Você sabe como é realizada a operação de lançamento de um veículo espacial? Com certeza, você já assistiu alguma operação de lançamento pela TV, em seus momentos finais, quando os astronautas estão no interior da nave, ansiosos pelo momento da partida! Essa fase é marcada por uma emocionante contagem regressiva. Entretanto, a operação de lançamento de um veículo espacial é muito mais complexa do que parece e tem início muito antes do momento do lançamento. Vamos conhecer um pouco desse processo.

Fig. 1 – Último lançamento do ônibus espacial Endeavour. Essa imagem foi obtida segundos após o lançamento de uma nave massiva levando seis astronautas ao espaço. O ônibus espacial foi enviado à Estação Espacial Internacional e levou consigo um detector chamado “Espectrômetro Magnético Alfa”, utilizado para detectar tipos específicos de matéria escura, antimatéria carregada, dentre outros tipos de matéria. Crédito: NASA

1. Operações pré-lançamento

Inicialmente, consideremos que a ideia do lançamento tem origem muito antes do fato propriamente dito. Para que lançamos um veículo ao espaço? Por diversas razões. Pode ser para enviar astronautas para realizar reparos em um telescópio ou satélite em órbita da Terra; pode ser para enviar uma sonda para estudar o campo magnético da Lua ou a superfície de Marte; pode ser uma sonda para estudar o clima espacial (resultante das interação dos plasmas emanados do Sol com o campo magnético da Terra); ou pode ser uma missão para enviar uma sonda para estudar um asteroide. Para cada tipo de missão, teremos necessidades específicas de tipo de foguete para enviar aquela nave ao espaço. Assim, naves espaciais mais complexas, como o ônibus espacial – que levam cargas e astronautas ao espaço e, logo, demanda maior segurança – precisam ser maiores e muito seguros. Mesmo uma missão robótica – não tripulada – requer segurança, pois os custos envolvidos em uma missão espacial são altíssimos, sendo então necessário minimizar ao máximo os riscos de se perder os equipamentos sob uma potencial explosão. Por exemplo, o custo médio para lançar um ônibus espacial é de 450 milhões de dólares por missão. Além do tipo de foguete, é preciso selecionar a trajetória de cada veículo espacial, de modo que ele atinja seu destino com eficiência. Dependendo da natureza da missão, a nave deverá ser lançada em um determinado intervalo de tempo, chamado de janela de lançamento (veremos adiante o que isso significa). Todas essas informações são fundamentais quando chegamos ao momento de, finalmente, lançar o veículo espacial. Aqui, tomaremos como exemplo o lançamento de um ônibus espacial da NASA, embora atualmente esses veículos espaciais tenham sido “aposentados”.

Na NASA, os veículos espaciais costumam ser lançados no Centro Espacial Kennedy, na Flórida. Consideremos o ônibus espacial nesse centro de lançamento.Confira no vídeo a seguir algumas imagens do centro de lançamento na Flórida, Estados Unidos.

Temos assim uma nave espacial, onde ficam os astronautas e a carga (partes de satélites, suprimentos etc.), e temos o veículo lançador (Launch Vehicle – LV), ou foguetes. No caso do ônibus espacial, há um grande tanque de combustível líquido, e dois tanques menores de combustível sólido – esses são seus veículos lançadores. Esses foguetes efetuam o transporte do ônibus espacial para a órbita da Terra. Tanto o veículo espacial quanto o veículo lançador são transportados ao local de lançamento cerca de três meses antes do lançamento. É necessário integrar (juntar) a nave ao veículo lançador. Assim, é preciso verificar se a nave espacial caberá no compartimento de carga do foguete, certificar-se de que a nave não sofrerá danos oriundos das forças que sofrerá durante o lançamento, e assegurar que o veículo lançador colocará a nave espacial na trajetória correta, de modo que ela atinja o seu destino e atinja assim seu objetivo de missão, que pode ser, por exemplo, colocar um satélite em órbita baixa da Terra. A nave espacial é encapsulada em uma espécie de compartimento de proteção (coifa), que serve para proteger a nave durante sua ascensão, sendo depois eliminado. Esse compartimento protege os sistemas delicados da nave espacial, que de outra forma seriam afetados pelos enormes atritos oriundos do lançamento em que a nave precisa atravessar toda a atmosfera terrestre. Essa nave espacial encapsulada é transportada para o local do lançamento e içada por guindaste, sendo acoplada ao topo do veículo lançador. Isso ocorre cerca de 10 dias antes do lançamento, momento em que geralmente um relógio de contagem regressiva começa a funcionar.

