Compósitos na corrida para o espaço

20 de julho de 2019 marcou o aniversário de 50 anos do primeiro Apollo alunagem. Embora, na época, o Apollo cápsula foi construída, a indústria de compósitos ainda estava em sua infância e os materiais ainda não estavam em uso generalizado, o Apollo capsule usou a tecnologia de compósitos iniciais na forma de um escudo térmico ablativo feito de Avcoat, uma resina epóxi novolac com fibras de sílica em uma matriz de favo de mel fenólica de fibra de vidro. Um favo de mel de fibra de vidro foi ligado à estrutura primária e o material pastoso foi injetado em cada célula individualmente. Desde Apollo , os compostos avançados evoluíram aos trancos e barrancos e desempenharam um papel significativo em programas espaciais com uso em veículos lançadores, ônibus espaciais, satélites, telescópios espaciais e a Estação Espacial Internacional.



Hoje, a raça humana se encontra preparada para alguns novos e emocionantes passos na exploração espacial. A administração atual pediu um retorno à lua dos astronautas dos EUA até 2024 e anunciou um orçamento de mais de US $ 25 bilhões para 2021 para o programa de exploração espacial humana da National Aeronautics and Space Administration (NASA, Washington, D.C., EUA). O administrador da NASA, Jim Bridenstine, diz que o orçamento é “um dos orçamentos mais fortes da história da NASA”.

Além de outra viagem à lua, a NASA tem missões atuais e futuras para estudar nosso sistema solar do sol às luas geladas dos planetas mais externos e além. Missões para explorar o sol estão em andamento:no momento em que este livro foi escrito, a Parker Solar Probe está monitorando a atmosfera do sol e um Solar Orbiter foi lançado com sucesso. Esforços também estão em andamento para promover a exploração de exoplanetas e galáxias distantes através da missão Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) e do Telescópio Espacial James Webb, o último dos quais avançou em direção ao lançamento no ano passado.

Novas espaçonaves e programas também resultaram nos últimos anos do aumento da colaboração entre agências espaciais nacionais e internacionais, bem como empresas comerciais. Por exemplo, SpaceX (Hawthorne, Califórnia, EUA), com seu Crew Dragon nave espacial e Boeing Space and Launch (Arlington, Va., EUA), com seu Starliner nave espacial, estão correndo em direção ao primeiro vôo espacial com tripulação dos EUA desde a descontinuação do programa do ônibus espacial em julho de 2011. As duas empresas têm realizado voos de teste com a NASA na esperança de uma missão com tripulação em 2021.

Do maior apoio do programa espacial da NASA ao crescimento explosivo do espaço comercial, a raça humana parece verdadeiramente preparada para a próxima grande era espacial. Compósitos e materiais avançados desempenham um papel cada vez mais importante na fabricação de lançadores, espaçonaves e instrumentos que tornam possível toda essa exploração.

Lua

O programa abrangente para devolver os humanos à lua tem o nome de Artemis, a deusa grega da lua e da caça, a irmã gêmea de Apolo - e o escopo do programa é vasto. Artemis irá estabelecer uma base em órbita lunar, permitindo que os astronautas não apenas explorem mais a lua, mas também usem a lua como um posto avançado para eventuais missões a Marte. Vários projetos compõem o Artemis programa, incluindo um novo sistema de lançamento pesado conhecido como Space Launch System (SLS), o Orion navio da tripulação, uma estação espacial em órbita lunar conhecida como Gateway e um módulo lunar. Compostos avançados influenciam em todos esses componentes de uma forma ou de outra.



Lançador pesado. SLS Rocket Stage sendo preparado para envio. Fonte | NASA

O Sistema de Lançamento Espacial (SLS)

O novo veículo de lançamento pesado da NASA visa permitir a exploração além da órbita da Terra. Em 2015, a NASA investiu em uma máquina de colocação automática de fibra (AFP) Electroimpact (Mukilteo, Wash., EUA) para fabricar peças de foguetes em grande escala que compreendem estruturas em sanduíche de mais de 8 metros de diâmetro feitas de camadas de fibra de carbono com um núcleo de alumínio em favo de mel. A cabeça AFP comporta até 16 carretéis de fibra de carbono e é posicionada na extremidade de um braço de robô de 21 pés que coloca as fibras em uma superfície de ferramenta em padrões precisos para formar estruturas de formatos e tamanhos variados.

