EXPERIMENTOS SUBORBITAIS DE MICROGRAVIDADE
Publicado em: Brasília, 23 de setembro de 2008

1- Introdução

Em 1996, uma proposta do Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR/ Alemanha) ao então Centro Técnico Aeroespacial (CTA) para a adaptação de uma carga-útil alemã – MINI-TEXUS – ao primeiro estágio do foguete de sondagem SONDA III, deu origem ao foguete VS-30.

No seu quarto vôo, realizado em 1999 durante a Operação São Marcos, ocorreu o transporte de experimentos de microgravidade. Os primeiros contemplados foram o Centro Universitário da Faculdade de Engenharia Industrial (FEI), a Universidade de São Paulo (USP), a Universidade do Vale do Paraíba (UNIVAP) e a empresa americana Instrumentation Technology Associates, Inc..

Uma segunda operação com experimentos em microgravidade ocorreu na Operação Lençóis Maranhenses, em 2000, quando foram enviados a bordo de um VS-30 experimentos da Universidade do Vale da Paraíba (UNIVAP) e da FEI.

Com o envolvimento do Brasil no desenvolvimento da Estação Espacial Internacional (EEI), em 1998, foi criado pela Agência Espacial Brasileira (AEB) o Projeto Microgravidade. Elevado à categoria de programa em 2006, o Projeto Microgravidade tem como objetivos: a disponibilização de ambientes de microgravidade à comunidade técnico-científica brasileira, a promoção de meios de acesso ao ambiente de microgravidade e a provisão de suporte técnico aos experimentos embarcados.

Já dentro da gestão da AEB, foram desenvolvidos experimentos científicos e tecnológicos para mais três operações com foguetes de sondagem:

Operação Cumã (VS-03 V06): sete experimentos científicos e tecnológicos envolvendo: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), Universidade Estadual do Rio de Janeiro (UERJ), FEI, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), ANVISA, USP e universidade de Hohenheim (Alemanha);
Operação Cumã II (VSB-30 V04): nove experimentos científicos e tecnológicos envolvendo: FEI, UERJ, UFSC, UFPE, Universidade Estadual de Londrina (UEL), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN-SP), Hohenheim, Instituto de Estudos Avançados (IEAv) e Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE)];
Operação Angicos (VS-30 V07): um experimento tecnológico envolvendo: Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e IAE.

Acrescidas às atividades suborbitais, oito experimentos brasileiros foram enviados à EEI por meio da Missão Centenário, em 2006. Estes experimentos foram executados a bordo da EEI pelo Ten. Cel. Marcos Pontes.

Embora contando até o momento com um número reduzido de operações orbitais e suborbitais, este programa propiciou a criação e a consolidação de grupos de pesquisa em instituições nacionais, a elaboração de teses de mestrado e doutoramento, a elaboração de trabalhos em simpósios, a solicitação de pedido de patente e o desenvolvimento de pesquisas básicas no País.
Aberto a qualquer instituição brasileira de pesquisa e ensino, as propostas ao programa são recebidas por meio de anúncios públicos editados pela AEB. As propostas são avaliadas e selecionadas por uma comissão constituída pela AEB, pelo IAE, pelo Inpe e pela Academia Brasileira de Letras.

2 – Ambiente de Microgravidade

Atuando dominantemente sobre os mais diversos tipos de fenômenos naturais, a gravidade terrestre chega, por vezes, a mascarar, interferir ou impossibilitar a ocorrência de fenômenos mais tênues.

Apenas o distanciamento da Terra ou a indução de quedas livres pode criar um ambiente onde há redução do efeito da gravidade, quer por simples distanciamento de massas (como no primeiro caso), quer por falta de reação com o solo (como no segundo).
Como o distanciamento da Terra é inviável – é preciso percorrer uma distância de 6,37 milhões de km, então é praticada a queda livre por meio do emprego de foguetes de sondagem, balões, torres de queda-livre, vôos parabólicos em aeronaves, o uso de ônibus espaciais, satélites, cápsulas de reentrada ou a própria EEI.
Porém, o ambiente de microgravidade não é composto apenas pela redução do efeito da gravidade, mas também pela redução significativa de vibrações e de acelerações (lineares e angulares) no sistema. Assim o ambiente passa a apresentar acelerações da ordem de 10-3 a 10-6 g.
Este ambiente único vem encontrando um crescente interesse científico e tecnológico em áreas distintas como, por exemplo, as ciências dos materiais, a ciência dos fluidos, a biologia, a biotecnologia, a fisiologia humana, a botânica e a medicina.
Além da redução da influência da gravidade, ele possui também como características:
Inexistência de convecção natural;
Inexistência de sedimentação e de estratificação;
Inexistência de pressão hidrostática;
Possibilidade de redução de contato com as paredes dos vasos (formação de pontes líquidas);
Intensificação do efeito de capilaridade.

