Aerobraking - Aerobraking

A concepção de um artista de aerofrenagem com o Mars Reconnaissance Orbiter
Um exemplo de Aerobraking
   Mars Reconnaissance Orbiter  ·   Marte

Aerobraking é uma manobra de vôo espacial que reduz o ponto alto de uma órbita elíptica ( apoapsis ) ao voar o veículo através da atmosfera no ponto baixo da órbita ( periapsis ). O arrasto resultante desacelera a espaçonave . A aerofrenagem é usada quando uma espaçonave requer uma órbita baixa após chegar a um corpo com uma atmosfera, e requer menos combustível do que o uso direto de um motor de foguete .

Método

Quando um veículo interplanetário chega ao seu destino, ele deve mudar sua velocidade para permanecer nas proximidades desse corpo. Quando uma órbita baixa e quase circular em torno de um corpo com gravidade substancial (como é necessária para muitos estudos científicos) é necessária, as mudanças de velocidade total necessárias podem ser da ordem de vários quilômetros por segundo. Se feito por propulsão direta, a equação do foguete determina que uma grande fração da massa da espaçonave deve ser combustível. Isso, por sua vez, significa que a espaçonave está limitada a uma carga científica relativamente pequena e / ou ao uso de um lançador muito grande e caro. Desde que o corpo-alvo tenha uma atmosfera, a aerofrenagem pode ser usada para reduzir as necessidades de combustível. O uso de uma queima relativamente pequena permite que a espaçonave seja capturada em uma órbita elíptica muito alongada . A aerofrenagem é então usada para circular a órbita. Se a atmosfera for espessa o suficiente, uma única passagem por ela pode ser suficiente para desacelerar uma espaçonave conforme necessário. No entanto, a aerofrenagem é normalmente feita com muitas passagens orbitais por uma altitude mais elevada e, portanto, por regiões mais estreitas da atmosfera. Isso é feito para reduzir o efeito do aquecimento por atrito e porque os efeitos imprevisíveis da turbulência, a composição atmosférica e a temperatura tornam difícil prever com precisão a diminuição da velocidade que resultará de qualquer passagem única. Quando a aerofrenagem é feita dessa maneira, há tempo suficiente após cada passagem para medir a mudança na velocidade e fazer as correções necessárias para a próxima passagem. Alcançar a órbita final usando este método leva muito tempo (por exemplo, mais de seis meses ao chegar a Marte ) e pode exigir várias centenas de passagens pela atmosfera do planeta ou lua. Após a última passagem de aerofrenagem, a espaçonave deve receber mais energia cinética por meio de motores de foguete para elevar o periapsia acima da atmosfera.

A energia cinética dissipada pela aerofrenagem é convertida em calor , o que significa que uma espaçonave usando a técnica precisa ser capaz de dissipar esse calor. A espaçonave também deve ter área de superfície e resistência estrutural suficientes para produzir e sobreviver ao arrasto necessário, mas as temperaturas e pressões associadas à aerofrenagem não são tão severas quanto as da reentrada atmosférica ou aerocaptura . Simulações do aerobraking Mars Reconnaissance Orbiter usam um limite de força de 0,35 N por metro quadrado com uma seção transversal da espaçonave de cerca de 37 m 2 , equivalendo a uma força de arrasto máxima de cerca de 7,4 N e uma temperatura máxima esperada de 170 ° C. A densidade de força (ou seja, pressão), cerca de 0,2 N por metro quadrado, que foi exercida no Mars Observer durante a aerofrenagem é comparável à resistência aerodinâmica de se mover a 0,6 m / s (2,16 km / h) ao nível do mar na Terra, aproximadamente a quantidade experimentada ao caminhar lentamente.

Em relação à navegação da espaçonave , Moriba Jah foi o primeiro a demonstrar a capacidade de processar dados da Unidade de Medição Inercial (IMU) coletados a bordo da espaçonave, durante a aerofrenagem, em um Filtro de Kalman Sem Sentido para inferir estatisticamente a trajetória da espaçonave independente dos dados de medição baseados no solo. Jah fez isso usando dados reais da IMU da Mars Odyssey e da Mars Reconnaissance Orbiter . Além disso, este é o primeiro uso de um filtro de Kalman sem cheiro para determinar a órbita de um objeto espacial antropogênico sobre outro planeta. Este método, que poderia ser usado para automatizar a navegação por aerofrenagem, é denominado Inertial Measurements for Aeroassisted Navigation (IMAN) e Jah ganhou um NASA Space Act Award por este trabalho.