Estruturas sanduíche semelhantes são criadas pela RUAG Space (Decatur, Ala., U.S.) usando um processo de disposição manual. A empresa está trabalhando com Dynetics (Huntsville, Ala., EUA) em um Adaptador Universal Stage (EUA) que irá juntar o estágio superior do SLS ao Orion módulo da tripulação. A RUAG Space irá fabricar a concha do adaptador com 8,4 metros de diâmetro, composta por quatro painéis de um quarto do núcleo em forma de favo de mel, que serão colados a quente (Saiba mais).

O veículo multifuncional da tripulação Orion

Composto por um módulo de comando fabricado pela Lockheed Martin (Bethesda, Md., EUA) e um módulo de serviço fornecido pela Agência Espacial Europeia (ESA, Paris, França) e fabricado pela Airbus Defence and Space (Ottobrunn, Alemanha), Orion é o coração do Artemis programa e levará astronautas ao espaço, servirá como veículo de exploração durante a viagem espacial e retornará a tripulação à Terra.

Orion O sistema de propulsão inclui vários componentes fabricados pela Aerojet Rocketdyne (Sacramento, Califórnia, EUA), incluindo oito motores biopropelentes auxiliares de empuxo de 110 libras baseados na família de motores R-4D da Aerojet Rocketdyne. A Aerojet Rocketdyne também fornece o motor de jettison do Sistema de Abortamento de Lançamento (LAS) e vasos de pressão revestidos de composto para a espaçonave. No início de 2020, a Aerojet Rocketdyne instalou uma máquina de enrolamento de fibra de carbono para produzir suas carcaças de motor de foguete sólido (Saiba mais).

Para reentrada, Orion usa um escudo térmico de fibra de carbono de 5 metros de diâmetro fabricado pela Lockheed Martin que é fabricado como uma estrutura em sanduíche com películas de fibra de carbono e um núcleo em forma de favo de mel de titânio. O escudo térmico é então coberto por painéis de Avcoat - o mesmo material ablativo usado para o Apollo missões (Saiba mais).

Quatro almofadas de compressão de material ablativo são fixadas ao escudo térmico com parafusos de titânio nos pontos onde o módulo de comando se conecta ao módulo de serviço. As almofadas de compressão devem resistir a cargas estruturais durante o lançamento e subida, bem como ao piro-choque (de parafusos explosivos) durante a separação dos dois módulos. Eles também devem atender às demandas de reentrada para resistência a altas temperaturas e ablação. Almofadas de fibra de carbono / fenólicas foram usadas no primeiro voo Orion veículo de teste, mas mostrou evidências de rachaduras interlaminares após o voo e foram substituídas por uma solução 3D tecida conhecida como 3D Multifuncional Ablative TPS (3D-MAT) que usa um material de quartzo trançado 3D da Bally Ribbon Mills (Bally, Pa., EUA ) e um sistema de resina de éster de cianato da Toray Advanced Composites (Saiba mais).

O portal da plataforma orbital lunar (LOP-G)

Gateway é uma estação espacial em órbita lunar que está sendo desenvolvida pela NASA junto com parceiros internacionais, incluindo agências espaciais russas, canadenses, japonesas e europeias. Gateway's o papel é apoiar a exploração da lua e servir como posto avançado para eventuais missões a Marte. Os vários módulos da estação estão em desenvolvimento e provavelmente empregarão materiais compostos de alguma forma.

Um Roll-Out Solar Array (ROSA) desenvolvido pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL; Dayton, Ohio, EUA) e Deployable Space Systems usando compósitos de alta deformação (HSC) serão usados ​​no programa Gateway. HSCs são materiais compostos finos e leves projetados para caber em pacotes pequenos e desdobrar. O sistema ROSA usa duas barras HSC de fibra de carbono para estender e tensionar uma grande manta de painel solar. (Saiba mais sobre HSCs).