3 – Meios de acesso ao ambiente

A escolha do meio de acesso ao ambiente de microgravidade é feita com base em fatores técnicos, (ex.: “qualidade” da microgravidade e tempo de experimento) e econômicos.
Questões de natureza administrativa e técnica devem ser observadas, pois cronogramas de campanha de lançamento, regulamentações ou restrições pelo órgão gestor se encontram entre os itens que podem inviabilizar o embarque do experimento.

4 – Foguetes de Sondagem

Atualmente atendem ao Programa Microgravidade os seguintes foguetes de sondagem (figura 1):

VS-30 (foguete balístico monoestágio nacional para 3 minutos de microgravidade);
VSB-30 (foguete balístico biestágio nacional para 6 minutos de microgravidade);
VS-30 Orion [foguete balístico biestágio desenvolvido em cooperação com o Mobile Roket Base (DLR/ MORABA) para 6 minutos de microgravidade].

Fig. 1 – Foguetes para microgravidade

5 – Missão típica para microgravidade

Em um vôo suborbital, a carga-útil fornece aos experimentos embarcados os serviços básicos de suporte mecânico, energia, comunicação, recuperação e proteção ao ambiente de vôo.
Em uma missão típica, (Fig. 2) o foguete decola de uma rampa de lançamento adquirindo rotação longitudinal que o estabiliza dinamicamente. Um dispositivo para redução de rotação a anula quase que instantaneamente momentos antes da separação da carga útil do foguete.
Separada e já no vácuo, qualquer velocidade angular residual da carga-útil é eliminada por meio da atuação de jatos de gás frio (N2).

Fig. 2 – Missão típica

A estabilização da carga-útil no vácuo (inexistência de forças aerodinâmicas) acrescida do movimento de queda livre e da ausência de empuxo-motor estabelece um ambiente praticamente limpo de acelerações durante o período de realização dos experimentos. A qualidade deste ambiente melhora com a aproximação do apogeu da trajetória, aumentando lentamente o valor das acelerações após este ponto.

Visando a proteção dos experimentos quanto ao vácuo espacial e/ou à água salgada, o experimento pode ser alocado no interior de um módulo hermético (figura 3) com atmosfera positiva. A plataforma pousa no mar com o auxílio de um pára-quedas com flutuador, sendo em seguida recuperada e transportada ao campo de lançamento.

Fig. 3 – Módulos Herméticos

Além do IAE, normalmente as atividades operacionais de uma campanha de lançamento para microgravidade envolvem as seguintes organizações: DLR/MORABA, Comando da Aeronáutica (COMAer), Inpe, Centro de Lançamento de Alcântara (CLA) e Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI).

6 – Desenvolvimento dos experimentos

O desenvolvimento dos experimentos para uma campanha de lançamento segue um cronograma contendo como marcos a elaboração da documentação, as revisões de projeto, os ensaios, a revisão de aptidão ao vôo (RAV) e a campanha de lançamento.

Dependendo do desenvolvimento do experimento e da maturidade da equipe, podem ser solicitadas até três revisões para o projeto. Também a filosofia de protoflight pode ser aplicada mediante prévia anuência do IAE.

A qualificação, assim como a aceitação, do hardware dos modelos de qualificação e de vôo passa por ensaios de isolamento elétrico e ensaios ambientais (ciclo térmico, vibração e funcional).

Já na campanha de testes, o experimento é integrado para uma gama de ensaios de interface, de rede elétrica, funcionais e de vibração. Aprovado, o experimento pode ser embarcado para vôo. Dados operacionais, ambientais e de projeto são fornecidos no corpo dos anúncios de oportunidade (AO), nas páginas eletrônicas da AEB e junto ao IAE.

