Shuttle 2.0: Os Superboosters Reutilizáveis Podem Reativar Missões Orbitais e Viagens Hipersônicas ao Redor do Globo usando esse tipo de nave?
A matéria "Empresa dos EUA Quer Substituir 'Foguetes Com Estágios' Por Um 'Ônibus Espacial' de Estágio Único" (veja aqui), publicada recentemente (03/09/2024), reacendeu um desejo há muito tempo adormecido e discute os planos da empresa Radian Aerospace, sediada em Seattle, para desenvolver um foguete de estágio único (SSTO) chamado Radian One. Esse conceito, que elimina a necessidade de descarte de partes do foguete durante o voo, foi inicialmente explorado pela NASA na década de 1990 com o projeto X-33, que acabou sendo cancelado devido a desafios técnicos.
A Radian Aerospace, cofundada por Livingston Holder, ex-gerente do programa X-33, pretende superar esses desafios utilizando novas tecnologias, como materiais mais leves e motores mais eficientes. O Radian One será lançado de um trenó movido a foguete que atinge alta velocidade antes de liberar o avião espacial, que então continua a subida para a órbita.
A Radian acredita que essa abordagem pode reduzir significativamente os custos de lançamento e tornar a exploração espacial mais acessível. O avião espacial Radian One será reutilizável até 100 vezes e poderá realizar várias missões, incluindo o lançamento de satélites e operações de ajuda humanitária. A empresa espera testar um modelo em escala do avião este ano e iniciar testes de voo completos em 2028.
Inspirados por essa matéria e pela nova realidade tecnológica e mercadológica do setor espacial, surgiu a hipótese de uma solução intermediária entre sistemas de múltiplos estágios (descartáveis ou não), obviamente mais complexos, e uma solução SSTO "puro sangue". Esta última, ainda inédita, enfrentaria desafios técnicos significativos, como os propostos pela Radian.
Baseados nessas premissas e considerando a hipótese formulada, seria possível, com as tecnologias e sistemas espaciais que temos hoje, já maduros ou muito próximos de qualificação em voo, criar um Ônibus Espacial (Space Shuttle) 2.0 para o mercado de missões orbitais e viagens hipersônicas ao redor do globo?
Boosters Reutilizáveis e a Revolução dos Lançamentos Espaciais
Nos últimos anos, a introdução de boosters reutilizáveis, como o Falcon 9 da SpaceX e os futuros Superheavy e New Glenn (ainda em desenvolvimento), marcou uma revolução na indústria aeroespacial. Esses avanços tecnológicos têm o potencial de reduzir drasticamente os custos associados aos lançamentos espaciais, tornando o acesso ao espaço cada vez mais sustentável, acessível e frequente.
Falcon 9 e Superheavy: A Disrupção sem precedentes da SpaceX
O Falcon 9, desenvolvido pela SpaceX, foi o primeiro foguete orbital a alcançar a reutilização bem-sucedida de seus boosters, com a recuperação e pouso vertical dos mesmos após o lançamento. Desde 2015, a SpaceX vem aprimorando suas técnicas de recuperação, permitindo a reutilização de componentes caros que antes eram descartados após cada missão, o que diminuiu significativamente os custos de recondicionamento para novas missões.
A SpaceX expandiu esse conceito com o desenvolvimento do Superheavy, o primeiro estágio do sistema Starship. Projetado para ser totalmente reutilizável, o Superheavy é capaz de transportar cargas muito maiores para a órbita terrestre e além. A visão da SpaceX é que a reutilização total de foguetes, como o Superheavy e a Starship, permitirá missões interplanetárias, como a colonização de Marte, a um custo muito menor do que o possível com sistemas descartáveis ou semi-reutilizáveis.
New Glenn: A Aposta da Blue Origin
Seguindo os passos da SpaceX, a Blue Origin, fundada por Jeff Bezos, está desenvolvendo o New Glenn, um foguete de grande porte com um booster reutilizável. O New Glenn, previsto para voar pela primeira vez em 2024, é projetado para ser reutilizado até 25 vezes, reduzindo ainda mais os custos de lançamento. A reutilização é central para a estratégia da Blue Origin de tornar as viagens espaciais mais frequentes e acessíveis, com a empresa já tendo demonstrado a reutilização em seus lançamentos suborbitais com o foguete New Shepard.