Outra contribuição potencial para o Gateway é o Canadarm-3. Proposto pela Agência Espacial Canadense (Longueuil, Quebec, Canadá), o dispositivo é um braço robótico de 8,5 metros construído a partir de compostos de fibra de carbono. Os sistemas Canadarm anteriores foram usados ​​no ônibus espacial e na Estação Espacial Internacional (ISS).

Módulos de aterrissagem lunares

Numerosas empresas estão trabalhando em conceitos de sistema de pouso lunar para Artemis , todos os quais incluem potencial para materiais compostos. Por exemplo, Blue Origin (Kent, Wash., EUA) está fazendo parceria com Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Va., EUA) e Draper (Cambridge, Massachusetts, EUA) em um sistema proposto de pouso lunar de três veículos: Lua Azul da Blue Origin módulo lunar, um veículo "Transfer Element" fornecido pela Northrop Grumman que posicionará o sistema de pouso na órbita lunar, e um veículo "Ascent Element" fornecido pela Lockheed Martin que retornará os astronautas à órbita lunar da superfície da lua. Um sistema de orientação de descida e aviônicos de vôo serão fornecidos pela Draper. Diversas outras empresas que trabalham com conceitos de módulo lunar incluem Boeing, Dynetics, SpaceX e Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colorado e Madison, Wis., EUA).

Além de sondas lunares tripuladas, a NASA prevê a necessidade de sondas lunares de pequeno e médio porte para permitir uma variedade de investigações científicas e grandes cargas úteis de demonstração de tecnologia.

Ternos Artemis

Em outubro de 2019, a NASA revelou dois novos designs de traje espacial - uma nova Unidade de Mobilidade Extraveicular de Exploração (xEMU) e o traje Orion Crew Survival System (OCSS) - ambos os quais serão usados ​​para o Artemis programar missões lunares.

O traje xEMU oferece uma gama muito melhor de mobilidade em relação aos trajes atualmente em uso para atividade extraveicular (EVA). De acordo com a ILC Dover (Frederica, Del., EUA), que tem um relacionamento de longa data com a fabricação de trajes espaciais da NASA, o traje xEMU é uma atualização de um traje de caminhada entregue à NASA em 2016, conhecido como Z-2.

“Desde 2016, a ILC Dover continuou a aprimorar o design de trajes de caminhada, bem como trajes de entrada zero-ge e l aunch”, afirma Dan Klopp, marketing de produto da ILC Dover.

O protótipo do traje espacial Z-2 apresenta um torso de carbono / epóxi e elementos de quadril no design. (Consulte "Em Marte, não basta qualquer traje" para obter mais informações sobre o uso de compostos em trajes espaciais.)

O traje espacial OCSS da NASA é projetado como um traje pressurizado de lançamento e de entrada para Orion membros do grupo. Embora a NASA não tenha divulgado detalhes sobre os materiais no novo design, é seguro apostar que uma boa quantidade de compostos estão envolvidos. O lançamento da era do ônibus espacial e os trajes de entrada apresentavam uma camada externa de Meta-aramida Nomex resistente a chamas da DuPont (Richmond, Va., EUA). As Unidades de Mobilidade Extraveicular (EMUs) anteriores usaram combinações de Nomex, o para-aramida Kevlar (também desenvolvido pela DuPont) e Gore-Tex, uma membrana de tecido respirável à prova d'água fabricada pela W.L. Gore &Assoc. (Newark, Del., EUA) (Saiba mais).

Marte

Uma grande parte do Artemis iniciativa está preparando o terreno para enviar humanos a Marte. Nesse ínterim, a NASA também está trabalhando em uma missão não tripulada a Marte neste verão, que estabelecerá um novo rover robótico e um helicóptero exploratório robótico no planeta vermelho.

Um aeroshell em forma de cápsula protegerá o rover Mars 2020 durante a entrada na atmosfera de Marte e o pouso. O aeroshell é feito de um favo de mel de alumínio com revestimento de fibra de carbono. O escudo térmico usa um sistema de proteção térmica do ablador de carbono impregnado com fenólico (PICA).