Entre as características do ambiente de vôo e os recursos aos experimentos providos pelas cargas-úteis dos foguetes VSB-30 e VS-30 menciona-se:

Rotação longitudinal: < 3,5 r.p.s. por até 60 s; Aceleração: ~ 11 a 14 g no vôo/ ~ 8 a 10 g na reentrada; Temperatura interna: 35o a 60o C; Sinais indicando largagem (lift-off) e microgravidade; Módulo hermético pressurizado (caso necessário); Telemetria de dados digitais, seriais (RS422) e analógicos; Transmissão de imagens de vídeo; Acesso tardio (sob consulta): ~ 2h, (última oportunidade de acesso ou de embarque de material no foguete antes do vôo). 7 – Documentação de experimento Os documentos para os experimentos suborbitais são baseados na documentação de experimentos das missões orbitais tripuladas. No entanto, diferenciam-se da original quanto à rigidez, à forma e ao conteúdo, visto não tratarem as operações suborbitais de uma missão tripulada. Também dentro desta simplificação, apenas os documentos aplicáveis da relação abaixo devem ser entregues pelo experimentador: Especificação Técnica Preliminar do Experimento (100); Especificação Técnica do Experimento (200); Descrição Técnica (201); Manual de Operação e de Manutenção (202); Programa de testes de qualificação e de aceitação (203); Relatório dos testes de qualificação e certificados (206); Análise de Risco/Segurança (207); Treinamento e Documentação (208) (caso não haja acompanhamento da equipe em testes e/ou no vôo); Diagrama de Circuitos Elétricos (210); Desenhos Mecânicos e de Interface (211). Fazendo um breve resumo desta documentação, o documento 100 trata do projeto preliminar do experimento informando sobre o objetivo, as características, os requisitos e as facilidades para suporte e testes do experimento. Informa também as responsabilidades dos participantes da equipe. Com base nos documentos 100 de todas as propostas é efetuada a compatibilização preliminar dos recursos dos experimentos com a capacidade da carga-útil, de modo a selecionar o conjunto de experimentos possíveis para embarque. Por este motivo, este documento deve ser redigido de forma bem abrangente e completa, contendo todos os requisitos do experimento e das interfaces necessárias com o foguete e com o solo. A documentação da série 200 trata do detalhamento do projeto. Esta série é composta por uma versão mais elaborada do documento 100, além dos demais documentos da série 200 aplicáveis ao experimento. Após análise do documento 100, são indicados ao pesquisador quais os documentos da série 200 devem ser desenvolvidos. As revisões do experimento são acompanhadas pela entrega da documentação de projeto na seguinte seqüência: 1a revisão: Projeto preliminar. Entrega do documento (100); 2a revisão: Projeto detalhado. Entrega do modelo de engenharia/ qualificação e dos documentos: 200, 201, 202, 203, 205, 207, 208, 210 e 211; 3a revisão: projeto final; Entrega do modelo de vôo e dos documentos: 200, 201, 202, 203, 205, 207, 208, 210 e 211. 8 – Notas e recomendações É freqüente se observar nos hardwares em desenvolvimento a utilização de soluções tecnológicas impróprias ou inadequadas. Alguns destes problemas podem ser oriundos de incompatibilidade de materiais, de interface, de tamanho, de operação/requisitos do experimento etc. e podem inviabilizar o embarque do experimento ou criar transtornos em procedimentos durante a cronologia de lançamento do foguete. Daí a necessidade de acompanhamento do projeto, desde o início, por especialistas. Vale a pena ressaltar que existe sempre a possibilidade de que um hardware desenvolvido em terra não funcione apropriadamente em ambiente de microgravidade, pois o comportamento dos fenômenos neste ambiente pode atuar de forma diferente. Os hardwares devem ser projetados em uma concepção sempre voltada à simplicidade e ao uso do menor número de peças possíveis. Também devem ser compactos, objetivando assim aumentar número de experimentos embarcados. Finalmente, de modo a reduzir os problemas de interface, recomenda-se que o experimento siga sempre as orientações sistêmicas do integrador da carga-útil (IAE).