O New Glenn também utiliza tecnologias avançadas, como motores BE-4 movidos a gás natural líquido, que oferecem desempenho superior e maior sustentabilidade em comparação com motores de gerações anteriores.
Impacto na Redução de Custos e o Futuro das Operações Espaciais
A reutilização de boosters está transformando a economia dos lançamentos espaciais. Historicamente, o maior custo de um lançamento espacial era a construção dos próprios foguetes, que eram descartados após um único uso. Com a introdução de boosters reutilizáveis, esse modelo mudou, permitindo que empresas espaciais lancem foguetes com mais frequência e a um custo muito menor.
As tecnologias de pouso autônomo, combinadas com novos materiais e métodos de fabricação, estão permitindo que foguetes sejam reutilizados com intervalos curtos entre missões. A SpaceX, por exemplo, já reutilizou boosters em menos de 60 dias, uma conquista impensável há uma década.
Figura 03 - Foguetes reutilizáveis.A redução dos custos de lançamento está abrindo novas oportunidades no espaço, incluindo a proliferação de constelações de satélites de baixa órbita, o aumento das missões científicas e comerciais, e até mesmo o turismo espacial. Empresas e governos estão cada vez mais interessados em explorar o espaço, agora que o acesso se tornou mais econômico e confiável.
Além disso, a tecnologia de boosters reutilizáveis está incentivando o desenvolvimento de novos veículos e infraestruturas espaciais, como plataformas de reabastecimento em órbita e sistemas de transporte interplanetário. À medida que essas tecnologias evoluem, podemos esperar uma expansão significativa nas atividades humanas no espaço, com o objetivo final de estabelecer uma presença sustentável além da Terra.
Um pouco do Histórico dos Principais Sistemas / Projetos Reutilizãveis
Para compreender melhor o cenário atual e o potencial de sistemas (parcialmente ou totalmente) reutilizáveis, faz-se necessário conhecer um pouco dos primórdios dos sistemas transportadores equivalentes ao ônibus espacial das décadas de 1970 a 1990, antes do New Space.
O Ônibus Espacial Americano: Histórico, Desafios e Fim das Operações
O programa do ônibus espacial (Space Shuttle) da NASA, lançado na década de 1970, foi uma resposta ao desejo de criar um veículo espacial reutilizável, capaz de reduzir os custos de acesso ao espaço. O Shuttle, composto por um orbitador, um tanque externo descartável e dois propulsores de combustível sólido, foi pioneiro em sua categoria em muitos aspectos, mas também enfrentou inúmeros desafios.
Durante suas três décadas de operação, o Shuttle realizou 135 missões, levando astronautas e cargas para a órbita baixa da Terra, incluindo o lançamento de satélites, a construção da Estação Espacial Internacional (ISS) e missões de reparo, como a do Telescópio Espacial Hubble. No entanto, o programa também foi marcado por tragédias, como os desastres do Challenger em 1986 e do Columbia em 2003, que resultaram na perda de 14 astronautas e levantaram sérias questões sobre a segurança e a viabilidade do sistema.
Além dos riscos, o programa do Shuttle se tornou notoriamente caro. Apesar da reutilização do orbitador e dos propulsores, o custo operacional se mostrou muito maior do que o inicialmente previsto. Cada missão do Shuttle acabou custando cerca de US$ 450 milhões, o que contribuiu para o encerramento do programa em 2011, deixando os Estados Unidos sem meios próprios para acesso ao espaço até 2020. A decisão foi impulsionada pela questão da segurança, dos custos, mas também pela necessidade de buscar alternativas mais econômicas e seguras para o transporte espacial, o que acabou levando ao desenvolvimento de novos sistemas de acesso ao espaço, como o foguete Falcon 9 e as naves Dragon e Crew Dragon da SpaceX.
