Programa do Veículo Lançador de Satélites - VLS-1

[miraglia]

A solução de sistemas pressurizados é perfeitamente possível para qualquer massa de carga útil. Existem projetos de lançadores de baixo custo com esta opção, por exemplo:

O Sea Dragon um super lançador com capacidade de colocação em órbita baixa de 580 toneladas utilizando o sistema de pressurização sem turbo bomba, utilizando RP1 / LOX. Vejam os estudos completos nestes links:

http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi. ... 069339.pdf

http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi. ... 069340.pdf

Outro estudo interessante é o "North American Rockwell Minimum Cost Booster" de 1968 mostra a possibilidade de construção de lançadores com capacidade de carga de 4500 a 45.000 Kg em órbita baixa, com sistema pressurizado a gás utilizando NTO / UDMH como propelente.

No link http://www.up-ship.com/drawndoc/drawndocspaceother.htm tem o documento, entre outors muito bons.

Eng. Miraglia
www.edgeofspace.org
www.minifoguete.com
www.foguete.org

[LeandroGCard]

De fato alguns projetos para lançadores de maior porte usando alimentação por pressurização dos tanques foram propostos, como o já citado Sea Dragon e o Aquarius. Mas nenhum deles chegou realmente ao nível de desenvolvimento de engenharia, pois alguns conceitos deveriam ser provados antes de se garantir que estes projetos seriam possíveis:

Sea Dragon: http://www.astronautix.com/lvs/searagon.htm

Aquarius: http://www.astronautix.com/lvs/aquarius.htm


No caso do Sea Dragon por exemplo estava-se falando de um motor-foguete cuja câmara de combustão teria cerca de 20 metros de diâmetro! Não se tem idéia de como um motor deste porte se comportaria na prática com relação às trocas de calor, vibrações, estabilidade da combustão, etc... . O conceito não foi considerado atraente o suficiente para ser testado na prática.

O Aquarius seria um projeto mais modesto, com um tamanho até pequeno, mas sua confiabilidade seria mínima, esperando-se uma falha para cada 3 lançamentos. Apenas cargas muito baratas como consumíveis para a ISS (água, oxigênio, alimentos, etc...) poderiam ser lançadas. Não se poderia arriscar o lançamento de satélites aplicativos, que custam muito caro, com este nível de confiabilidade.

O problema é que sistemas de alimentação por pressurização dos tanques exigem o uso de pressões de alimentação relativamente baixas, o que exige motores mais volumosos e pesados, e ainda assim os tanques de combustível ficam bem mais pesados. O resultado é que os foguetes usando este sistema tem baixa eficiência em termos de massa total/carga útil. Para cargas pequenas que usam foguetes pequenos, onde outras considerações são mais importantes (efeitos aerodinâmicos, massa dos ítens de peso fixo como aviônicos, etc...) tudo bem, mas para cargas maiores os foguetes ficariam muito grandes e o aumento do seu custo de construção/manuseio acabaria sendo maior que o custo da adoção de um sistema de turbobombas em um foguete menor. Aumentar de 10 para 20 toneladas a massa total de um foguete capaz de lançar 100 Kg em órbita não é um grande problema, mas passar de 300 para 600 em um foguete para 7 toneladas de carga começa a ficar mais caro que a adoção de turbobombas.


Leandro G. Card

[miraglia]

Leandro

Este estudo "Package, preliminary design data for phase A/B study for a pressure fed engine on a reusable space shuttle booster" que pode ser encontrado no link http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi. ... 064115.pdf mostra o projeto do motor pressurizado (LOX/RP1) para um possível booster do space shuttle reutilizável, vale a pena conferir. Veja como é viável a solução.