Métodos relacionados

A captura aérea é um método relacionado, mas mais extremo, no qual nenhuma queima de injeção de órbita inicial é realizada. Em vez disso, a espaçonave mergulha profundamente na atmosfera sem uma queima de inserção inicial e emerge dessa única passagem na atmosfera com uma apoapsis próxima à da órbita desejada. Várias pequenas queimaduras de correção são então usadas para elevar o periapsia e realizar os ajustes finais. Este método foi originalmente planejado para o orbitador Mars Odyssey , mas os impactos significativos do projeto se mostraram muito caros.

Outra técnica relacionada é a de auxílio à aerogravidade , em que a espaçonave voa pela atmosfera superior e usa sustentação aerodinâmica em vez de arrasto no ponto de aproximação mais próximo. Se orientado corretamente, isso pode aumentar o ângulo de deflexão acima daquele de uma assistência de gravidade pura , resultando em um delta-v maior .

Missões espaciais

Animação de 2001 Mars Odyssey 's trajetória em torno de Marte a partir de 24 Outubro de 2001 a 24 de outubro de 2002
   2001 Mars Odyssey  ·   Marte
Animação de ExoMars Traço Gas Orbiter 's trajetória em torno de Marte
   Marte  ·    ExoMars Trace Gas Orbiter

Embora a teoria da aerofrenagem seja bem desenvolvida, usar a técnica é difícil porque um conhecimento muito detalhado das características da atmosfera do planeta alvo é necessário para planejar a manobra corretamente. Atualmente, a desaceleração é monitorada durante cada manobra e os planos são modificados de acordo. Uma vez que nenhuma espaçonave pode fazer aerofrenagem com segurança por conta própria, isso requer atenção constante de ambos os controladores humanos e da Deep Space Network . Isso é particularmente verdadeiro próximo ao final do processo, quando as passagens de arrasto estão relativamente próximas (apenas cerca de 2 horas de intervalo para Marte). A NASA usou a aerofrenagem quatro vezes para modificar a órbita de uma espaçonave para uma com menor energia, altitude apoapsis reduzida e órbita menor.

Em 19 de março de 1991, a aerofrenagem foi demonstrada pela espaçonave Hiten . Esta foi a primeira manobra de aerofrenagem de uma sonda espacial. Hiten (também conhecido como MUSES-A) foi lançado pelo Instituto de Ciência Espacial e Astronáutica (ISAS) do Japão. Hiten voou pela Terra a uma altitude de 125,5 km sobre o Pacífico a 11,0 km / s. O arrasto atmosférico reduziu a velocidade em 1.712 m / se a altitude de apogeu em 8.665 km. Outra manobra de aerofrenagem foi realizada em 30 de março.

Em maio de 1993, a aerofrenagem foi usada durante a missão venusiana estendida da espaçonave Magellan . Foi usado para circular a órbita da espaçonave a fim de aumentar a precisão da medição do campo gravitacional . Todo o campo gravitacional foi mapeado a partir da órbita circular durante um ciclo de 243 dias da missão estendida. Durante a fase de término da missão, um "experimento de moinho de vento" foi realizado: a pressão molecular atmosférica exerce um torque por meio das asas da célula solar orientadas como uma vela de moinho de vento, o contra-torque necessário para evitar que a sonda gire é medido.

Em 1997, o orbitador Mars Global Surveyor (MGS) foi a primeira espaçonave a usar a aerofrenagem como a principal técnica planejada de ajuste de órbita. O MGS usou os dados coletados da missão Magalhães a Vênus para planejar sua técnica de aerofrenagem. A espaçonave usou seus painéis solares como " asas " para controlar sua passagem pela tênue atmosfera superior de Marte e diminuir a apoapsis de sua órbita ao longo de muitos meses. Infelizmente, uma falha estrutural logo após o lançamento danificou gravemente um dos painéis solares do MGS e exigiu uma altitude de aerofrenagem maior (e, portanto, um terço da força) do que o planejado originalmente , estendendo significativamente o tempo necessário para atingir a órbita desejada. Mais recentemente, a aerofrenagem foi usada pelas espaçonaves Mars Odyssey e Mars Reconnaissance Orbiter , em ambos os casos sem incidentes.

