat) dentro numa das pontas, e na outra ponta da estrutura, um contrapeso para manter a mesma estrutura balançado. Essa estrutura, vai girar por cerca de uma hora atingindo cerca de 450 rpm (rotação por minuto), de modos que o projéctil atinja 8.000 km/h, que depois é solto em direcção ao espaço.

Uma vez passada a densa camada da atmosfera, abre-se o foguete e são ligados os propulsores para colocar o pequeno satélite em órbita.

A ideia é bastante inovadora e promete reduzir os custos de lançamento de pequenos satélites em até 10 vezes e fazendo 10 lançamentos por dia. Números impensáveis com os foguetes tradicionais actuais, mesmo recorrendo aos foguetes reutilizáveis como o Falcon9 da spacex que precisam aproximadamente 21 dias entre um lançamento e outro. Usando o mesmo foguete e todo o sistema da SpinLaunch é movido pela energia eléctrica.

Os testes realizados pela empresa até agora resultaram em velocidades de 1.900km/h e altitude atingida de 9km.

Essa nova tecnologia representa uma mais-valia para os países emergentes no sector espacial como o nosso, visto o tempo e os recursos necessários para o desenvolvimento de um foguete tradicionais é muito longo e de uma complexidade monstruosa.

 

• INTRODUÇÃO

Fundada em 2014, a SpinLaunch que é uma construtora de foguetes alternativos aos tradicionais, desenvolveu uma nova maneira de se chegar ao espaço. Com o apoio de líderes do sector em capital de risco e engenharia, incluindo Airbus, Google e Kleiner Perkins, a SpinLaunch está escalando rapidamente sua equipa para implantar a sua tecnologia no mercado. O objectivo da SpinLaunch é ajudar a mudar o cenário da indústria de lançamento de foguetes e ser parte integrante de uma equipe que opera em um ambiente de alta energia.

A nova tecnologia de lançamento de pequenos satélites, SpinLaunch, é uma centrífuga a vácuo gigante e promete revolucionar o lançamento de pequenos satélites, reduzindo custos em até 10 vezes.

A SpinLaunch é um sistema que contém dois motores eléctricos acoplados a um sistema de engrenagem, que vai girar um braço com um contrapeso em uma ponta e um pequeno satélite (CubeSat) na outra, o contrapeso serve para manter o centro de massa do sistema depois que o projéctil é solto.

O sistema vai girar durante uma hora, acelerando até que a cápsula atinge a velocidade linear de 8.000 km/h que supera a velocidade orbital necessária para atingir a órbita baixa, depois disso, será liberada como um projéctil. 

O sistema de lançamento orbital terá uma inclinação de 35º e o sistema de lançamento suborbital estará disposto verticalmente.

Quando estiver próximo da órbita final ou posição final, a cápsula vai abrir e accionar o primeiro estágio de um pequeno foguete, e depois o segundo estágio, basicamente é uma fisga gigante, que ao invés de arremessar uma pedra, ela arremessa um pequeno satélite super sensível. 

Funciona como a ideia da gravidade assistida que utiliza a energia cinética do planeta para acelerar uma sonda espacial, o projéctil recebe a energia cinética do sistema em rotação com o objectivo de atingir a velocidade orbital ou somente suborbital do pequeno satélite.

Segundo a empresa que esta a desenvolver a SpinLaunch, esse pequeno satélite vai atingir acelerações de 10.000 a 20.000 g, introduzindo uma série de problemática.