Eng. Miraglia
www.edgeofspace.org
www.minifoguete.com
www.foguete.org

[LeandroGCard]

Os sistemas de maior porte são tecnicamente viáveis, o que não se pode garantir é que sejam realmente mais econômicos quando comparados com o uso de turbobombas. Veja este exemplo do Beal Ba-2 da empresa Beal Aerospace, desenvolvimento real que mais chegou perto do conceito em discussão:

http://www.astronautix.com/lvs/bealba2.htm

Observe que é um foguete concebido para 7 Toneladas, a capacidade mais "comercial" hoje no mercado de lançamentos, e pesaria "apenas" 450 toneladas graças ao uso de materiais compostos e 3 estágios (usando H2O2 como oxidante, veja só!). Era de fato um projeto muito interessante, mas foi abandonado quando a NASA passou a financiar o desenvolvimento do Delta-IV, de maior capacidade de carga e conceito mais convencional.

http://www.astronautix.com/lvs/deltaiv.htm

As razões citadas em diversas fontes para a preferência da NASA pelo Delta-IV vão desde a vaidade, que a impedia de admitir que um projeto tão mais simples que os seus próprios pudesse funcionar, até questões de animosidade pessoal contra o fundador da empresa Beal Aerospace. Mas o fato é que existiam razões práticas para se preferir o Delta-IV ao novo foguete, como por exemplo (entre outras) o maior risco de acidentes com o uso de H2O2 altamente concentrado (bastante instável e susceptível a explosões na presença de impurezas) ao invés do LOx como oxidante, o grande tamanho do foguete (tornando muito discutível a possibilidade de um arranjo modular com versões em "cluster", típico dos sistemas de lançamento modernos), a disponibilidade de infra-estrutura básica para lançamento já pronta em cabo canaveral, e mesmo questões relativas ao custo de desenvolvimento, já que o Delta-IV utilizaria vários componentes já desenvolvidos, como o motor RL-10 do segundo estágio.

Na verdade não havia nenhuma garantia de que a eliminação das turbobombas resultaria em redução apreciável no custo por lançamento, pois o foguete teria praticamente o dobro do peso do Delta-IV (e uma proporção maior deste seria do caro hardware e não só de combustível, dada a necessidade de estruturação dos tanques e o enorme tamanho dos motores) e utilizaria 3 estágios ao invés de apenas 2. Os motores do foguete da Lockheed utilizam ciclo aberto e um sistema de bombas simplificado, o que torna seu custo muito menor que o de outros motores mais complexos usados anteriormente. Então não havia porque arriscar no desenvolvimento de algo totalmente novo por uma empresa sem tradição na área. O dono da Beal Aerospace provavelmente percebeu isso, e abandonou o desenvolvimento do seu foguete quando a NASA passou a apoiar o Delta-IV e as empresas de comunicações desistiram do lançamento de constelações de satélites (que demandariam mais foguetes do que os que poderiam ser lançados de cabo canaveral, independente do custo).

Pode ser que no futuro ainda se prove que o abandono das turbobombas e a adoção dos sistemas de pressure-fed permite o desenvolvimento de foguetes grandes mais simples e baratos para o lançamento de satélites, mas a tendência atual é por simplificar os sistemas mas manter as turbobombas, que atualmente nem são mais tão complexas de produzir, dados os avanços em projetos 3D e usinagem multi-eixos.




Leandro G. Card

[LeandroGCard]

Leandro

Este estudo "Package, preliminary design data for phase A/B study for a pressure fed engine on a reusable space shuttle booster" que pode ser encontrado no link http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi. ... 064115.pdf mostra o projeto do motor pressurizado (LOX/RP1) para um possível booster do space shuttle reutilizável, vale a pena conferir. Veja como é viável a solução.

Dei uma olhada rápida neste estudo, e algumas coisas me chamaram a atenção. Este motor definitivamente não foi pesquisado tendo em vista a aplicação no mesmo conceito de ônibus espacial que viemos a conhecer depois, pois suas características são completamente diferentes das do SSME:

- Ele utilizaria alimentação com pressões na faixa de 26 bar, o que pediria no mínimo 30 bar nos tanques de combustível do Shuttle. Levando em conta que estes tanques foram projetados para cerca de 3 bar, como é que se conseguiria aumentar sua capacidade para 10 vezes este valor sem impactar de forma absurda na relação de massa do sistema?

- O impulso específico especificado está em menos de 250s, contra os mais de 360s dos SSME ao nível do mar e mais de 450s no vácuo. Seria totalmente impossível manter o conceito de SSTO com um impulso específico tão baixo e qualquer relação de massa concebível. Um foguete convencional razoável teria que usar pelo menos 3 estágios (mais provavelmente 4) para orbitar qualquer carga com este nível de Isp. O VLS, que não é nenhuma maravilha, tem Isp acima de 270s e precisa de 4 estágios.