O próprio Mars 2020 Rover tem aproximadamente 10 pés de comprimento, 9 pés de largura e 7 pés de altura (3 metros de comprimento, 2,7 metros de largura, 2,2 metros de altura). Embora a NASA não tenha divulgado detalhes sobre os materiais usados ​​para construir o rover, sabe-se que o Advanced Composites Training (ACT, Londres, Ontário, Canadá) serviu como consultor para o Jet Propulsion Laboratory da NASA (JPL, Pasadena, Califórnia, EUA ) sobre o uso de materiais compostos para a construção do rover Mars 2020 (Saiba mais).

Com 2.314 libras (1.050 quilos), o veículo espacial pesará menos do que um carro compacto médio. Ele precisa ser leve e durável para a jornada ao planeta vermelho, e também precisa ser forte o suficiente para carregar câmeras e instrumentos científicos, bem como o Mars Helicopter - outra nave com uso intensivo de compostos que será usada para explorar o planeta .

O Mars Helicopter é construído com mais de 1.500 peças individuais de fibra de carbono, alumínio de grau de vôo, silício, cobre, folha e espuma e pesa não mais do que 4 libras (1,8 kg) (Saiba mais).

Sol

Duas missões estão em andamento para melhorar nossa compreensão do sol e seus comportamentos, ambas com o objetivo final de prever tempestades solares que podem afetar os sistemas elétricos terrestres, comunicações por satélite e GPS.

Parker Solar Probe

A Parker Solar Probe lançado em agosto de 2018 e realiza medições e imagens in situ para estudar a coroa do sol e do vento solar. Para suportar as temperaturas extremas nesta região, a sonda usa um escudo reflexivo leve de 4,5 polegadas de espessura. Este sistema de proteção térmica (TPS) é feito de espuma composta de fibra de carbono imprensada entre dois laminados de carbono e revestida com tinta cerâmica branca na superfície voltada para o sol. A blindagem foi projetada pelo Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopkins (Laurel, Md., EUA) e construída na Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, EUA).

A maioria dos instrumentos da sonda são colocados atrás do TPS, e os sensores ao longo da borda do escudo térmico mantêm a espaçonave posicionada corretamente. Painéis solares usados ​​para alimentar a nave podem ser retraídos para a sombra do escudo térmico para proteção. Um sistema de resfriamento simples que opera circulando cerca de um galão de água também é empregado para manter os painéis solares e a instrumentação resfriados.

Em janeiro de 2019, a NASA relatou que Parker Solar Probe estava operando conforme planejado após sua quarta aproximação do sol, conhecida como periélio. O TPS da nave atingiu um novo recorde de temperatura de 1.134º F (612º C), embora a espaçonave e os instrumentos por trás deste escudo térmico de proteção tenham permanecido a uma temperatura de cerca de 85º F (30º C). Durante os três periélios mais próximos da espaçonave em 2024-25, o TPS verá temperaturas em torno de 2.500º F (1.370º C).

Orbitador solar

Solar Orbiter , uma missão colaborativa entre a Agência Espacial Europeia (ESA) e a NASA, lançada em fevereiro de 2020. O orbitador está em uma trajetória única que permitirá que seu abrangente conjunto de instrumentos forneça as primeiras imagens dos pólos solares.

A espaçonave é protegida por um escudo solar com camadas de titânio / composto de fibra de carbono com aberturas para vários instrumentos. O escudo térmico de 324 libras pode suportar até 970º F (521º C) e usa uma camada de folha de titânio com 0,05 mm de espessura para refletir o calor. A blindagem é apoiada por um painel de suporte de 2,94 por 2,56 metros com cerca de 5 centímetros de espessura e feito de alumínio leve em forma de colmeia com duas camadas de fibra de carbono de alta condutividade térmica. Proteção adicional é fornecida pelo isolamento multicamadas capaz de suportar 572º F (300 ° C). O escudo térmico da Solar Orbiter é revestido com uma fina camada preta de fosfato de cálcio.