O Buran: Uma História Breve, mas Ambiciosa da União Soviética
O sistema Buran, desenvolvido pela União Soviética em resposta ao programa do Shuttle americano, foi um projeto ambicioso do final da Guerra Fria que visava criar um sistema de transporte espacial reutilizável similar ao dos Estados Unidos. O Buran era externamente semelhante ao Shuttle, mas apresentava várias diferenças significativas, incluindo a capacidade de voar de forma totalmente autônoma, sem tripulação a bordo.
Além disso, diferentemente do Shuttle, o Buran utilizava como estágios para ascensão orbital um sistema portador completo e independente, extremamente poderoso, chamado Energia.
Figura 05 - Comcepção artística do voo do Buran.Lançado pela primeira e única vez em 1988, o Buran completou com sucesso uma missão orbital não tripulada, demonstrando suas capacidades tecnológicas. No entanto, o programa enfrentou enormes desafios financeiros e políticos, exacerbados pelo colapso da União Soviética. Com custosastronômicos e a falta de uma justificativa econômica clara para a continuidade do projeto, o programa Buran foi cancelado em 1993, sem nunca ter realizado uma missão tripulada.
Assim como o Shuttle, o Buran representou um marco na exploração espacial, mas também serviu como um lembrete dos desafios financeiros e técnicos envolvidos no desenvolvimento de veículos espaciais reutilizáveis.
X-33: Histórico, Desafios e Legado do sonho de um SSTO
O X-33 foi um projeto da NASA lançado na década de 1990, com o objetivo de desenvolver uma aeronave espacial experimental que pudesse operar como um veículo de estágio único para órbita (Single Stage to Orbit - SSTO). O projeto era parte de uma iniciativa mais ampla chamada "Reusable Launch Vehicle" (RLV), cujo objetivo era reduzir drasticamente os custos de acesso ao espaço ao criar veículos totalmente reutilizáveis. O X-33 era um demonstrador tecnológico que poderia levar ao desenvolvimento do VentureStar, um veículo comercial de transporte espacial.
O projeto X-33 começou em 1996 como uma parceria público-privada entre a NASA e a Lockheed Martin. A ideia era criar uma nave espacial que pudesse ser lançada verticalmente como um foguete, mas pousar horizontalmente como um avião, eliminando a necessidade de múltiplos estágios que se descartam durante o voo. O X-33 foi baseado em um design inovador conhecido como "lifting body," que utilizava a fuselagem para gerar sustentação, ao invés das tradicionais asas.
Apesar das grandes expectativas, o projeto X-33 enfrentou uma série de desafios técnicos e financeiros significativos que acabaram levando ao seu cancelamento:
- Tecnologia de Tanques de Combustível: Um dos maiores desafios foi o desenvolvimento de tanques de combustível feitos de materiais compostos avançados. Esses tanques precisavam ser leves o suficiente para permitir que a aeronave atingisse a órbita, mas ao mesmo tempo fortes o suficiente para suportar as enormes pressões e temperaturas durante o voo. Durante o desenvolvimento, ocorreram falhas críticas nesses tanques, o que atrasou o projeto.
- Propulsão: O X-33 utilizaria motores de ciclo fechado, o que era tecnicamente desafiador na época. Esses motores deveriam ser altamente eficientes, mas a complexidade do sistema tornou o desenvolvimento mais difícil do que o esperado.
- Custo: À medida que o projeto avançava, os custos começaram a aumentar substancialmente. A estimativa original para o desenvolvimento do X-33 foi rapidamente superada pelos desafios técnicos, o que fez com que os investidores e a própria NASA reconsiderassem o valor do projeto.
Em 2001, após vários atrasos e desafios técnicos persistentes, a NASA decidiu cancelar o projeto X-33. O cancelamento foi resultado de uma combinação de fatores: o fracasso em resolver os problemas técnicos, os custos crescentes e a avaliação de que o projeto não atingiria seus objetivos dentro de um orçamento razoável.