É este tipo de problema a que me refiro, em termos de conceito o uso de Pressure Feed Systems em foguetes de maior porte é perfeitamente possível, mas ele não faz muito sentido em termos de engenharia, a menos que se adotem soluções radicais que jamais foram testadas na prática.


Leandro G. Card

[miraglia]

Leandro

Este motor é para substituir os motores dos boosters sólidos os SRM, não os SSME. Por isso tem um Isp baixo.

E é também para ser reutilizável.

[]s

Miraglia

[LeandroGCard]

Leandro

Este motor é para substituir os motores dos boosters sólidos os SRM, não os SSME. Por isso tem um Isp baixo.

E é também para ser reutilizável.

[]s

Miraglia

Neste caso está perfeito, os motores com sistemas Pressure Feed tem um comportamento muito próximo ao de motores-foguete de combustível sólido no que diz respeito a relação massa total/carga útil. Por isso são bem adequados para lançadores menores e boosters de qualquer tamanho, com algumas vantagens:

- Podem ser mais baratos, já que seus combustíveis são também mais baratos (principalmente com relação à manipulação) e a área sujeita a altas temperaturas é muito menor, permitindo o uso de materiais de construção mais simples ou de menos isolamento térmico.

- São mais simples de desenvolver, pois seus componentes (motores, tanques de combustível, sistemas de controle de fluxo) podem ser testados separadamente, e os testes podem ser facilmente abortados antes do fim da combustão no caso de problemas.

- Permitem maior flexibilidade na variação do empuxo.

- Podem facilmente utilizar vários motores menores no lugar de apenas um de maior porte, facilitando a construção de cada motor e permitindo ganhos de escala na produção.


Mas tem-se que manter em mente que boosters são sistemas auxiliares, e seu desempenho total em termos de impulso específico e relação massa/carga não é tão relevante (até porque são utilizados no primeiro estágio, onde a relação de massa geralmente não é tão importante como nos estágios superiores). Continuam válidas as dificuldades do Pressure Feed System para os motores principais de lançadores de maior porte.

Um grande abraço,


Leandro G. Card

[miraglia]

Amigos

Um ebook muito bom está neste link: http://www.quarkweb.com/nqc/lib/gencoll/

O nome do ebook "LEO On The Cheap" o autor Lt. Col John R. London III

Para baixar o ebook: http://www.quarkweb.com/nqc/lib/gencoll ... p_book.pdf

No capítulo 6 "Some Key Design Choices" temos uma excelente comparação entre os motores utilizando turbo bomba e os pressurizados a gás e custos, muito informativo e esclarecedor.

Motores como o motor da TRW o VTR-10 "Lunar Module Descent Engine" pressurizado usado no projeto Apollo com um empuxo de 43,8 kN.

Para mim num primeiro passo o motor do terceiro estágio do VLS Alpha, deveria ser pressurizado e não utilizar turbo-bomba, por exemplo no lugar de um L75 dois motores pressurizados de 40 kN, o custo e prazo para desenvolvimento seria muito menor. Enquanto isso em paralelo num segundo passo após o sucesso deste lançamento partir para motores utilizando turbo bomba com empuxo de no mínimo 250 kN a 300 kN, dobrando estes valores numa segunda etapa de desenvolvimento.

Saudações

Eng. Miraglia
www.edgeofspace.org
www.foguete.org
www.minifoguete.org

[LeandroGCard]

Excelente a dica do livro, já baixei este é daqueles que vou ler de cabo a rabo, como um romance. Às vezes (na verdade sempre) tenho a impressão de que o pessoal do IAE precisaria ler textos como este, ao invés de ficar apenas estudando na bibliografia padrão das pós-graduações da área de propulsão.

