Como Materiais Compósitos Moldaram a Exploração Espacial

20 de julho de 2019 marcou o 50º aniversário do primeiro pouso na lua do Apollo. Embora, na época em que a cápsula Apollo foi construída, a indústria de compósitos ainda estava em sua infância e os materiais ainda não estavam em uso generalizado, a cápsula Apollo usou tecnologia compósita inicial na forma de um escudo térmico ablativo feito de Avcoat, uma resina epóxi novolaca com fibras de sílica em matriz de favo de mel fenólico-fibra de vidro. Um favo de mel de fibra de vidro foi colado à estrutura primária e o material semelhante a pasta foi injetado em cada célula individualmente. Desde o Apollo, compósitos avançados evoluíram aos saltos e.bounds, e desempenharam papel significativo em programas espaciais com uso em veículos de lançamento, ônibus espacial, satélites, telescópios espaciais e Estação Espacial Internacional.

Hoje, a raça humana encontra-se preparada para alguns passos emocionantes na exploração espacial. A administração atual pediu retorno à lua por astronautas dos EUA até 2024 e anunciou orçamento 2021 de mais de US$ 25 bilhões 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 na história da NASA."

Além de outro tiro 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 desta escrita, a Parker Solar Probe está monitorando a atmosfera do sol e um Solar Orbiter lançou com sucesso. Esforços também estão em andamento para aprofundar a exploração de exoplanetas e galáxias distantes através da missão Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) e do James Webb Space Telescope, este último tendo feito avanços em direção à prontidão de lançamento no último ano.

Novas espaçonaves e programas também resultaram nos últimos anos da colaboração aumentada entre agências espaciais nacionais e internacionais, bem como empresas comerciais. Por exemplo, a SpaceX (Hawthorne, Califórnia, EUA), com sua espaçonave Crew Dragon, e a Boeing Space and Launch (Arlington, Virgínia, EUA), com sua espaçonave Starliner, estão correndo rumo ao primeiro voo espacial tripulado 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 tripulada em 2021.

Do aumento do apoio ao 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 papel cada vez maior na fabricação dos lançadores, espaçonaves e instrumentos que tornam toda esta exploração possível.

Lua

O programa abrangente para retornar humanos à lua é nomeado após Artemis, a deusa grega da lua e da caça, irmã gêmea de Apollo — e o escopo do programa é vasto. Artemis estabelecerá uma base em órbita lunar, permitindo que astronautas não apenas explorem mais a lua, mas também usem a lua como posto avançado para missões eventuais a Marte. Vários projetos compõem o programa Artemis, incluindo um novo sistema de lançamento pesado conhecido como Space Launch System (SLS), a nave tripulada Orion, uma estação espacial em órbita lunar conhecida como Gateway e um módulo lunar. Compósitos avançados entram em todos estes componentes de uma forma ou outra.

Lançador pesado

Estágio do foguete SLS sendo preparado para envio. Fonte | NASA

Space Launch System (SLS)

O novo veículo de lançamento pesado da NASA visa permitir exploração além da órbita da Terra. Em 2015, a NASA investiu em uma máquina de colocação automatizada de fibra (AFP) da Electroimpact (Mukilteo, Washington, EUA) para fabricar peças de foguete em grande escala compreendendo estruturas sanduíche de mais de 8 metros de diâmetro feitas de peles de fibra de carbono com núcleo de favo de mel de alumínio. A cabeça AFP comporta até 16 carretéis de fibra de carbono e é posicionada no final de um braço robótico de 6,4 metros que coloca as fibras em uma superfície de ferramental em padrões precisos para formar estruturas de formas e tamanhos variados.

Estruturas sanduíche similares são criadas pela RUAG Space (Decatur, Alabama, EUA) usando processo de hand lay-up manual. A empresa está trabalhando com a Dynetics (Huntsville, Alabama, EUA) em um Adaptador de Estágio Universal (USA) que unirá o estágio superior do SLS ao módulo tripulado Orion. A RUAG Space fabricará a carcaça de 8,4 metros de diâmetro do adaptador compreendendo quatro painéis de quarto de favo de mel compósito que serão unidos por colagem a quente.