O cancelamento do X-33 foi um golpe significativo para os esforços de criar veículos espaciais totalmente reutilizáveis, e representou uma pausa na busca por um sistema SSTO. No entanto, as lições aprendidas com o X-33 influenciaram projetos futuros de veículos espaciais, tanto na NASA quanto na iniciativa privada, como visto nos desenvolvimentos subsequentes de empresas como a SpaceX.
Embora o X-33 nunca tenha voado, o projeto deixou um legado de inovação que continua a inspirar novas tentativas de reduzir os custos de acesso ao espaço através de tecnologias avançadas e veículos reutilizáveis.
Tabela 1 - Comparativo dos veículos Space Shuttle, Buran e X-33.
Seria Possível um Novo Shuttle Impulsionado pelo Booster Superheavy para Missões Orbitais e Transporte Global?
Com os avanços recentes em tecnologias espaciais, como o desenvolvimento de boosters reutilizáveis, exemplificados pelo primeiro estágio do Falcon 9 e pelo poderoso Superheavy da SpaceX, surge a possibilidade de revitalizar o conceito do ônibus espacial (Shuttle) com uma abordagem inovadora. Este cenário envolve a utilização de um Novo Shuttle, acoplado a um booster Superheavy, para missões orbitais de carga e tripulação, além de seu potencial como um transportador hipersônico para viagens entre localidades antípodas (com coordenadas diametralmente opostas) na Terra.
Figura 07 - Comparativo (escala aproximada) das dimensões de um shuttle (para lançamento e somente o orbitador) com a Starship e o Superheavy. Em verdade, devido à evolução tecnológica dos sistemas e materiais empregados na indústria espacial atual, não existe a menor possibilidade de se "reativar" um ônibus espacial aposentado para exercer as missões ora hipoteticamente aventadas. O que se busca explorar com a presente hipótese é a inspiração e o uso do conceito de orbitador tripulado para as atividades primárias de transporte comercial médio-pesado de pessoal, considerando a complexidade, riscos operacionais e potencial desconforto para a tripulação/passageiros de uma Starship tripulada. As manobras de reentrada orbital, frenagem atmosférica (belly flop) e pouso final com o "landing flip" (giro final para o pouso), devido às manobras abruptas e às altas forças G resultantes, devem ser, a princípio, proibitivas para a maioria das pessoas, mesmo aquelas com boa saúde e boa tolerância a "emoções".
É nesse sentido que, existindo (hipoteticamente) uma nave equivalente ao Shuttle com uma massa estimada de 92.000 kg, um booster do porte do Superheavy teria plena capacidade de impulsionar essa nave para uma órbita baixa da Terra ou para um voo suborbital entre localidades antípodas. A combinação de um booster único, potente e reutilizável, com um sistema que pode transportar pessoas e pousar como um avião, poderia fazer todo o sentido e ser comercialmente mais viável para missões orbitais privadas, comerciais e/ou governamentais.
Tabela 2 - Comparativo dos veículos Space Shuttle e Satarship / Superheavy.
Evolução Tecnológica e Redução de Custos
Uma das principais vantagens de combinar um Novo Shuttle (Shuttle 2.0) com o booster Superheavy está na redução significativa de custos operacionais. O esquema original do Shuttle, que utilizava um tanque externo descartável e propulsores de combustível sólido, era notoriamente caro. Em contrapartida, o uso do Superheavy como veículo de lançamento não apenas se beneficia da reutilização do booster, como também potencialmente elimina a necessidade dos componentes descartáveis. Essa nova configuração permitiria a reutilização do sistema em várias missões, tornando o custo por lançamento significativamente menor e mais competitivo em relação às soluções contemporâneas, como a Starship da SpaceX.
