voo espacial suborbital -Sub-orbital spaceflight

Aterrissagem do estágio de reforço New Shepard , após completar um voo suborbital
Voo espacial humano suborbital ( fronteira espacial definida pela FAI )
Nome Ano voos Localização
Mercúrio-Redstone 3
Mercúrio-Redstone 4
1961 2 Cabo Canaveral
X-15 Voo 90
X-15 Voo 91
1963 2 Edwards AFB
Soyuz 18a 1975 1 Cosmódromo de Baikonur
SpaceShipOne Flight 15P
SpaceShipOne Flight 16P
SpaceShipOne Flight 17P
2004 3 Mojave Air and Space Port
Azul Origem NS-16
Azul Origem NS-18
Azul Origem NS-19
2021 3 rancho de milho
Azul Origem NS-20
Azul Origem NS-21

Azul Origem NS-22

2022 3
Vôo espacial humano suborbital ( fronteira espacial definida pelos Estados Unidos ; excluindo os acima)
Nome Ano voos Localização
X-15 Voo 62 1962 1 Edwards AFB
X-15 Voo 77
X-15 Voo 87
1963 2
X-15 Voo 138
X-15 Voo 143
X-15 Voo 150
X-15 Voo 153
1965 4
Voo X-15 174 1966 1
X-15 Voo 190
X-15 Voo 191
1967 2
X-15 Voo 197 1968 1
Soyuz MS-10 2018 1 Cosmódromo de Baikonur
Unidade VSS VP-03 2018 1 Mojave Air and Space Port
VSS Unidade VF-01 2019 1
VSS Unity Unity21
VSS Unity Unity22
2021 2 Espaçoporto América

Um voo espacial suborbital é um voo espacial no qual a espaçonave atinge o espaço sideral , mas sua trajetória cruza a atmosfera ou a superfície do corpo gravitacional de onde foi lançada, de modo que não completará uma revolução orbital (não se torna um voo artificial satélite ) ou atingir a velocidade de escape .

Por exemplo, o caminho de um objeto lançado da Terra que atinge a linha de Kármán (a 100 km (62 milhas)) acima do nível do mar e depois cai de volta à Terra é considerado um voo espacial suborbital. Alguns voos suborbitais foram realizados para testar espaçonaves e veículos de lançamento posteriormente destinados a voos espaciais orbitais . Outros veículos são projetados especificamente apenas para voos suborbitais; os exemplos incluem veículos tripulados, como o X-15 e o SpaceShipOne , e não tripulados, como ICBMs e foguetes de sondagem .

Os voos que atingem velocidade suficiente para entrar na órbita baixa da Terra e, em seguida, saem da órbita antes de completar sua primeira órbita completa, não são considerados suborbitais. Exemplos disso incluem o Vostok 1 de Yuri Gagarin e voos do Fractional Orbital Bombardment System .

Um voo que não alcança o espaço ainda é chamado às vezes de suborbital , mas não é um 'voo espacial suborbital'. Normalmente, um foguete é usado, mas voos espaciais suborbitais experimentais também foram alcançados com uma arma espacial .

Requisito de altitude

A bala de canhão de Isaac Newton . Os caminhos A e B descrevem uma trajetória suborbital.

Por uma definição, um voo espacial suborbital atinge uma altitude superior a 100 km (62 milhas) acima do nível do mar . Essa altitude, conhecida como linha de Kármán, foi escolhida pela Fédération Aéronautique Internationale porque é aproximadamente o ponto em que um veículo voando rápido o suficiente para se sustentar com sustentação aerodinâmica da atmosfera da Terra estaria voando mais rápido que a velocidade orbital . Os militares dos EUA e a NASA concedem asas de astronauta àqueles que voam acima de 50 mi (80 km), embora o Departamento de Estado dos EUA pareça não apoiar um limite distinto entre o voo atmosférico e o voo espacial .

Órbita

Durante a queda livre, a trajetória faz parte de uma órbita elíptica , conforme determinado pela equação da órbita . A distância do perigeu é menor que o raio da Terra R incluindo a atmosfera, portanto a elipse intercepta a Terra e, portanto, a espaçonave falhará em completar uma órbita. O eixo maior é vertical, o semi-eixo maior a é maior que R /2. A energia orbital específica é dada por:

onde é o parâmetro gravitacional padrão .

Quase sempre a < R , correspondendo a um menor que o mínimo para uma órbita completa, que é

Assim, a energia específica extra líquida necessária em comparação com apenas elevar a espaçonave ao espaço está entre 0 e 0,000 .