Principais problemas:

1. O primeiro grande problema é produzir componentes electrónicos para os pequenos satélites que sejam capazes de suportar essas acelerações ou forças tão grandes, uma vez que no mercado não existe componentes desse tipo;
2. Manter vácuo o sistema para reduzir a força de atrito;
3. Altas velocidades em baixa altitude que causam grandes temperaturas na cápsula visto que a pressão dinâmica q=12V2 é maior porque temos velocidades enormes no ponto de maior densidade, tendo assim uma enorme força de atrito e aquecimento, algo que os foguetes tradicionais evitam;
4. Oscilações do projéctil durante a subida;
5. Precisão necessária para soltar o projéctil no momento exacto a fim de que ela segue uma trajectória definido dentro do tubo de lançamento;
6. Contrapeso equivalente para cada carga útil a ser lançado;
7. Limitações em lançar carga útil grande;
8. Consumo de energia necessária para acelerar o projéctil até 8.000 km/h, sabendo que essa solução é a mais barata e seguro em relação a foguetes tradicionais;
9. Como o pequeno satélite pode suportar as grandes forças giratórias em 10.000 ou 20.000 vezes mais que a força de gravidade.

Principais objectivos da nova tecnologia:

• Longo prazo: 10 lançamentos de pequenos satélites por dia;
• Curto prazo: 5 lançamento de pequenos satélites por dia;
• Lançamento de pequenos satélites de até 200kg

• DESENVOLVIMENTO 

• Acelerador suborbital (A33)

A estrutura A33 é um acelerador suborbital de 34m de diâmetro na fase de testes, basicamente é uma enorme câmara de vácuo. A versão final terá o raio de 45m para voos suborbitais, tendo no centro um enorme braço giratório feito em fibra de carbónio, esse braço é accionado por dois motores eléctricos e na ponta do braço é colocado um projéctil ou mini foguete a ser desenvolvido, contendo no interior a carga útil ou seja um pequeno satélite acoplado com dois estágios de mini foguete para o impulso final até a órbita.

O braço gira durante uma hora até que o projéctil atinja a velocidade linear de 8.000 km/h a cerca de 450 rpm.

Uma vez atingida essa velocidade, um mecanismo muito preciso, vai soltar o projéctil em direcção ao tubo de saída para seguir o seu rumo no espaço.

Com esse conceito, pode-se reduzir os actuais problemas que as empresas do sector aeroespaciais enfrentam ou seja colocar carga útil no espaço.

Em 22 de Outubro de 2021, o primeiro lançamento impulsionou com sucesso um veículo de teste em velocidades supersónicas e terminou com a recuperação do veículo de vôo reutilizável. 

• Acelerador orbital

O Orbital Launch System é uma maneira fundamentalmente nova de alcançar o espaço. O aumento de velocidade fornecido pelo accionamento eléctrico do acelerador resulta em uma redução de 4x no combustível necessário para atingir a órbita, uma redução de 10x no custo e a capacidade de lançar várias vezes por dia. Os primeiros lançamentos para clientes estão planeados para 2025.

Com os planos da indústria de lançar dez vezes o número de pequenos satélites na próxima década, é mais urgente do que nunca desenvolver uma tecnologia de acesso espacial ambientalmente sustentável. Como os satélites lançados cineticamente saem da estratosfera sem um foguete, a SpinLaunch permite um futuro no qual se lança constelações de satélites e cargas espaciais.
Em um futuro em que um grande número de pessoas está viajando para o espaço – estruturas, equipamentos e suprimentos necessários para apoiar a civilização no espaço também devem ser lançados. Para que dezenas de milhares de pessoas um dia trabalhem e vivam no espaço, milhões de toneladas de infraestrutura e suprimentos devem ser lançados. A SpinLaunch garante que isso pode ser feito com o menor impacto ambiental possível.

Componente do sistema Orbital Launch System para o lançamento cinético:

• Tether;
• Câmara de vácuo;
• Accionamento de motor eléctrico;
• Veículo de lançamento ou projéctil;
• Túnel de lançamento;
• Mecanismo de liberação do veículo.