O ônibus espacial é assim posicionado na plataforma de lançamento. Essa plataforma é móvel e todas as atividades são gerenciadas a partir de um centro de controle de lançamento. A nave espacial é unida eletrônica e mecanicamente ao equipamento de apoio em solo. É feita uma verificação dos diversos sistemas de equipamentos do veículo espacial, para checar se eles estão funcionando adequadamente. Ao mesmo tempo, coloca-se no compartimento de carga do ônibus espacial os materiais que ele deve levar ao espaço, tais como suprimentos, partes de satélites, ou mesmo satélites inteiros para serem colocados em órbita. Esse mesmo compartimento pode ser utilizado depois para trazer coisas do espaço para a Terra, tais como experimentos da Estação Espacial.

Centro de controle de lançamento

O centro de controle do Centro Espacial Kennedy da NASA possui um prédio de quatro andares. Cerca de 90 funcionários são responsáveis por monitorar e controlar a maior parte da montagem, verificação e operações de lançamento. Cada sala é equipada com um chamado sistema de processamento de lançamento. Na época das naves que foram enviadas à Lua, eram necessários cerca de 450 funcionários para executar as operações.

Fig. 2 - Diretor de voo. Examinando os detalhes finais do lançamento do ônibus espacial Atlantis. Crédito: NASA

2. Abastecimento de propelente pré-lançamento

Os tanques são abastecidos antes do início da contagem regressiva. Durante o abastecimento inicial, propelentes hipergólicos são injetados em tanques do veículo lançador. Essas operações são perigosas, pois esses propelentes entram em ignição quando em contato. Por isso, durante o abastecimento, outras atividades na plataforma de lançamento são suspensas. Depois, tanques na estrutura fixa da nave são preenchidos com oxigênio e hidrogênio líquidos. Enquanto isso, equipamentos são instalados no veículo espacial, e os trajes espaciais para operações extraveiculares são armazenados com outros itens de equipamentos da tripulação.

Fig. 3 - O ônibus espacial e seus lançadores. Ele consiste de três componentes principais: a nave espacial (orbiter), onde ficam os astronautas; um tanque externo grande (external tank) que carrega o combustível do foguete principal; e os foguetes lançadores de combustível sólido (solid rocket buster) que fornecem a maior parte do impulso à nave durante os dois primeiros minutos de voo. Todos os componentes são reutilizáveis, exceto o tanque de combustível externo, que é queimado na atmosfera após cada lançamento. Crédito: NASA.

No momento do lançamento, a nave e o tanque externo do ônibus espacial levam um total de 835.958 galões de propelentes, compreendendo hidrogênio, oxigênio, hidrazina, monometilhidrazina e tetróxido de nitrogênio. O peso total é de 729.006.853 kg (Extraído do sítio da NASA).

3. Lançando na hora certa: janela de lançamento

Trata-se do intervalo de tempo em que o lançamento deve acontecer. E por que não podemos lançar o veículo a qualquer momento? Há diversos fatores que determinam uma janela de lançamento: segurança, objetivos de missão, economia de combustível. É fundamental assegurar que os objetivos específicos da missão sejam atingidos. Assim, consideremos um veículo espacial que precisa atingir uma posição específica no espaço. Em uma missão interplanetária, a janela de lançamento geralmente dura algumas semanas, devido à localização da Terra em sua órbita ao redor do Sol, a fim de permitir que o veículo use o movimento orbital da Terra para alcançar sua trajetória com eficiência, e para controlar o tempo para que o veículo chegue a seu destino quando o planeta-alvo estiver na posição desejada. Já no caso de veículos espaciais tripulados, é fundamental uma janela de lançamento que permita trazer os astronautas ao solo com segurança. A janela de lançamento também pode durar apenas algumas horas, para que o satélite se beneficie do movimento de rotação da Terra (Basics of Spaceflight, JPL) para ser impulsionada ao espaço, assim economizando combustível. Se um satélite fosse lançado na hora errada, mesmo em um dia de condições perfeitas, ele poderia terminar em uma órbita diferente da planejada. Se o tempo não estiver bom ou alguma falha técnica ocorrer, o voo deve ser adiado até a próxima janela de lançamento (How Stuff Works).