Velocidade, alcance e altitude

Para minimizar o delta-v necessário (uma medida astrodinâmica que determina fortemente o combustível necessário ), a parte de alta altitude do vôo é feita com os foguetes desligados (isso é tecnicamente chamado de queda livre, mesmo para a parte ascendente da trajetória) . (Compare com o efeito Oberth .) A velocidade máxima em um vôo é alcançada na altitude mais baixa dessa trajetória de queda livre, tanto no início quanto no final dela.

Se o objetivo de alguém é simplesmente "alcançar o espaço", por exemplo, ao competir pelo Prêmio Ansari X , o movimento horizontal não é necessário. Neste caso, o menor delta-v necessário, para atingir 100 km de altitude, é de cerca de 1,4  km/s . Mover-se mais devagar, com menos queda livre, exigiria mais delta-v.

Compare isso com voos espaciais orbitais: uma órbita baixa da Terra (LEO), com uma altitude de cerca de 300 km, precisa de uma velocidade de cerca de 7,7 km/s, exigindo um delta-v de cerca de 9,2 km/s. (Se não houvesse arrasto atmosférico, o delta-v mínimo teórico seria de 8,1 km/s para colocar uma nave em uma órbita de 300 km de altura começando de um ponto estacionário como o Pólo Sul. O mínimo teórico pode ser de até 0,46 km/ é menor se for lançado para o leste perto do equador.)

Para voos espaciais suborbitais cobrindo uma distância horizontal, a velocidade máxima e o delta-v necessário estão entre os de um voo vertical e um LEO. A velocidade máxima nas extremidades inferiores da trajetória agora é composta por um componente horizontal e um vertical. Quanto maior a distância horizontal percorrida, maior será a velocidade horizontal. (A velocidade vertical aumentará com a distância em distâncias curtas, mas diminuirá com a distância em distâncias maiores.) Para o foguete V-2 , atingindo apenas o espaço, mas com um alcance de cerca de 330 km, a velocidade máxima foi de 1,6 km/s. A Scaled Composites SpaceShipTwo , que está em desenvolvimento, terá uma órbita de queda livre semelhante, mas a velocidade máxima anunciada é de 1,1 km/s (talvez devido ao desligamento do motor em uma altitude maior).

Para alcances maiores, devido à órbita elíptica, a altitude máxima pode ser muito maior do que para um LEO. Em um voo intercontinental de 10.000 km, como o de um míssil balístico intercontinental ou possível futuro voo espacial comercial , a velocidade máxima é de cerca de 7 km/s e a altitude máxima pode ser superior a 1.300 km. Qualquer voo espacial que retorne à superfície, inclusive os suborbitais, sofrerá reentrada atmosférica . A velocidade no início da reentrada é basicamente a velocidade máxima do voo. O aquecimento aerodinâmico causado variará de acordo: é muito menor para um voo com velocidade máxima de apenas 1 km/s do que para um com velocidade máxima de 7 ou 8 km/s.

O delta-v mínimo e a altitude máxima correspondente para um determinado intervalo podem ser calculados, d , assumindo uma Terra esférica de circunferência40 000  km e desprezando a rotação da Terra e a atmosfera. Seja θ a metade do ângulo que o projétil deve percorrer ao redor da Terra, então em graus é 45°× d /10 000km .  _ A trajetória delta-v mínimo corresponde a uma elipse com um foco no centro da Terra e o outro no ponto médio entre o ponto de lançamento e o ponto de destino (em algum lugar dentro da Terra). (Esta é a órbita que minimiza o semi-eixo maior, que é igual à soma das distâncias de um ponto na órbita aos dois focos. Minimizar o semi-eixo maior minimiza a energia orbital específica e, portanto, o delta - v , que é a velocidade de lançamento.) Os argumentos geométricos levam ao seguinte (sendo R o raio da Terra, cerca de 6370 km):

Observe que a altitude do apogeu é maximizada (em cerca de 1320 km) para uma trajetória que percorre um quarto do caminho ao redor da Terra (10 000km  ) . Intervalos mais longos terão apogeus mais baixos na solução delta-v mínimo.

(onde g é a aceleração da gravidade na superfície da Terra). O Δ v aumenta com o alcance, estabilizando-se em 7,9 km/s à medida que o alcance se aproxima20 000  km (meia volta ao mundo). A trajetória delta-v mínimo para dar meia volta ao mundo corresponde a uma órbita circular logo acima da superfície (claro que na realidade teria que estar acima da atmosfera). Veja abaixo o tempo de voo.