Em 2014, um experimento de aerofrenagem foi realizado com sucesso em uma base de teste perto do final da missão da sonda Venus Express da ESA .

Em 2017–2018, a ESA ExoMars Trace Gas Orbiter realizou aerofrenagem em Marte para reduzir o apocentro da órbita, sendo a primeira aerofrenagem operacional para uma missão europeia.

Aerobraking na ficção

No romance Cadete Espacial de Robert A. Heinlein de 1948 , a aerofrenagem é usada para economizar combustível enquanto desacelera a espaçonave Aes Triplex para uma missão estendida não planejada e pousa em Vênus, durante um trânsito do Cinturão de Asteróides para a Terra.

A espaçonave cosmonauta Alexei Leonov no romance 2010 de Arthur C. Clarke de 1982 : Odyssey Two e sua adaptação para o cinema de 1984 usa aerofrenagem nas camadas superiores da atmosfera de Júpiter para se estabelecer no ponto L 1 Lagrangiano do sistema Júpiter- Io .

Na série de TV de 2004, Space Odyssey: Voyage to the Planets, a tripulação da espaçonave internacional Pegasus realiza uma manobra de aerofrenagem na atmosfera superior de Júpiter para desacelerá-los o suficiente para entrar na órbita de Júpiter .

No quarto episódio de Stargate Universe , o antigo navio Destino sofre uma perda quase total do poder e deve usar aerofrenagem de mudar de rumo. O episódio de 2009 termina em um momento de angústia com Destiny indo diretamente para uma estrela.

No jogo sandbox de simulação espacial Kerbal Space Program , este é um método comum de reduzir a velocidade orbital de uma nave . Algumas vezes é humoristicamente referido como " quebra aerodinâmica ", porque o grande arrasto às vezes faz com que grandes embarcações se partam em várias partes.

Na trilogia Marte de Kim Stanley Robinson , a nave espacial Ares que transporta os primeiros cem humanos a chegar a Marte usa a aerofrenagem para entrar em órbita ao redor do planeta. Mais tarde nos livros, como um esforço para engrossar a atmosfera, os cientistas colocam um asteróide em aerofrenagem a fim de vaporizá-lo e liberar seu conteúdo na atmosfera.

No filme Interestelar de 2014 , o astronauta piloto Cooper usa a aerofrenagem para economizar combustível e desacelerar a espaçonave Ranger ao sair do buraco de minhoca para chegar em órbita acima do primeiro planeta.

Frenagem aerodinâmica

Um F-22 Raptor pousando em Elmendorf AFB , demonstrando a frenagem aerodinâmica.
Frenagem aerodinâmica em pousos de ônibus espaciais.

A frenagem aerodinâmica é um método usado na aterrissagem de aeronaves para auxiliar os freios das rodas na parada do avião. É freqüentemente usado para pousos em pistas curtas ou quando as condições são úmidas, geladas ou escorregadias. A frenagem aerodinâmica é realizada imediatamente após as rodas traseiras (montagens principais) tocarem no solo, mas antes que a roda do nariz caia. O piloto começa a puxar o manche, aplicando pressão de elevador para manter o nariz alto. A atitude de nariz alto expõe mais da superfície da nave ao fluxo de ar, o que produz maior resistência , ajudando a desacelerar o avião. Os elevadores elevados também fazem com que o ar empurre a parte traseira da aeronave, forçando as rodas traseiras com mais força contra o solo, o que ajuda os freios das rodas, ajudando a evitar derrapagens. O piloto geralmente continuará a segurar o manche mesmo depois que os elevadores perderem sua autoridade e a roda do nariz cair, para manter a pressão adicional nas rodas traseiras.

A frenagem aerodinâmica é uma técnica de frenagem comum durante o pouso, que também pode ajudar a proteger os freios das rodas e pneus do desgaste excessivo ou de travar e fazer a aeronave escorregar fora de controle. É frequentemente usado por pilotos particulares, aviões comerciais, aviões de caça e foi usado pelos ônibus espaciais durante pousos.

Veja também

Notas

Referências