4. Contagem regressiva

Atualmente, uma operação de lançamento dura cerca de 40 horas. No início da era espacial, tais operações duravam mais de 80 horas. Na sequência, veremos alguns dos principais eventos que ocorrem durante uma contagem regressiva para o lançamento de um ônibus espacial da NASA:

Lançamento Menos 3 dias: início da contagem. O diretor de voo verifica que a equipe responsável por monitorar a operação de lançamento está a postos e pronta para prosseguir. O primeiro item da lista é a verificação do sistema de apoio do voo. Também é feita a armazenagem de elementos para a tripulação na nave. Tem início o abastecimento do tanque externo.

Lançamento Menos 2 dias: pessoal é retirado da plataforma de lançamento, enquanto oxigênio e hidrogênio líquidos abastecem os tanques do ônibus espacial. Uma vez finalizada essa operação, a área da plataforma de lançamento é aberta novamente e as preparações pré-lançamento têm continuidade. Os sistemas de controle de voo, navegação e comunicação são ativados. No momento Lançamento Menos 11 Horas, uma interrupção planejada na contagem tem início e pode durar até 26 horas e 16 minutos, dependendo do tipo da carga, testes exigidos e outros fatores.

Lançamento Menos 1 dia: é feita a instalação dos itens restantes do equipamento dos astronautas. Posições da cabine são verificadas e amostras de oxigênio são obtidas na área da tripulação. As células de combustível são ativadas. É estabelecida comunicação com o Centro de Controle de Missão, em Houston. Finalmente, a plataforma de lançamento é novamente liberada de todo o pessoal, enquanto ar condicionado que era ventilado no compartimento de carga e em outras cavidades da nave é substituído por nitrogênio gasoso inerte, em preparação para encher o tanque externo com propelentes super frios.

Em momentos determinados da contagem regressiva, realizam-se pausas no relógio de contagem como parte do procedimento para fornecer à equipe de solo tempo para resolver questões inesperadas que possam surgir.

T menos 20 minutos – tem início uma parada de 10 minutos.

T menos 9 minutos – o relógio tipicamente é interrompido durante 45 minutos. O diretor de voo obtém a verificação “pronto para lançamento” de sua equipe. Durante a interrupção, os oficiais de cada área dizem se o veículo está pronto ou não para o lançamento. Esses técnicos monitoram de perto em seus computadores que mostram o desempenho dos sistemas do veículo espacial na plataforma de lançamento (Space.com). Boletins de tempo também são analisados para verificar se as condições atendem os critérios de segurança para as operações. A contagem regressiva final tem início. Todas as funções de lançamento são agora automaticamente controladas por um computador.

T menos 7 minutos, 30 segundos – o braço mecânico de acesso da nave é retirado. Caso ocorra uma emergência que exija a evacuação da tripulação da nave, o braço pode ser estendido tanto manualmente quanto automaticamente em cerca de 15 segundos.

T menos 5 minutos, 15 segundos – um comando é transmitido para ativar os gravadores instrumentais de operações. Esses gravadores armazenam informações relacionadas ao desempenho da subida, período em órbita e retorno à Terra. Esses dados são analisados após a aterrissagem.

T menos 5 minutos – a tripulação a bordo ativa as unidades de potência auxiliares, para fornecer pressão para os três sistemas hidráulicos do veículo espacial. Nesse momento, o circuito de ignição para os foguetes de propelente sólido são ativados mecanicamente.

T menos 4 minutos – preparação para ignição dos foguetes.

T menos 2 minutos, 35 segundos – operações finais de abastecimento.

T menos 31 segundos – os computadores a bordo do ônibus espacial iniciam sua sequência final de lançamento. Qualquer problema após esse momento demandará uma interrupção, e o relógio contará a partir de T menos 20 minutos. Entretanto, se tudo transcorrer bem, somente um comando em terra será necessário para autorizar o lançamento. Trata-se do “OK para iniciação do foguete principal”, que ocorre a T-menos 10 segundos. Entretanto, o sequenciador de lançamento de solo continua a monitorar centenas de funções e pode automaticamente requerer uma interrupção ou suspensão, caso algum problema ocorra.