Veículo Tripulado Multipropósito Orion

Consistindo de um módulo de comando fabricado pela Lockheed Martin (Bethesda, Maryland, 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 programa Artemis e levará astronautas ao espaço, servirá como veículo de exploração durante viagens espaciais e retornará a tripulação à Terra.

O sistema de propulsão do Orion inclui numerosos componentes fabricados pela Aerojet Rocketdyne (Sacramento, Califórnia, EUA), incluindo oito motores auxiliares bipropelentes de 110 libras de empuxo baseados na família de motores R-4D da Aerojet Rocketdyne. A Aerojet Rocketdyne também fornece o motor de ejeção do Sistema de Aborto de Lançamento (LAS) e vasos de pressão com enrolamento de fibra de carbono para a espaçonave. No início de 2020, a Aerojet Rocketdyne instalou uma máquina de enrolamento de fibra de carbono para produzir seus corpos de motor de foguete sólido.

Para reentrada, o Orion usa um escudo térmico de fibra de carbono de 5 metros de diâmetro fabricado pela Lockheed Martin que é fabricado como estrutura sanduíche com peles de fibra de carbono e núcleo de favo de mel de titânio. O escudo térmico é então coberto com painéis de Avcoat — o mesmo material ablativo usado nas missões Apollo.

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 lançamento e subida, bem como piro-choque (de parafusos explosivos) durante a separação dos dois módulos. Também devem atender demandas de reentrada para resistência a alta temperatura e ablação. Almofadas de carbono/fenólico foram usadas no primeiro veículo de teste Orion, mas mostraram evidências de trincas interlaminares pós-voo e foram substituídas por uma solução tecida 3D conhecida como 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT) que usa material de quartzo tecido 3D da Bally Ribbon Mills (Bally, Pensilvânia, EUA) e sistema de resina cianato éster da Toray Advanced Composites.

Plataforma Orbital Lunar-Gateway (LOP-G)

Gateway é uma estação espacial em órbita lunar sendo desenvolvida pela NASA junto com parceiros internacionais incluindo agências espaciais russa, canadense, japonesa e europeia. O papel do Gateway é apoiar exploração da lua e servir como posto avançado para missões eventuais a Marte. Os vários módulos para a estação estão em desenvolvimento e provavelmente empregarão materiais compósitos de alguma forma.

Um Roll-Out Solar Array (ROSA) desenvolvido pelo Air Force Research Laboratory (AFRL; Dayton, Ohio, EUA) e Deployable Space Systems usando compósitos de alta deformação (HSC) será usado no programa Gateway. HSCs são materiais compósitos finos, leves, projetados para caber em pequenos pacotes e implantar desenrolando. O sistema ROSA usa dois booms HSC de fibra de carbono para desenrolar e tensionar um grande cobertor de array solar.

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

Módulos lunares

Numerosas empresas estão trabalhando em conceitos de sistemas de pouso lunar para Artemis, todos os quais incluem potencial para materiais compósitos. Por exemplo, a Blue Origin (Kent, Washington, EUA) está fazendo parceria com Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Virgínia, EUA) e Draper (Cambridge, Massachusetts, EUA) em um sistema de pouso lunar proposto de três veículos: módulo lunar Blue Moon da Blue Origin, veículo "Elemento de Transferência" fornecido pela Northrop Grumman que posicionará o sistema de pouso em órbita lunar, e veículo "Elemento de Subida" fornecido pela Lockheed Martin que retornará astronautas à órbita lunar da superfície da lua. Um sistema de guia de descida e aviônica de voo será fornecido pela Draper. Várias outras empresas trabalhando em conceitos de módulos lunares incluem Boeing, Dynetics, SpaceX e Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colorado e Madison, Wisconsin, EUA).

Além de módulos lunares tripulados, a NASA antecipa necessidade de módulos lunares pequenos e médios para permitir variedade de investigações científicas e grandes payloads de demonstração de tecnologia.

Trajes Artemis

Em outubro de 2019, a NASA revelou dois novos designs de trajes espaciais — uma nova Unidade Móvel Extraveicular de Exploração (xEMU) e o traje Sistema de Sobrevivência da Tripulação Orion (OCSS) — ambos a serem usados para missões lunares do programa Artemis.