“Os engenheiros da SpinLaunch estão a desenvolver uma nova classe de satélites de custo ultrabaixo para ambientes de alto g. Pode ser difícil imaginar um satélite delicado sobrevivendo a um lançamento cinético. A intuição sugere que eles precisariam ser pesados, caros e com desempenho comprometido. No entanto, por meio de um projecto mecânico básico, prototipagem e testes de alto g, a SpinLaunch provou que materiais e processos padrão podem ser usados para construir facilmente satélites para lançamento cinético que funcionam tão bem quanto seus equivalentes convencionais.

As estruturas mecânicas, baterias, sistemas de propulsão e painéis solares que estão em desenvolvimento e em testes, não têm aumento significativo de massa e custo. Com a experiência interna da SpinLaunch e os recursos de teste high-g, os clientes podem aproveitar o lançamento cinético sem compromisso.”

OS PEQUENOS SATÉLITES EM DESENVOLVIMENTO E SEUS COMPONENTES

O S-20 é um pequeno satélite de baixo custo, projectado para rápido desenvolvimento e implantação de constelações comerciais. É a combinação de tamanho ideal para uma variedade de aplicações, incluindo constelações LEO que fornecem serviços como Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B), Internet das Coisas (IoT), comunicações Machine to Machine (M2M), Automated Identification Services (AIS) ou plataformas de comunicações de emergência. O pequeno satélite também é ideal para prototipagem, desenvolvimento de tecnologia e experimentação, como pesquisa científica, P&D de sistemas espaciais, qualificação de vôo ou Observação da Terra (EO).

O S-200 é uma plataforma de pequenos satélites de baixo custo e altamente flexível para aplicações de baixa órbita terrestre. O projecto oferece alto desempenho para uma variedade de cargas úteis, como telecomunicações e observação global da Terra. O S-200 aproveita a abordagem exclusiva da SpinLaunch para produzir componentes espaciais de alta qualidade e com menor massa.

O SP-125 é uma base de painel solar desenvolvida pela SpinLaunch para os pequenos satélites, apresenta células solares baseadas em pastilhas de silício projectadas sob medida. As células de silício são modificadas para limitar a degradação causada pela radiação e suportar a vida útil da missão para constelações LEO comuns de cinco ou mais anos. Além disso, as células usam um design de junção simplificado que permite a cobertura máxima do espaço utilizável do painel.

Cada painel pode ser usado como autónomo ou combinado em uma matriz implantável para nossos barramentos S-20 e S-200. A estrutura e os mecanismos de implantação são projectados para a ampla faixa de temperaturas normalmente observadas no ambiente espacial. A estrutura da base de alumínio, com suporte de fibra de carbono, foi projectada para melhorar a distribuição térmica. Isso ajuda a melhorar o desempenho das células individuais para manter as células em uma temperatura consistente, melhorando a eficiência geral do sistema.

O HT-200 é um propulsor de efeito Hall da classe de 1KW projectado para atender às necessidades da missão do pequeno satélite S-200. As opções de propulsores planejados para o sistema incluem xenônio, criptônio e iodo. Cada propelente oferece um perfil de impulso e Isp (Impulso Específico) exclusivo com base nos perfis de tensão e potência escolhidos. Um design de cátodo central ajuda a manter o sistema compacto e limita a necessidade de suporte de massa adicional.

O design do sistema de potência é optimizado para operar a 1000W; mas pode variar de 750W a 1500W para permitir que um operador optimize com base nas necessidades da missão. Os tanques de propulsão são dimensionados de forma personalizada para cada missão, garantindo que a quantidade mínima de massa seja adicionada ao sistema.​​

A bateria BP-20 foi projectada para flexibilidade, expansão e utilização máxima. Usando a nova tecnologia de impressão 3D para alumínio, foi criado uma estrutura forte e leve que ajuda a suportar as baterias durante o lançamento. O alumínio também atua como uma ferramenta integrada da gestão térmico, que mantém a temperatura da bateria no espaço. O design exclusivo permite a produção em massa de baixo custo sem comprometer o desempenho.​​

As baterias podem ser facilmente combinadas em série ou em paralelo para aumentar a capacidade com base nas necessidades da missão. Os pacotes são projectados para integração simplificada e podem ser facilmente vinculados, eliminando a necessidade de reprojetar os pacotes de bateria para aumentar a capacidade. O pacote inclui células automotivos de alta densidade de energia com herança de voo espacial e recursos internos de protecção térmica. O BP-20 é a bateria padrão incluída no barramento S-20 e foi projectada para funcionar directamente com nosso módulo EPS para fácil integração.

