Lançamento espacial - Space launch
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O lançamento espacial é a primeira parte de um vôo que chega ao espaço . O lançamento espacial envolve a decolagem , quando um foguete ou outro veículo lançador espacial deixa o solo, uma nave flutuante ou aeronave no ar no início de um vôo. A decolagem é de dois tipos principais: lançamento de foguete (o método convencional atual) e lançamento espacial sem foguete (onde outras formas de propulsão são empregadas, incluindo motores a jato de respiração aérea ou outros tipos).
Problemas para alcançar o espaço
Definição de espaço sideral
Não existe uma fronteira clara entre a atmosfera e o espaço da Terra , pois a densidade da atmosfera diminui gradualmente com o aumento da altitude. Existem várias designações de limite padrão, a saber:
- A Fédération Aéronautique Internationale estabeleceu a linha Kármán a uma altitude de 100 km (62 milhas) como uma definição de trabalho para a fronteira entre a aeronáutica e a astronáutica. Isso é usado porque a uma altitude de cerca de 100 km (62 mi), como Theodore von Kármán calculou, um veículo teria que viajar mais rápido do que a velocidade orbital para obter sustentação aerodinâmica suficiente da atmosfera para se sustentar.
- Os Estados Unidos designam pessoas que viajam acima de uma altitude de 50 milhas (80 km) como astronautas .
- NASA do Space Shuttle utilizado 400.000 pés (122 km, 76 mi) como a sua re-entrada altitude (denominado a interface de entrada), que cerca de marca a fronteira, onde a resistência atmosférica torna-se perceptível, iniciando assim o processo de mudança de direcção com propulsores para manobra com superfícies de controle aerodinâmico.
Energia
Portanto, por definição, para que ocorra um vôo espacial, é necessária uma altitude suficiente. Isso implica que uma energia potencial gravitacional mínima precisa ser superada: para a linha de Kármán, isso é aproximadamente 1 MJ / kg. W = mgh, m = 1 kg, g = 9,82 m / s 2 , h = 10 5 m. W = 1 * 9,82 * 10 5 ≈10 6 J / kg = 1MJ / kg
Na prática, uma energia maior do que essa é necessária para ser gasta devido a perdas como airdrag, eficiência de propulsão, eficiência de ciclo dos motores empregados e arrasto da gravidade .
Nos últimos cinquenta anos, o vôo espacial geralmente significava permanecer no espaço por um período de tempo, em vez de subir e cair imediatamente de volta à terra. Isso envolve a órbita, que é principalmente uma questão de velocidade, não de altitude, embora isso não signifique atrito de ar e altitudes relevantes em relação a isso e a órbita não tenham que ser levados em consideração. Em altitudes muito, muito mais altas do que muitas outras orbitais mantidas por satélites, a altitude começa a se tornar um fator cada vez maior e a velocidade, um fator menor. Em altitudes mais baixas, devido à alta velocidade necessária para permanecer em órbita, o atrito do ar é uma consideração muito importante que afeta os satélites, muito mais do que na imagem popular do espaço. Em altitudes ainda mais baixas, os balões, sem velocidade de avanço, podem cumprir muitas das funções dos satélites.
Forças G
Muitas cargas, especialmente humanos, têm uma força-g limitante para que possam sobreviver. Para humanos, é cerca de 3-6 g. Alguns lançadores, como lançadores de armas, dariam acelerações da ordem de centenas ou milhares de ge, portanto, são completamente inadequados.
Confiabilidade
Os lançadores variam de acordo com sua confiabilidade para cumprir a missão.
Segurança
Segurança é a probabilidade de causar ferimentos ou morte. Lançadores não confiáveis não são necessariamente inseguros, enquanto lançadores confiáveis são geralmente, mas não invariavelmente seguros.
Além da falha catastrófica do veículo lançador, outros riscos de segurança incluem a despressurização e os cinturões de radiação Van Allen que impedem órbitas que passam longos períodos dentro deles.
Otimização de trajetória
Otimização de trajetória é o processo de projetar uma trajetória que minimiza (ou maximiza) alguma medida de desempenho enquanto satisfaz um conjunto de restrições. De um modo geral, a otimização de trajetória é uma técnica para calcular uma solução de malha aberta para um problema de controle ótimo . É freqüentemente usado para sistemas onde computar a solução de loop fechado completo não é necessário, impraticável ou impossível. Se um problema de otimização de trajetória pode ser resolvido a uma taxa dada pelo inverso da constante de Lipschitz , então ele pode ser usado iterativamente para gerar uma solução de malha fechada no sentido de Caratheodory . Se apenas a primeira etapa da trajetória é executada para um problema de horizonte infinito, isso é conhecido como Controle Preditivo de Modelo (MPC) .