O traje xEMU oferece, segundo relatos, amplitude de mobilidade muito melhorada sobre trajes atualmente em uso para atividade extraveicular (EVA). Segundo a ILC Dover (Frederica, Delaware, EUA), que tem relacionamento de longa data com a NASA fabricando trajes espaciais, o traje xEMU é uma atualização de um traje de caminhada avançado entregue à NASA em 2016 conhecido como Z-2.

"Desde 2016, a ILC Dover continuou a melhorar o design de trajes de caminhada, bem como trajes de gravidade zero e trajes de lançamento e entrada", diz Dan Klopp, marketing de produto para ILC Dover.

O protótipo de traje espacial Z-2 apresenta elementos de torso e quadril em carbono/epóxi no design.

O traje espacial OCSS da NASA é projetado como traje pressurizado de lançamento e entrada para membros da tripulação Orion. Embora a NASA não tenha liberado detalhes sobre materiais no novo design, é aposta segura que uma quantidade razoável de compósitos está envolvida. Trajes de lançamento e entrada da era do ônibus espacial apresentavam camada externa de Nomex meta-aramida resistente a chamas da DuPont (Richmond, Virgínia, EUA). Unidades de Mobilidade Extraveicular (EMUs) anteriores usaram combinações de Nomex, para-aramida Kevlar (também desenvolvida pela DuPont) e Gore-Tex, membrana de tecido impermeável e respirável fabricada pela W.L. Gore & Assoc. (Newark, Delaware, EUA).

Marte

Grande parte da iniciativa Artemis é preparar o palco para enviar humanos a Marte. Enquanto isso, a NASA também está trabalhando rumo a uma missão não tripulada a Marte este verão que estabelecerá um novo rover robótico e um helicóptero exploratório robótico no planeta vermelho.

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

O Rover Marte 2020 em si tem aproximadamente 3 metros de comprimento, 2,7 metros de largura e 2,2 metros de altura. Embora a NASA não tenha liberado detalhes sobre materiais usados para construir o rover, sabe-se que o Advanced Composites Training (ACT, London, Ontário, Canadá) serviu como consultor ao Jet Propulsion Laboratory (JPL, Pasadena, Califórnia, EUA) da NASA sobre uso de materiais compósitos para construção do rover Marte 2020.

Com 1.050 kg (2.314 libras), o rover pesará menos que o carro compacto médio. Precisa ser leve e durável para a jornada ao planeta vermelho, e também forte o suficiente para carregar câmeras e instrumentos científicos, bem como o Helicóptero Marte — outra aeronave intensiva em compósitos que será usada para explorar o planeta.

O Helicóptero Marte é construído de mais de 1.500 peças individuais de fibra de carbono, alumínio de grau de voo, silício, cobre, folha e espuma e pesa não mais que 1,8 kg (4 libras).

Sol

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

Parker Solar Probe

A Parker Solar Probe lançou em agosto de 2018 e realiza medições in-situ e imagem para estudar a coroa do sol e vento solar. Para suportar as temperaturas extremas nesta região, a sonda usa um escudo refletivo leve de 11,4 cm (4,5 polegadas) de espessura. Este sistema de proteção térmica (TPS) é feito de espuma compósita de fibra de carbono sanduíche entre dois laminados de carbono e revestido com tinta cerâmica branca na face voltada ao sol. O escudo foi projetado pelo Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (Laurel, Maryland, EUA) e construído na Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, EUA).

A maioria dos instrumentos da sonda estão protegidos atrás do TPS, e sensores ao longo da borda do escudo térmico mantêm a espaçonave posicionada corretamente. Arrays solares usados para alimentar a nave podem ser retraídos na sombra do escudo térmico para proteção. Um sistema de resfriamento simples que opera circulando cerca de 3,8 litros (um galão) de água também é empregado para manter os arrays solares e instrumentação frios.