Com relação à sugestão para o VLS-Alpha concordo inteiramente, e na verdade vou até mais além. Não compreendo porque um terceiro estágio usando um MFPL com sistema pressure feed não foi desenvolvido para um foguete da categoria do VLM há muitos anos, logo após os lançamentos bem sucedidos do Sonda-IV. A equipe que desenvolvia os motores dos foguetes Sonda estava disponível e iniciando os trabalhos em propulsão líquida (cruzei com um deles na COPPE, onde ficou por 4 anos estudando um assunto que nem era diretamente envolvido com foguetes!), e era o desenvolvimento lógico a ser seguido. Seria possível por exemplo utilizar apenas 2 motores S-43 e mais um pequeno estágio de estágio de combustível líquido com 500 ou 600 Kg de massa para lançar cargas até a faixa dos 50 Kg diretamente da base do próprio Sonda-IV no CLBI, sem a necessidade dos altos investimentos para se construir Alcântara e chegar ao VLS. Este poderia ter ficado para depois que o programa espacial brasileiro já tivesse algum resultado prático para apresentar. Um foguete complexo como o VLS jamais deveria ter sido proposto para o primeiro lançador de satélites do país.

Nada parecido com isso foi pensado na época, o que hoje se percebe ter sido um grande erro, mas não existe nada que impeça alguma idéia do tipo de ser retomada hoje, fora é claro a absoluta fixação do IAE com o VLS.


Leandro G. Card

[miraglia]

O PEB precisa mostrar resultados, colocar algum satélite em órbita, mesmo um pequeno já seria suficiente para levantar a moral e mostrar que somos capazes como tecnologia nacional sem precisar de consultores do exterior. Temos profissionais extremamente capazes.
Eu gosto muito de citar o exemplo do foguete japonês o Lambda 4S que em 1970 colocou um satélite o OHSUMI de 24 Kg em órbita, o Lambda 4S utilizava 4 estágios de propelente sólido com Isp baixo e colocou o Japão no clube. O lançador japonês parecia mais um foguete de sondagem mas foi perfeito. Vejam o link: http://www.isas.jaxa.jp/e/enterp/rocket ... ndex.shtml

Nós precisamos quebrar paradigmas aqui no Brasil, ainda temos tempo, temos uma tecnologia maravilhosa de motores de propelente sólido o IAE fez um trabalho primoroso, motores S-43, S-40, S-44 entre outros......sabemos fazer, precisamos fazer.

Nos EUA o Vanguard não conseguiu lançar o primeiro satélite, ai a equipe do Von Braun em 1958, quebrando muitos paradigmas e batendo em muitas mesas colocou o Explorer I, com uma solução radical e ao mesmo tempo fantástica e ousada, um míssil Redstone modificado com clusters de motores foguete a propelente sólido, vejam abaixo
(http://history.nasa.gov/sputnik/expinfo.html)
Stage 1: Rocketdyne A-7 engine.--
Thrust, 83,000 lb; burning time, 155 seconds; specific impulse, 235 seconds; propellants, liquid oxygen, as oxidizer, and "Hydyne" (60% unsymmetrical, dimethylhydrazine and 40% diethylenetriamine), as fuel; propellant feed, turbopump type; turbopump drive, 90% hydrogen peroxide decomposed by catalyst bed to produce steam.

Stage 2: Eleven JPL scaled-down Sergeant rockets.--
Thrust, 16,500 lb; burning time, 6.5 seconds; specific impulse, 220 lb-sec/lb; propellant, polysulfide-aluminum and ammonium perchlorate (solid propellant).

Stage 3: Three JPL scaled-down Sergeant rockets.--
Thrust, 5,400 lb; burning time, 6.5 seconds; specific impulse, 235 lb-sec/lb; propellant, same as for Stage 2.

Stage 4: One JPL scaled-down Sergeant rocket.--
Thrust, 5,400 lb; burning time, 6.5 seconds; specific impulse, 235 lb-sec/lb; propellant, same as for Stage 2.

Tenho plena certeza que com uma equipe de profissionais certa, com comprometimento, "pés no chão" e recursos bem geridos, conseguimos colocar um micro satélite num curto espaço de tempo com a tecnologia que dispomos atualmente. Será que está faltando um verdadeiro Von Braun brasileiro ?

