O acesso ao espaço é muito caro e é uma das principais razões que nos impede de continuar a explorar o sistema solar. Com a chegada de lançadores parcialmente reutilizáveis, ele pode começar a se mover. No entanto, estamos muito longe do sonho de um veículo espacial que seja tão fácil de usar quanto um carro ou um avião. Isto implicaria um veículo totalmente reutilizável e especialmente capaz de alcançar a órbita da Terra sem deixar cair seus estágios.
Foguetes multi-estágio provaram-se eficazes desde o início da era espacial
Todos os foguetes têm um design multiestágios porque a massa morta é o inimigo jurado do acesso à órbita. Para ter uma chance de ser orbitada, a grande maioria da massa de um lançador deve consistir em propelentes. Ao deixar cair a massa morta à medida e à medida da subida, garantimos a preservação desta proporção e, portanto, do desempenho do foguete. Existem muitas maneiras de fazer isso. Podemos empilhar estágios, cada um com seus próprios motores, um sobre o outro ou até mesmo um ao lado do outro.
Com uma arquitetura que usa boosters, temos foguetes de dois ou três estágios que também podem usar vários boosters liberáveis. Funciona muito bem, mesmo que necessariamente as possibilidades de reutilização de todos os elementos sejam limitadas. Este projeto foi rapidamente imposto nos primeiros lançadores da era espacial. Alguns engenheiros, no entanto, tentaram imaginar lançadores de estágio único (SSTO), que é percebido como a chave para a reutilização total e, portanto, um custo reduzido de acesso ao espaço.
Os conceitos de lançadores de estágio único (SSTO) enfrentam muitos desafios técnicos
Se nenhuma dessas máquinas está voando hoje, é porque esse tipo de arquitetura impõe restrições radicais. Como manter a massa do lançador no mínimo sem jogar nada durante a viagem? Como construir um motor eficiente em todos os estágios do vôo, com um forte poder de decolagem e um forte impulso específico uma vez fora da atmosfera? E especialmente como inserir uma carga útil quando a massa do veículo já apresenta muitos problemas? Este é o enigma que os lançadores SSTO (Single Stage To Orbit) estão tentando resolver, os veículos espaciais com desempenhos necessariamente mais baixos, mas que seriam compensados por uma reutilização total. Tem havido muitos conceitos de estudo sobre o assunto e alguns desses projetos ainda estão em desenvolvimento.
Já nos anos 60, Philip Bono, engenheiro da Douglas, imaginou uma série de conceitos cada vez mais avançados. Os primeiros conceitos enganam um pouco usando tanques de combustível descartáveis, mas muito rapidamente ele retorna com arquiteturas realmente SSTO, e especialmente reutilizáveis. Seus primeiros trabalhos destacam as principais tecnologias de tal arquitetura. Para Philip Bono, um lançador da SSTO deve ser capaz de decolar e aterrissar verticalmente (VTVL = Vertical Takeoff e Vertical Landing). O lançador deve ter a forma de um foguete e não de um avião, porque as asas são um peso morto muito importante. Apenas o par hidrogênio-oxigênio pode oferecer a força e o impulso específico requeridos para todas as fases do vôo.
O demonstrador Delta Clipper SSTO foi testado nos anos 90
As idéias de Philip Bono causaram uma grande impressão na McDonnell Douglas, que começou a desenvolver o demonstrador Delta Clipper no início dos anos 90. Este demonstrador oferece uma visão geral em pequena escala do que seria esse tipo de arquitetura: forma cônica do foguete, motores hidrológicos, empuxo modular, materiais leves e a necessidade de proteção térmica para reentrada atmosférica.
O Delta Clipper fez 12 vôos. Ele nunca passou de 3 quilômetros, mas esse demonstrador conseguiu demonstrar o alto potencial de reutilização dessa arquitetura, às vezes com pouco mais de 24 horas entre dois voos. O programa Delta Clipper nunca levou a um modelo orbital, mas alguns dos engenheiros que trabalharam no projeto estão agora na Blue Origin.