Embora a ideia de otimização de trajetória exista há centenas de anos ( cálculo de variações , problema da braquistócrona ), ela só se tornou prática para problemas do mundo real com o advento do computador. Muitas das aplicações originais de otimização de trajetória foram na indústria aeroespacial, computação de foguetes e trajetórias de lançamento de mísseis. Mais recentemente, a otimização de trajetória também tem sido usada em uma ampla variedade de processos industriais e aplicações de robótica.Emissões de carbono
Muitos foguetes usam combustíveis fósseis. Um foguete SpaceX Falcon Heavy, por exemplo, queima 400 toneladas métricas de querosene e emite mais dióxido de carbono em poucos minutos do que um carro faria em mais de dois séculos. Como o número de lançamentos de foguetes deve aumentar fortemente nos próximos anos, o efeito que o lançamento em órbita tem na Terra deve ficar muito pior. Alguns fabricantes de foguetes (por exemplo , Orbex , ArianeGroup ) estão usando diferentes combustíveis de lançamento (como bio-propano, metano produzido a partir de biomassa).
Voo espacial sustentado
Lançamento suborbital
Voo espacial suborbital é qualquer lançamento espacial que atinge o espaço sem fazer uma órbita completa ao redor do planeta e requer uma velocidade máxima de cerca de 1 km / s apenas para alcançar o espaço, e até 7 km / s para distâncias maiores, como um voo espacial intercontinental. Um exemplo de vôo suborbital seria um míssil balístico, ou futuro vôo turístico como a Virgin Galactic , ou um vôo intercontinental de transporte como o SpaceLiner . Qualquer lançamento espacial sem uma correção de otimização de órbita para atingir uma órbita estável resultará em um vôo espacial suborbital, a menos que haja impulso suficiente para deixar a órbita completamente. (Veja Arma espacial # Como entrar em órbita )
Lançamento orbital
Além disso, se a órbita for necessária, uma quantidade muito maior de energia deve ser gerada para dar à nave alguma velocidade lateral. A velocidade que deve ser alcançada depende da altitude da órbita - menos velocidade é necessária em grandes altitudes. No entanto, depois de permitir a energia potencial extra de estar em altitudes mais elevadas, no geral mais energia é usada para atingir órbitas mais altas do que as mais baixas.
A velocidade necessária para manter uma órbita próxima à superfície da Terra corresponde a uma velocidade lateral de cerca de 7,8 km / s (17.400 mph), uma energia de cerca de 30MJ / kg. Isso é várias vezes a energia por kg de misturas de propelentes de foguete práticas .
Ganhar a energia cinética é estranho, pois a airdrag tende a desacelerar a espaçonave, então espaçonaves movidas a foguete geralmente voam em uma trajetória de compromisso que deixa a parte mais espessa da atmosfera muito cedo, e então voam, por exemplo, uma órbita de transferência Hohmann para alcançar a órbita específica que é necessária. Isso minimiza o airdrag, bem como minimiza o tempo que o veículo gasta se segurando. Airdrag é um problema significativo com essencialmente todos os sistemas de lançamento atuais e propostos, embora geralmente menos do que a dificuldade de obter energia cinética suficiente para simplesmente alcançar a órbita.
Velocidade de escape
Se a gravidade da Terra deve ser superada inteiramente, então energia suficiente deve ser obtida por uma espaçonave para exceder a profundidade do poço de energia potencial de gravidade. Uma vez que isso tenha ocorrido, desde que a energia não seja perdida de forma não conservadora, o veículo deixará a influência da Terra. A profundidade do poço de potencial depende da posição do veículo e a energia depende da velocidade do veículo. Se a energia cinética exceder a energia potencial, ocorre o escape. Na superfície da Terra, isso ocorre a uma velocidade de 11,2 km / s (25.000 mph), mas na prática uma velocidade muito maior é necessária devido ao airdrag.
Tipos de lançamento espacial
Lançamento do foguete
Lançamento sem foguete
O lançamento espacial sem foguete refere-se a conceitos de lançamento para o espaço em que grande parte da velocidade e altitude necessárias para atingir a órbita é fornecida por uma técnica de propulsão que não está sujeita aos limites da equação do foguete . Uma série de alternativas aos foguetes foram propostas. Em alguns sistemas, tais como um sistema de lançamento de combinação, skyhook , foguete trenó lançamento , Rockoon , ou lançamento de ar , uma porção do total de delta-V pode ser proporcionada, quer directa ou indirectamente, através da utilização de propulsão do foguete.
Os custos atuais de lançamento são muito altos - $ 2.500 a $ 25.000 por quilograma da Terra até a órbita baixa da Terra (LEO). Como resultado, os custos de lançamento são uma grande porcentagem do custo de todos os empreendimentos espaciais. Se o lançamento puder ser barateado, o custo total das missões espaciais será reduzido. Devido à natureza exponencial da equação do foguete, fornecer até mesmo uma pequena quantidade da velocidade ao LEO por outros meios tem o potencial de reduzir muito o custo de chegar à órbita.
Os custos de lançamento de centenas de dólares por quilograma tornariam possíveis muitos projetos espaciais de grande escala, como colonização espacial , energia solar baseada no espaço e terraformação de Marte .Referências
links externos
- http://www.spacelaunchreport.com/ Um resumo de notícias periódicas da atividade de lançamento espacial em todo o mundo.
- ÚLTIMOS LANÇAMENTOS DE SATÉLITE de http://www.n2yo.com/
- The Space Review é uma publicação online dedicada a artigos, comentários e análises aprofundados sobre todos os aspectos da exploração espacial.