Miraglia

[LeandroGCard]

Acho que a questão passa por um outro aspecto, que é a falta de definição dos objetivos do Brasil no espaço. Enquanto objetivos claros não forem definidos não adiantará ter dinheiro, pessoal ou infra-estrutura industrial, os avanços continuarão lentos e erráticos.

Nos casos que você mencionou do Lambda 4S e do lançamento do Explorer-1 os objetivos eram bem claros, EUA e Japão precisavam mostrar que tinham competência para colocar um satélite, qualquer um, em órbita, qualquer uma. Era uma questão de prestígio nacional, pois a competência técnico/industrial é considerada uma das principais características da sociedade destes países, assim como na Alemanha, França, etc... . Mas a grande maioria das pessoas (políticos, imprensa e cidadãos comuns) possui uma capacidade muito limitada de compreender os detalhes envolvidos nas atividades técnico/científicas, e a visão da sociedade é formada por “impressões” criadas pela forma como os resultados são apresentados mais do que por suas minúcias, desde que existam resultados em si para serem mostrados. Foi isso que os lançamentos do Explorer-1 e de outros pequenos satélites americanos conseguiu, levar os políticos, a imprensa e a sociedade a apoiar a entrada dos EUA na corrida espacial, apesar do tamanho ridículo dos satélites se comparados aos soviéticos contemporâneos. O Lambda teve a mesma função no Japão, apesar de ser um foguete tão limitado que nem mesmo possuía controle de atitude, e terem sido necessários 5 lançamentos para que o Osumi entrasse em órbita, contando mais com a sorte que com qualquer outra coisa.

Já em nosso país não existe tradição no campo tecnológico, na verdade quem se preocupa com o assunto é considerado até “meio maluco”, o que cria um grande “gap” entre cientistas e engenheiros envolvidos com assuntos de tecnologia e o restante da sociedade. O pessoal técnico não consegue dialogar com pessoas de fora da área, e perceber a importância da apresentação de resultados práticos, mesmo que não sejam inovadores e de “qualidade científica” suficiente para serem publicados em revistas especializadas. Apenas trabalhos que puderem render uma tese de mestrado ou doutorado ou no mínimo um “paper” são dignos de ser executados, mesmo que os resultados práticos sejam postergados por anos. Utilizar métodos empíricos para desenvolver algum componente ou sistema é uma considerado uma "heresia". E o poder político também não toma a iniciativa de estabelecer os objetivos, por total falta de entendimento sobre o assunto.

Assim, sem saber onde quer chegar, o programa espacial brasileiro não sabe que caminhos tomar, o que priorizar, quanto vale a pena gastar, que tipo de pessoal precisa, como os trabalhos devem ser distribuídos, o que deve ser desenvolvido localmente, produzido sob licença ou importado, etc... . O único objetivo em vista é ainda conseguir lançar o VLS, que foi definido como objetivo 30 anos atrás em uma realidade completamente diferente, e como não se tem mais nada em vista tudo o que se faz no programa espacial brasileiro está preso a ele, da escolha dos MFPL`s a serem desenvolvidos ao tamanho dos satélites em projeto e desenvolvimento pelo INPE. E enquanto não for possível lançar pelo menos 1 VLS completo, complexo e cheio de riscos como ele é, sequer se pensa em realizar qualquer outra coisa no âmbito dos lançamentos de satélites, mesmo que seja muito mais rápido, simples e barato desenvolver um foguete menor para mostrar serviço, foguete este que ainda assim seria muito mais avançado que os primeiros lançadores americanos e japoneses.


Leandro G. Card

[ZeRo4]

Acho que a questão passa por um outro aspecto, que é a falta de definição dos objetivos do Brasil no espaço. Enquanto objetivos claros não forem definidos não adiantará ter dinheiro, pessoal ou infra-estrutura industrial, os avanços continuarão lentos e erráticos.

A Koslowa sempre falava disso... tem que ter um objetivo! e fazia uma comparação com o programa Isralense, que nasceu +- na mesma época! o objetivo deles eram desenvolver uma família de satélites (Ofeq) e um lançador para lançá-los (Shavit). Acabaram conseguindo fazer de forma até simples tanto o satélite quanto o lançador... e nós estamos aqui parados ainda!