Segurança e Controle Avançado
Uma das vantagens críticas da proposta de utilização do Novo Shuttle com o Superheavy é a segurança aprimorada durante as fases de voo e pouso. Ao contrário do design da Starship, que requer uma complexa manobra de belly flop e captura com chopsticks, o Shuttle original (ou um Novo Shuttle) pode pousar como uma aeronave convencional. Este método de pouso oferece maior controle e segurança, aproveitando décadas de experiência operacional acumulada pela NASA com o Shuttle original. Além disso, com a miniaturização dos sistemas eletrônicos, a introdução de materiais mais leves e resistentes, e o uso de sistemas de navegação modernos como GBAS e SBAS, a confiabilidade do Shuttle seria ainda mais aprimorada.
Desempenho e Aplicações Versáteis
A combinação de uma nave Shuttle-Like com o Superheavy também oferece a flexibilidade de ser utilizada tanto para missões orbitais de carga e tripulação quanto para transporte rápido de longa distância. O design híbrido permite que o Novo Shuttle seja lançado verticalmente, como ocorre com um foguete tradicional, mas execute a fase final de voo e pouso de forma similar a uma aeronave, permitindo operações em pistas convencionais.
Figura 08 - Concepção artística da motagem de um Shuttle (escala aproximada) sobre um Superheavy utilizando um tanque conformacional para diminuir o problema da assimetria e para garantir reserva de combustível para manorbras de orbitação e deorbitação.. Além das missões orbitais, o conceito de utilizar o Shuttle impulsionado pelo Superheavy como um transportador hipersônico para viagens entre localidades antípodas é particularmente interessante. Com a capacidade de atingir velocidades hipersônicas em órbita baixa, o Shuttle poderia reduzir significativamente o tempo de viagem entre pontos opostos do globo, oferecendo uma alternativa eficiente e rápida aos métodos de transporte atuais.
Viabilidade Técnica e Econômica
Apesar dos avanços tecnológicos, a viabilidade técnica e econômica de um sistema que combine uma nave similar ao Shuttle com o booster Superheavy é uma hipótese que precisaria ser mais cuidadosamente avaliada. As comparações entre as dimensões e capacidades do Shuttle, da Starship e do Superheavy mostram que a integração física entre esses sistemas é possível. Contudo, a grande questão reside na capacidade deste sistema competir economicamente com outras soluções de lançamento existentes, como a Starship, que oferece a possibilidade de lançar múltiplas cargas em um único voo a um custo relativamente baixo.
Figura 09 - Pouso do shuttle. Ainda que em termos de complexidade e conforto da fase final do voo sugiram que a configuração New Shuttle-Superheavy seja melhor para tripulação/passageiros do que a Starship-Superheavy, essa hipótese ainda teria que demonstrar não apenas a viabilidade técnica, mas também a capacidade de operar a custos comparáveis ou inferiores aos da Starship, o que exigiria um estudo e um esforço significativo em termos de redesign e otimização de recursos/custos.
Conclusão
A ideia hipotética apresentada de combinar uma nave Shuttle-Like com o booster Superheavy é intrigante e visa analisar em perspectiva a solução Starship-Superheavy tradicional, sob a ótica de novas possibilidades tanto para missões orbitais quanto para o transporte global hipersônico.
Ao se sugerir integrar a robustez e melhor operabilidade do Shuttle com a potência e a reutilização do Superheavy, esse sistema híbrido poderia oferecer uma alternativa segura, econômica e operacionalmente mais confortável e amigável para tripulações e/ou passageiros, para uma variedade de missões espaciais e terrestres.
No entanto, fora do campo da hipótese, a viabilidade real e o potencial sucesso desse conceito dependeriam de sua capacidade de competir, técnica e economicamente, com as tecnologias atuais, especialmente no que diz respeito à Starship, que, mesmo sem estar operacional, já está estabelecendo novos padrões de desempenho e capacidades no setor espacial.
Por fim, se uma solução New Shuttle-Superheavy for realmente viável, ela poderia marcar uma nova era na exploração espacial e no transporte rápido global, combinando o melhor de ambos os mundos em um único sistema avançado e completamente reutilizável, ainda que não fosse um SSTO.
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Enquanto certo lugar vai teimar com a Old Space.
ResponderExcluirParabéns Professor Rui Botelho em compartilhar o seu Artigo.
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