Um míssil balístico intercontinental é definido como um míssil que pode atingir um alvo a pelo menos 5500 km de distância e, de acordo com a fórmula acima, requer uma velocidade inicial de 6,1 km/s. Aumentar a velocidade para 7,9 km/s para atingir qualquer ponto da Terra requer um míssil consideravelmente maior porque a quantidade de combustível necessária aumenta exponencialmente com delta-v (consulte a equação do foguete ).

A direção inicial de uma trajetória delta-v mínimo aponta a meio caminho entre reto para cima e reto em direção ao ponto de destino (que está abaixo do horizonte). Novamente, este é o caso se a rotação da Terra for ignorada. Não é exatamente verdade para um planeta em rotação, a menos que o lançamento ocorra em um pólo.

Duração do voo

Num voo vertical de altitudes não muito elevadas, o tempo de queda livre é tanto para a parte ascendente como para a parte descendente a velocidade máxima dividida pela aceleração da gravidade, portanto com uma velocidade máxima de 1 km/s juntos 3 minutos e 20 segundos. A duração das fases de voo antes e depois da queda livre pode variar.

Para um voo intercontinental, a fase de impulso leva de 3 a 5 minutos, a queda livre (fase intermediária) cerca de 25 minutos. Para um ICBM, a fase de reentrada atmosférica leva cerca de 2 minutos; isso será mais longo para qualquer pouso suave, como para um possível voo comercial futuro.

Voos suborbitais podem durar de apenas alguns segundos a dias. A Pioneer 1 foi a primeira sonda espacial da NASA , destinada a alcançar a Lua . Uma falha parcial fez com que ele seguisse uma trajetória suborbital, reentrando na atmosfera da Terra 43 horas após o lançamento.

Para calcular o tempo de voo para uma trajetória delta-v mínimo, de acordo com a terceira lei de Kepler , o período para toda a órbita (se não passasse pela Terra) seria:

Usando a segunda lei de Kepler , multiplicamos isso pela porção da área da elipse varrida pela linha do centro da Terra até o projétil:

Isso dá cerca de 32 minutos para percorrer um quarto do caminho ao redor da Terra e 42 minutos para dar meia volta. Para distâncias curtas, esta expressão é assintótica para .

Da forma envolvendo arco-cosseno, a derivada do tempo de voo em relação a d (ou θ) vai a zero quando d se aproxima20 000  km (meia volta ao mundo). A derivada de Δ v também vai para zero aqui. Então se d =19 000  km , o comprimento da trajetória delta-v mínimo será de cerca de19 500  km , mas levará apenas alguns segundos a menos do que a trajetória para d =20 000  km (para o qual a trajetória é20 000  km de extensão).

Perfis de voo

Perfil para o primeiro voo suborbital americano tripulado, 1961. Foguete de lançamento levanta a espaçonave pelos primeiros 2:22 minutos. Linha tracejada: gravidade zero.
Capa de Science and Mechanics de novembro de 1931, mostrando uma espaçonave suborbital proposta que atingiria uma altitude de 700 milhas (1.100 km) em sua viagem de uma hora de Berlim a Nova York.

Embora existam muitos perfis de voo suborbitais possíveis, espera-se que alguns sejam mais comuns do que outros.

O X-15 (1958–1968) foi lançado a uma altitude de 13,7 km por uma nave-mãe B-52 , elevou-se a aproximadamente 100 km e depois deslizou até o solo.

Misseis balísticos

Os primeiros veículos suborbitais que chegaram ao espaço foram os mísseis balísticos . O primeiro míssil balístico a chegar ao espaço foi o alemão V-2 , trabalho dos cientistas de Peenemünde , em 3 de outubro de 1942, que atingiu uma altitude de 60 milhas (97 km). Então, no final da década de 1940, os EUA e a URSS desenvolveram simultaneamente mísseis, todos baseados no foguete V-2 e, em seguida, mísseis balísticos intercontinentais (ICBMs) de alcance muito maior. Existem agora muitos países que possuem ICBMs e ainda mais com mísseis balísticos de alcance intermediário (IRBMs) de alcance mais curto.

voos turísticos

Os voos turísticos suborbitais se concentrarão inicialmente em atingir a altitude necessária para se qualificar como alcance do espaço. A trajetória de voo será vertical ou muito íngreme, com a espaçonave pousando de volta ao local de decolagem.