Perguntas e respondidas frequentes sobre a nova tecnologia 

1. Como as estruturas e componentes dos pequenos satélites responderão ao ambiente high-g?

Durante a análise inicial de viabilidade da arquitectura global do SpinLaunch, uma área de interesse principal foi o g-hardening. Como tal, foi realizada uma avaliação aprofundada em exemplos existentes da indústria de sensores e sistemas com capacidade de alto g. Pesquisas iniciais identificaram exemplos promissores de sistemas complexos de alto g na indústria, incluindo Drones lançados de artilharia com asas implantáveis, propulsão e óptica. Após a conclusão do protótipo de 12m, um sistema capaz de testar mais de 20.000 g, a equipe de engenharia da SpinLaunch começou a avaliar uma variedade de pacotes de hardware nos 10.000 g que nos componentes suportam durante o lançamento. Por meio desses testes, pode se demonstrar a impressionante capacidade dos sistemas de satélite de lidar prontamente com o ambiente centrípeto.

1. Quando o veículo lançador sair da câmara de vácuo, ele atingirá uma parede de ar e será danificado ou queimará devido ao aquecimento aerotérmico?

Na década de 1960, a High Altitude Research Project demonstrou que grandes e complexos veículos lançadores podiam atravessar do vácuo para a atmosfera a velocidades de Mach 6. Embora o veículo não seja danificado ao entrar na atmosfera mas a ponta de veículo lançador atua como um dissipador de calor, absorvendo quaisquer cargas aerotérmicas experimentadas durante o vôo. A carga de aquecimento é menor do que os outros exemplos de indústria de vôo de alta velocidade.

1. O que torna o SpinLaunch possível agora?

A fibra de carbono moderna e a electrónica em miniatura são as razões mais relevantes pelas quais a SpinLaunch não era possível até recentemente. A fibra de carbono surgiu como um compósito de alta resistência no início da década de 1960 e apenas recentemente passou de aplicações aeroespaciais limitadas para uso industrial generalizado. Materiais de baixo custo e alta resistência ao peso, como a fibra de carbono moderna, são uma parte crítica do que torna a SpinLaunch possível, enquanto a electrónica moderna, materiais e ferramentas de simulação permitem que os satélites sejam adaptados ao ambiente de lançamento cinético com relativa facilidade.

1. Quais tamanhos e tipos de satélites o SpinLaunch pode implantar?

SpinLaunch é optimizado para lançar constelações de um grande número de pequenos satélites a baixo custo. O sistema de lançamento de primeira geração é projectado para lançar satélites com peso de até 200 kg. Segundo as melhores práticas de projecto desenvolvidas pela equipe do Sistema Espacial, a maioria das arquitecturas de satélite pode ser prontamente adaptada para operar no ambiente de lançamento exclusivo do SpinLaunch.

1. O lançamento cria um estrondo sónico?

Sim, no entanto, ele não tem um impacto sónico maior do que um foguete tradicional decolando. Durante o lançamento, um estrondo sónico de curta duração é projectado para fora a para cima ao longo da trajectória do veículo lançador. A SpinLaunch usa metodologias padrão do sector para avaliar e cumprir os requisitos da Federal Aviation Administration para análise de perfil de ruído da mesma forma que os lançamentos de foguetes tradicionais.

1. Onde fica o local de lançamento?

O local de lançamento orbital e suborbital da SpinLaunch está no Spaceport America, no Novo México (USA).