[miraglia]

Um grande exemplo a ser seguido, a SpaceX (www.spacex.com) que acabou de lançar (hoje) o Falcon 9 com total sucesso, levou 9 minutos para colocar a capsula Dragon em LEO.

Lançaram também o Falcon 1 em com capacidade de 1 tonelada em LEO, um motor Merlin no primeiro estágio e 1 motor Kestrel (pressurizado a gás LOX/RP-1, injetor "pintle") no segundo estágio. http://www.spacex.com/falcon1.php

O Falcon 9com capacidade de 10 toneladas em LEO e 4,5 ton em GTO, utiliza 9 motores Merlin no primeiro estágio com 556 kN de empuxo cada e 1 Merlin com tubeira expandida no segundo estágio, queimando LOX / Querosene, motores com ciclo aberto com gerador de gás, o Merlin é o motor de ciclo aberto mais eficiente jamais projetado.
http://www.spacex.com/falcon9.php

Uma empresa particular fez, com muito menos dinheiro o que o PEB não consegue fazer em décadas de existência e com muito mais profissionais. Tem alguma coisa muito errada......não conseguimos fazer nem um Falcon 1 !!!!!

Eu diria que o VLS está para o PEB como o DOS estava para Microsoft, estagnando o desenvolvimento tecnológico, mas pelo menos o DOS ainda funcionava.

Miraglia

[LeandroGCard]

Pois é, fica evidente que o problema do programa espacial brasileiro vai muito além da simples falta de verba ou de boicotes internacionais. Existe um problema de base (a falta de uma direção séria que estabeleça e reavalie constantemente os objetivos do programa), e enquanto isto não aparecer o Brasil sequer pode dizer que tem de fato um programa espacial, o que temos é um grupo de pessoas trabalhando com foguetes, mas realizando apenas de forma burocrática um script escrito uns trinta anos atrás. A criação da AEB foi uma fonte de esperança na época em que ela surgiu, mas acabou sendo apenas um órgão político/administrativo que não acrescentou absolutamente nada ao programa além de mais burocracia.

Esta realização da SpaceX é realmente notável, pela objetividade dos desenvolvedores do programa. Eles desenvolveram este foguete usando apenas um único motor de tamanho médio, que nem é tão excepcional assim. No site deles eles o colocam como sendo uma maravilha, mas a comparação é com motores americanos antigos e o Isp de 304 é menor que o de motores russos da década de 50 como o RD-107/108:

- http://www.npoenergomash.ru/eng/engines/rd107/

Mas de qualquer forma o Merlin é um motor construído dentro dos conceitos mais modernos, em que a eficiência não é o principal parâmetro e sim a relação custo/benefício. É o tipo de desenvolvimento que se deve fazer em tecnologia, adotar as soluções mais simples e eficazes para resolver os problemas práticos, ao invés de passar anos em estudos e pesquisas teóricos visando o máximo avaço possível sem nunca apresentar resultados.

Este foguete Falcon-9 promete ser um forte competidor no mercado de lançamentos comerciais, com custo baixo, alta confiabilidade e todo o apoio dos EUA. Quero ver como o Cyclone-4 lançado de alcântara vai conseguir competir com ele, com o Soyuz russo lançado de Kourou e com os foguetes chineses. E a SpaceX ainda tem o Falcon-1, para satélites na faixa de 1 tonelada, assim como o Vega europeu que está quase pronto. E ainda tem gente que acha que o VLS pode ter alguma chance no mercado.


Leandro G. Card

[miraglia]

A SpaceX já divulgou o vídeo do lanaçmento do Falcon 9 , eles já tem lançamentos contratados até 2015, vejam no link:

http://www.spacex.com/launch_manifest.php

Inclusive com satélites da Argentina, Canadá, Israel, Malásia e muitos vôos para ISS.

Os motores russos RD-107 são realmente fantásticos.

Um documento excelente está neste link:

http://www.raketenspezialisten.de/pdf/j ... orlage.pdf

Está em inglês e mostra a evolução dos motores da URSS a partir do motor da V-2 ou A-4 até o RD-107.

Leitura muito boa. Recomendo.

[ ]s

Miraglia