A espaçonave desligará seus motores bem antes de atingir a altitude máxima e, em seguida, desacelerará até seu ponto mais alto. Durante alguns minutos, desde o momento em que os motores são desligados até o ponto em que a atmosfera começa a desacelerar a aceleração descendente, os passageiros experimentarão a ausência de peso .

O Megaroc foi planejado para voos espaciais suborbitais pela British Interplanetary Society na década de 1940.

No outono de 1945, o grupo M. Tikhonravov K. e NG Chernysheva na tecnologia de artilharia de foguetes NII-4 Academy of Sciences por iniciativa própria, o primeiro projeto de foguete estratosférico foi desenvolvido por VR-190 para vôo vertical dois pilotos a uma altitude de 200 km com base no foguete balístico alemão V-2 capturado .

Em 2004, várias empresas trabalharam em veículos desta classe como participantes da competição Ansari X Prize. A Scaled Composites SpaceShipOne foi oficialmente declarada por Rick Searfoss como vencedora da competição em 4 de outubro de 2004, após completar dois voos em um período de duas semanas.

Em 2005, Sir Richard Branson, do Virgin Group, anunciou a criação da Virgin Galactic e seus planos para uma SpaceShipTwo com capacidade para 9 lugares chamada VSS Enterprise . Desde então, foi concluído com oito assentos (um piloto, um co-piloto e seis passageiros) e participou de testes de transporte cativo e com a primeira nave-mãe WhiteKnightTwo , ou VMS Eve . Ele também completou deslizamentos solitários, com as seções móveis da cauda em configurações fixas e "emplumadas". O motor de foguete híbrido foi acionado várias vezes em estandes de teste terrestres e foi acionado em um voo motorizado pela segunda vez em 5 de setembro de 2013. Quatro SpaceShipTwos adicionais foram encomendados e operarão no novo Spaceport America . Os voos comerciais com passageiros eram esperados para 2014, mas foram cancelados devido ao desastre durante o voo SS2 PF04 . Branson afirmou: "[nós] vamos aprender com o que deu errado, descobrir como podemos melhorar a segurança e o desempenho e então seguir em frente juntos."

Experimentos científicos

Um dos principais usos de veículos suborbitais hoje é como foguetes de sondagem científica . Os voos suborbitais científicos começaram na década de 1920, quando Robert H. Goddard lançou os primeiros foguetes movidos a combustível líquido , porém eles não atingiram a altitude espacial . No final da década de 1940, os mísseis balísticos alemães V-2 capturados foram convertidos em foguetes de sondagem V-2 , que ajudaram a estabelecer as bases para os modernos foguetes de sondagem. Hoje existem dezenas de diferentes foguetes de sondagem no mercado, de diversos fornecedores em diversos países. Normalmente, os pesquisadores desejam realizar experimentos em microgravidade ou acima da atmosfera.

Transporte suborbital

Pesquisas, como a feita para o projeto X-20 Dyna-Soar, sugerem que um voo suborbital semibalístico poderia viajar da Europa para a América do Norte em menos de uma hora.

No entanto, o tamanho do foguete, em relação à carga útil necessária para isso, é semelhante ao de um ICBM. ICBMs têm delta-v um pouco menos que orbital; e, portanto, seria um pouco mais barato do que os custos para atingir a órbita, mas a diferença não é grande.

Devido ao alto custo do voo espacial, é provável que os voos suborbitais sejam inicialmente limitados a entregas de carga de alto valor e urgência, como voos de correio , operações militares de resposta rápida ou turismo espacial .

O SpaceLiner é um conceito de avião espacial suborbital hipersônico que pode transportar 50 passageiros da Austrália para a Europa em 90 minutos ou 100 passageiros da Europa para a Califórnia em 60 minutos. O principal desafio reside em aumentar a fiabilidade dos diferentes componentes, nomeadamente dos motores, de forma a possibilitar a sua utilização no transporte de passageiros no dia-a-dia.

A SpaceX está potencialmente considerando o uso de sua nave estelar como um sistema de transporte suborbital ponto a ponto.