VANTAGENS DA NOVA TECNOLOGIA 

• Não é necessário a utilização de propulsão líquida na fase de decolo, visto que é uma tecnologia extremamente complexo e exige muito tempo de pesquisa, desenvolvimento e produção;
• Não é necessário a utilização de propulsão sólida na fase de decolo, visto que é extremamente perigoso a sua produção e gestão;
• Utilização de conceitos de Gravity Assist, que são necessárias para as futuras missões interplanetárias;
• Possibilidade de inovação tecnológico;
• Acesso relativamente fácil ao espaço;
• Redução dos custos no acesso ao espaço;
• Utilização de energia limpa.

DESVANTAGENS DA NOVA TECNOLOGIA

• Realização de novos componentes electrónico que suportam altas acelerações que vão até 20.000 g e altas temperaturas, uma vez que o mercado actual não dispõem destes elementos;
• Limitação do lançamento de satélites de grande porte;
• Reprojetar novos componentes para os pequenos satélites;
• Criação do vácuo numa estrutura enorme;
• Gestão da alta pressão dinâmica de 10.000 vezes maior que dos foguetes tradicionais, é como que o projéctil estivesse a impactar uma parede, é um fenómeno causada pelas forças aerodinâmicas,
• Grandes dificuldades em estabilizar a trajectória do projéctil;
• Manter o centro de massa do sistema, uma vez solta o projéctil e o contrapeso ao mesmo tempo.

• CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS

A SpinLaunch iniçou o desenvolvimento no início de 2015, e menos de dois anos depois, a empresa ultrapassou o recorde de velocidades de ponta rotacionais mais rápidas e, posteriormente, realizou centenas de lançamentos em seu laboratório. Em Outubro de 2021, o primeiro lançamento do Sistema Suborbital validou a tecnologia e marcou um marco importante.

A equipe de engenharia de Sistemas Espaciais da SpinLaunch está trabalhando com fornecedores, clientes e universidades de todo o mundo para permitir a implantação rápida e económica de pequenas constelações de satélites. 

Uma vez desenvolvido um pequeno satélite (CubeSat), o GGPEN pode entrar em contacto com a empresa que esta a desenvolver essa nova tecnologia para saber como uma missão pode voar com o SpinLaunch.

Essa mesma tecnologia, pode ser usada na Lua, visto que a densidade da atmosfera é quase nulo. Com essa nova tecnologia, os futuros lançamentos não precisarão usar combustível solido ou liquido que e muito caro e complexo.

Na minha humilde opinião “esse novo conceito de fazer lançamento de pequenos satélites, pode ser a melhor forma de países que estão a dar os primeiros passos na ciências e tecnologia espacial como Angola, a entrarem no mercado de lançamento de foguetes, um mercado importante para o sector espacial”. 

• REFERÊNCIAS

• • https://www.spinlaunch.com/;
  • https://www.spinlaunch.com/space-systems#subsystems-catalog;
  • Optimization Methods in Space Mechanics School of Aerospace Engineering, Academic year 2015/2016 – Prof. Paolo Teofilatto;
  • Dispense del Corso di Propulsione Aerospaziale, Anno Accademico 2011/12 – Francesco Nasuti, Diego Lentini, Fausto Gamma
  • Orbital Mechanics for Engineering Students – Howard D. Curtis ((3ºEdtion);

• Fondamenti di Meccanica Del Volo Spaziale – Giovanni Mengali, Alessandro A. Quarta;

• Space Exploration System 2015/2016 – Automation, Robotics and Controls for the Aerospace Lab Sapienza-University of Rome “Interplanetary Transfers”, Prof. Fabio Curti;

Autor

Alfredo Bungo
Especialista em Suporte à Navegação Balística
Licenciado em Engenharia Aeroespacial, pela Universidade “La Sapienza” de Roma (Itália), na especialidade de Trajetórias Interplanetárias.