Um conceito de avião espacial foi desenvolvido pela Lockheed Martin antes de ser cancelado
Embora Philip Bono não acreditasse nisso, a ideia de um veículo na forma de um avião seduziu outras equipes. Mais ou menos na mesma época em que McDonnell Douglas estava testando o Delta Clipper, a Lockheed Martin estava começando a trabalhar no X-33. Foi um demonstrador para testar todas as tecnologias necessárias para desenvolver um veículo SSTO.
A Lockheed Martin e a NASA identificaram um conjunto de tecnologias que possibilitariam tal projeto: uma forma para facilitar a reentrada atmosférica, uma decolagem vertical e uma aterrissagem horizontal, bicos de aerospyke adaptados a todas as fases do vôo, o uso do par de hidrogênio e oxigênio líquido. O X-33 foi em grande parte para usar materiais compostos para minimizar o peso do combustível. Para a NASA, essas foram as chaves para projetar um veículo que pudesse voar novamente em poucos dias e exigir menos manutenção.
A Agência Espacial dos EUA viu neste programa a chance de tornar o acesso à órbita da Terra dez vezes mais seguro e dez vezes mais barato. Mas isso não correu tão bem. O projeto foi cancelado em 2001 devido a dificuldades técnicas. Em particular, a fabricação de tanques de combustível feitos de materiais compósitos. É uma pena quando sabemos que os tanques de fibra de carbono criogênica já fizeram enormes progressos.
O modelo SSTO não interessa a muitas pessoas porque existem outras soluções comprovadas
Hoje, não podemos dizer que os veículos da SSTO geram um grande interesse. A recuperação parcial parece estar valendo a pena, uma vez que a SpaceX provou que o salto tecnológico não é tão importante. Ainda há uma equipe no Reino Unido que quer acreditar no desenvolvimento do avião espacial Skylon.
Para realmente tornar as arquiteturas SSTO interessantes, talvez tenhamos que estudar outras soluções além da propulsão química. Com a energia nuclear, podemos ter um poder elevado e um grande impulso específico. Os motores nucleares atingiram estágios avançados de desenvolvimento já na década de 1960. A propulsão nuclear térmica forneceria impulso ao relaxar o hidrogênio através do calor de um reator. Isso resultaria em um impulso forte, mas que permanece insuficiente para impulsionar um primeiro estágio ou um veículo SSTO.
Nenhum veículo espacial SSTO será lançado em breve
John Bucknell, um ex-engenheiro do motor Raptor da SpaceX, imaginou em 2015 uma maneira de melhorar o poder e a eficiência de tal sistema. Na maneira do avião espacial Skylon, seria uma questão de extrair ar para a atmosfera para adicionar um ciclo de combustão à propulsão nuclear térmica. Em tal motor, o hidrogênio é expandido primeiramente sendo aquecido por um reator nuclear e então é injetado em uma câmara de combustão onde se queima em contato com o ar atmosférico. Isso resulta em um grande aumento no impulso e no impulso específico durante a primeira fase do vôo.
John Bucknell acredita que tal sistema produziria um poderoso foguete SSTO capaz de entregar uma grande carga útil em órbita e além. Obviamente, deveria ser reutilizável para ser economicamente viável, porque as tecnologias aplicadas são muito complexas. Tal motor provavelmente não será desenvolvido por muito tempo, nem um veículo orbital SSTO. As restrições ainda parecem muito importantes em comparação com o ganho esperado.
Até agora, uma outra pista é prevista para permitir a reutilização total de veículos espaciais. O SpaceX Starship e seu booster mantêm a arquitetura em dois estágios, mas tentamos recuperá-los separadamente. Não há necessidade de uma ruptura tecnológica fundamental. Se o Starship conseguir um dia aterrissar na Lua ou no planeta Marte, ela terá que decolar novamente para aterrissar na Terra, como um veículo real da SSTO.
Images by A. Mann / Glenn Research Center [Public domain] / NASA/MSFC [Public domain]
Fontes