Além do sistema solar

Em agosto de 2019, os engenheiros das instalações da Northrop Grumman em Redondo Beach, Califórnia, EUA, conectaram mecanicamente o elemento do telescópio óptico do James Webb Space Telescope (JWST), que inclui espelho e instrumentos científicos, e o elemento da nave espacial, que combina o JWST protetor solar e nave espacial, pela primeira vez. Embora ambos os componentes do telescópio tenham sido testados individualmente, isso marca a primeira vez que as duas metades foram combinadas em um único observatório. O marco foi importante para Webb à medida que o telescópio se aproxima do planejado lançamento em 2021.

JWST é o telescópio espacial mais poderoso e complexo já construído - 100 vezes mais poderoso que o telescópio Hubble. Projetado para explorar o cosmos usando luz infravermelha, o telescópio permitirá aos astrônomos observar os objetos mais distantes do universo, fornecendo imagens de estrelas distantes, exoplanetas e as primeiras galáxias formadas. O telescópio também é um exemplo empolgante de como as composições habilitam satélites e espaçonaves.

A plataforma do telescópio é composta de três componentes principais - o Optical Telescope Element (OTE), o Integrated Science Instrument Module (ISIM) e o Space Craft Element (SCE), que inclui o ônibus da espaçonave e o protetor solar do tamanho de uma quadra de tênis.

A JWST emprega um painel traseiro de fibra de carbono para apoiar os espelhos, instrumentos e outros elementos do telescópio - um total de mais de 2.400 quilogramas (2,5 toneladas) de hardware. A estrutura também é responsável por manter o telescópio estável durante longos períodos de coleta de luz. O backplane não pode variar mais de 38 nanômetros, apesar das temperaturas extremas que variam de -406 ° F a -343 ° F (-243 ° C a -208 ° C).

O painel traseiro é feito de prepreg compreendendo fibra de carbono fornecida pela Toray Advanced Composites e resina de éster de cianato da Hexcel (Stamford, Conn., U.S.). A estrutura inclui mais de 10.000 peças compostas de fibra de carbono leve. Toda a estrutura do backplane inclui a seção central, os conjuntos de asas e o dispositivo de suporte do backplane (BSF), e mede aproximadamente 24 pés de altura por 19,5 pés de largura por mais de 11 pés de profundidade (7,3 por 5,9 por 3,4 metros) quando totalmente implantada. Ele pesa apenas 2.180 libras (989 kg), mas suportará instrumentos pesando mais de 7.300 libras (3.311 kg) - uma carga útil de mais de 300% do seu próprio peso.

Além do espelho primário e da estrutura do backplane, o OTE da JWST inclui seu Deployable Tower Assembly (DTA), a estrutura de suporte do espelho secundário e a estrutura ISIM que abriga os instrumentos científicos e sistemas de resfriamento do telescópio. Essas estruturas são feitas com um pré-impregnado de fibra de carbono de módulo ultra-alto e resina de éster de cianato da Toray Advanced Composites.

“Esses materiais são materiais de bancada ótica muito bons”, disse Sean Johnson, gerente de produto, termofixos para Toray. “A alta rigidez da fibra UHM fornece uma estrutura muito estável [e] fornece uma certa quantidade de amortecimento. É muito bom nas baixas temperaturas [JWST] vai ver. ”

O SCE, ou ônibus espacial, também é feito de compostos de fibra de carbono de Toray e abriga a propulsão da espaçonave, sistemas de apoio de observatório, energia solar, sistemas de resfriamento ativo e comunicações. O ônibus deve ser simultaneamente leve, mas capaz de suportar uma força equivalente a 45 toneladas, apoiando o observatório durante o lançamento.

Em outubro de 2019, o JWST foi aprovado no teste de implantação de proteção solar e está programado para ser lançado em 2021. (Saiba mais).

Um salto gigante

Os próximos anos definirão o terreno para uma nova era de exploração espacial. À medida que a espaçonave e os sistemas necessários para esta nova era de ouro continuam a evoluir, os fornecedores e fabricantes de compósitos serão constantemente desafiados a levar os materiais e tecnologias a novos limites.