T menos 10 segundos – comando para “OK para iniciação do foguete principal”

T menos 6.6 segundos – os três foguetes principais sofrem ignição a intervalos de 120 milissegundos.

T menos zero – o lançamento ocorre, e o contador de tempo do evento da missão tem início. Confira esse exemplo, do lançamento do último ônibus espacial da NASA.

No caso da NASA, o centro de controle de lançamento está localizado em Houston, Texas. É o mesmo centro espacial onde ocorre o processo de seleção e treinamento de astronautas. Há uma equipe de profissionais que trabalham como que em uma orquestra, para assegurar que tudo ocorra bem antes, durante e após o momento do lançamento. Alguns profissionais envolvidos nas operações:

Diretor de Voo (FD)- líder do processo

Comunicador do Veículo Espacial (CAPCOM) – comunicações entre o centro de controle e o veículo espacial em órbita.

Oficial de dinâmica de voo (FDO) – planeja manobras e segue a trajetória do veículo espacial, em colaboração com o Diretor de Orientação.

Oficial de orientação (GDO), responsável por monitorar o software de navegação e orientação do veículo espacial.

Engenheiro de Sistemas de Processamento de Dados (DPS), rastreia os sistemas de processamento de dados da nave espacial, incluindo os cinco computadores de bordo de objetivo principal, os sistemas de mal funcionamento e softwares de sistemas.

Cirurgião de voo (Surgeon) – monitora as atividades da tripulação e as operações médicas da equipe de controle de voo, fornecendo consultas médicas à tripulação, conforme a necessidade, e mantendo o diretor de voo informado sobre o estado de saúde da tripulação.

Engenheiro dos sistemas de lançadores (Booster) – responsável por monitorar e avaliar o foguete principal, o desempenho do lançador de propelente sólido e do tanque externo antes do lançamento e durante a fase de lançamento do veículo espacial.

Engenheiro de sistemas de propulsão (Prop) – monitora e avalia o desempenho do controle de reação e sistemas de manobras orbitais durante todas as fases do voo e fica encarregado do gerenciamento de propelentes e outros recursos consumíveis para várias manobras do veículo espacial.

Engenheiro de sistemas de navegação e controle (GNC) – responsável por monitorar todos os sistemas de orientação, navegação e controle do veículo espacial. O GNC também mantém o diretor de voo e a tripulação informados de possíveis situações de aborto de missão e mantém a tripulação ciente de quaisquer problemas de orientação.

Engenheiro de sistemas elétricos, ambientais e de consumíveis (EECOM) – responsável por monitorar o suprimento de criogênicos disponíveis para abastecimento das células, aviônica e sistemas de resfriamento de cabines, bem como distribuição elétrica, pressão na cabine e sistemas de iluminação da cabine.

Engenheiro de instrumentação e comunicação (INCO) – responsável pelo planejamento e monitoramento de sistemas de comunicações e instrumentação durante o voo.

Controle de Solo (GC) – responsável pela manutenção e operação de hardware, software e instalações de apoio do centro de controle em Houston. O GC também coordena atividades de rastreamento e dados do Centro de Voo Espacial NASA Goddard, em Greenbelt, MD.

Oficial de Atividades de Voo (FAO), planeja e apoia as atividades da tripulação, listas de tarefas, procedimentos e prazos.

Oficial de Cargas (Payloads) – responsável pela coordenação de interfaces de sistemas de solo e a bordo entre a equipe de controle de voo e os usuários das cargas.

Engenheiro de Manutenção, Braço Mecânico e Sistemas de Tripulação (MMACS) – chamado “Max”, monitora operações do braço remoto manipulador e os sistemas estruturais e mecânicos do veículo espacial. Ele também observa o hardware da tripulação e a manutenção de equipamentos durante o voo.

Oficial de Relações Públicas (PAO) – fornece comentários sobre a missão e explica conversações do espaço para a Terra e operações de controle de voo para a imprensa e o público (Fonte: NASA). Confira no vídeo abaixo um pouco de como esse trabalho acontece na prática