Voos espaciais suborbitais não tripulados notáveis

  • O primeiro voo espacial suborbital foi em 20 de junho de 1944, quando o MW 18014, um foguete de teste V-2 , foi lançado de Peenemünde na Alemanha e atingiu 176 quilômetros de altitude.
  • Bumper 5, um foguete de dois estágios lançado do White Sands Proving Grounds . Em 24 de fevereiro de 1949, o estágio superior atingiu uma altitude de 248 milhas (399 km) e uma velocidade de 7.553 pés por segundo (2.302 m/s; Mach 6,8).
  • Albert II , um macaco rhesus macho , tornou-se o primeiro mamífero no espaço em 14 de junho de 1949 em um vôo suborbital da Base Aérea de Holloman , no Novo México, a uma altitude de 83 milhas (134 km) a bordo de um foguete V-2 dos EUA. .
  • URSS — Energia , 15 de maio de 1987, uma carga Polyus que não conseguiu atingir a órbita; este foi o objeto mais massivo lançado em voos espaciais suborbitais até hoje.

Voos espaciais suborbitais tripulados

Acima de 100 km (62,14 mi) de altitude.

Data (GMT) Missão Equipe País Observações
1 1961-05-05 Mercúrio-Redstone 3 Alan Shepard  Estados Unidos Primeiro voo espacial suborbital tripulado, primeiro americano no espaço
2 21/07/1961 Mercúrio-Redstone 4 Virgil Grissom  Estados Unidos Segundo voo espacial suborbital tripulado, segundo americano no espaço
3 1963-07-19 X-15 Voo 90 Joseph A. Walker  Estados Unidos Primeira nave alada no espaço
4 22/08/1963 X-15 Voo 91 Joseph A. Walker  Estados Unidos Primeira pessoa e espaçonave a fazer dois voos ao espaço
5 1975-04-05 Soyuz 18a Vasili Lazarev
Oleg Makarov
 União Soviética Lançamento orbital falhado. Abortado após mau funcionamento durante a separação de palco
6 21/06/2004 Voo SpaceShipOne 15P Mike Melvill  Estados Unidos Primeiro voo espacial comercial
7 29/09/2004 Voo 16P da SpaceShipOne Mike Melvill  Estados Unidos Primeiro de dois voos para ganhar Ansari X-Prize
8 2004-10-04 Voo SpaceShipOne 17P Brian Binnie  Estados Unidos Segundo voo do X-Prize, conquistando o prêmio
9 2021-07-20 Azul Origem NS-16 Jeff Bezos
Mark Bezos
Wally Funk
Oliver Daemen
 Estados Unidos Primeiro voo tripulado da Blue Origin
10 13/10/2021 Azul Origem NS-18 Audrey Powers
Chris Boshuizen
Glen de Vries
William Shatner
 Estados Unidos Segundo voo tripulado da Blue Origin
11 2021-12-11 Azul Origem NS-19 Laura Shepard Churchley
Michael Strahan
Dylan Taylor
Evan Dick
Lane Bess
Cameron Bess
 Estados Unidos Terceiro voo tripulado da Blue Origin
12 31-03-2022 Azul Origem NS-20 Marty Allen
Sharon Hagle
Marc Hagle
Jim Kitchen
George Nield
Gary Lai
 Estados Unidos Quarto voo tripulado da Blue Origin
13 2022-06-04 Azul Origem NS-21 Evan Dick
Katya Echazarreta
Hamish Harding
Victor Correa Hespanha
Jaison Robinson
Victor Vescovo
 Estados Unidos Quinto voo tripulado da Blue Origin
14 2022-08-04 Azul Origem NS-22 Coby Cotton
Mário Ferreira
Vanessa O'Brien
Clint Kelly III
Sara Sabry
Steve Young
 Estados Unidos Sexto voo tripulado da Blue Origin
Linha do tempo dos voos suborbitais SpaceShipOne, SpaceShipTwo, CSXT e New Shepard. Onde o booster e a cápsula alcançaram altitudes diferentes, a maior é plotada. No arquivo SVG, passe o mouse sobre um ponto para mostrar os detalhes.

Futuro do voo espacial suborbital tripulado

Empresas privadas como Virgin Galactic , Armadillo Aerospace (reinventada como Exos Aerospace), Airbus , Blue Origin e Masten Space Systems estão se interessando por voos espaciais suborbitais, em parte devido a empreendimentos como o Ansari X Prize. A NASA e outros estão experimentando aeronaves hipersônicas baseadas em scramjet , que podem muito bem ser usadas com perfis de voo que se qualificam como voos espaciais suborbitais. Entidades sem fins lucrativos como ARCASPACE e Copenhagen Suborbitals também tentam lançamentos baseados em foguetes .

Veja também

Referências