Em janeiro de 2019, a NASA relatou que a Parker Solar Probe estava operando conforme projetado após sua quarta aproximação próxima ao sol, conhecida como periélio. O TPS da nave alcançou nova temperatura recorde de 612°C (1.134°F), embora a espaçonave e instrumentos atrás deste escudo térmico protetor permanecessem a temperatura de cerca de 30°C (85°F). Durante as três periélios mais próximas da espaçonave em 2024-25, o TPS verá temperaturas em torno de 1.370°C (2.500°F).

Solar Orbiter

Solar Orbiter, missão colaborativa entre a Agência Espacial Europeia (ESA) e NASA, lançou em fevereiro de 2020. O orbitador está em trajetória única que permitirá seu conjunto abrangente de instrumentos fornecer as primeiras imagens dos polos do sol.

A espaçonave é protegida por um escudo solar em camadas de compósito de fibra de carbono/titânio com aberturas para vários instrumentos. O escudo térmico de 147 kg (324 libras) pode suportar até 521°C (970°F) e usa uma camada de folha de titânio de 0,05 mm de espessura para refletir calor. O escudo é suportado por um painel de suporte de 2,94 x 2,56 metros com cerca de 5 cm de espessura feito de favo de mel de alumínio leve com duas peles de fibra de carbono de alta condutividade térmica. Proteção adicional é fornecida por isolamento multicamada capaz de suportar 300°C (572°F). O escudo térmico do Solar Orbiter é revestido com uma fina camada preta de fosfato de cálcio.

Além do sistema solar

Em agosto de 2019, engenheiros nas 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 sunshield do JWST e a 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 o Webb à medida que o telescópio se aproxima de seu lançamento planejado em 2021.

O 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 que astrônomos observem os objetos mais distantes do universo, fornecendo imagens de estrelas distantes, exoplanetas e as primeiras galáxias formadas. O telescópio também é um exemplo emocionante de como compósitos permitem satélites e espaçonaves.

A plataforma do telescópio é composta de três componentes principais — o Elemento do Telescópio Óptico (OTE), o Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM), e o Elemento da Nave Espacial (SCE), que inclui o barramento da nave espacial e o sunshield do tamanho de uma quadra de tênis.

O JWST emprega um backplane (plano traseiro) de fibra de carbono para suportar os espelhos, instrumentos e outros elementos do telescópio — um total de mais de 2.400 kg (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 que 38 nanômetros apesar de temperaturas extremas variando de -243°C a -208°C (-406°F a -343°F).

O backplane é feito de pré-impregnado compreendendo fibra de carbono fornecida pela Toray Advanced Composites e resina cianato éster da Hexcel (Stamford, Connecticut, EUA). A estrutura inclui mais de 10.000 peças leves de compósito de fibra de carbono. A estrutura completa do backplane inclui a seção central, os conjuntos das asas e o dispositivo de suporte do backplane (BSF), e mede aproximadamente 7,3 x 5,9 x 3,4 metros (24 x 19,5 x 11 pés) quando totalmente implantado. Pesando apenas 989 kg (2.180 libras), suportará instrumentos pesando mais de 3.311 kg (7.300 libras) — uma carga útil de mais de 300% de seu próprio peso.

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

"Estes materiais são muito bons materiais de banco óptico", diz Sean Johnson, gerente de produto, termofixos para Toray. "A alta rigidez da fibra UHM fornece uma estrutura muito estável e fornece certa quantidade de amortecimento. É muito bom nas baixas temperaturas que o JWST vai ver."

O SCE, ou barramento da nave espacial, também é feito de compósitos de fibra de carbono da Toray e abriga a propulsão da nave, sistemas de suporte do observatório, energia solar, sistemas de resfriamento ativo e comunicações. O barramento deve ser simultaneamente leve mas capaz de suportar força equivalente a 45 toneladas enquanto suporta o observatório durante lançamento.

Em outubro de 2019, o JWST passou com sucesso em seu teste de implantação do sunshield e está atualmente programado para lançamento em 2021.

Um salto gigante

Os próximos anos definirão o palco para uma toda nova era de exploração espacial. À medida que as espaçonaves e sistemas necessários para esta nova era dourada continuam a evoluir, fornecedores e fabricantes de compósitos serão constantemente desafiados a empurrar materiais e tecnologias a novos limites.