O ônibus espacial da NASA operou em órbita baixa da Terra por 30 anos antes de sua aposentadoria em 2011. No entanto, o substituto deste veículo pela agência espacial dos EUA, Orion, retornou ao design de cápsula cônica familiar das missões Apollo. Isso ocorreu porque a NASA pretendia que esta nave mais recente fosse usada para explorar alvos no espaço profundo, como a Lua.



Mas, nos últimos anos, vimos um retorno do design dos aviões espaciais. Desde 2010, a Força Espacial dos EUA (e anteriormente a Força Aérea dos EUA) tem lançado um avião espacial robótico chamado X-37B na órbita baixa da Terra em missões classificadas. A China tem seu próprio avião espacial militar chamado Shenlong.

Este ano poderemos assistir a um voo de teste do Dream Chaser da empresa Sierra Space - o primeiro avião espacial comercial capaz de voo orbital. Se tudo correr bem, o veículo poderá ser usado para reabastecer a Estação Espacial Internacional (ISS) com carga e, eventualmente, tripulação.

Os aviões espaciais podem voar ou planar na atmosfera da Terra e pousar em pistas, em vez de usar pára-quedas para pousar na água ou em solo plano, como cápsulas. Eles também são mais manobráveis ​​à medida que a espaçonave reentra na atmosfera, aumentando a área da superfície da Terra onde é possível pousar a partir de um ponto de reentrada específico.

Os aviões espaciais também permitem uma trajetória de voo mais suave, porém mais longa, durante a reentrada e um pouso mais suave, o que é mais fácil para a tripulação e a carga do que as cápsulas, que podem pousar com um baque. Uma pista também permite que as equipes de apoio em terra e a infraestrutura estejam prontas no local de pouso.

Custo e complexidade

Mas os aviões espaciais são mais complexos e pesados ​​do que uma cápsula equivalente. O formato do corpo alado representa um desafio particular para o projeto de sistemas de proteção térmica (TPS) – os materiais resistentes ao calor que protegem a nave de temperaturas escaldantes na reentrada. Esses custos adicionais significam que é impraticável projetar um avião espacial para um único voo. Eles precisam ser usados ​​repetidamente para serem viáveis.

Tem havido interesse em aviões espaciais desde os primeiros dias dos voos espaciais humanos. Um projeto de avião espacial militar chamado Dyna-Soar foi iniciado nos EUA em 1957 e cancelado logo após o início da construção. O veículo era sofisticado para a época, construído em uma liga metálica capaz de suportar altas temperaturas e com um escudo térmico na frente que poderia ser destacado após o retorno do espaço, para que o piloto pudesse ver claramente durante o pouso.

O ônibus espacial, que entrou em serviço em 1981, foi o primeiro avião espacial operacional. Era para ser lançado com mais frequência e ter maior capacidade de reutilização, mas descobriu-se que era necessária uma extensa reforma entre os lançamentos. No entanto, demonstrou a capacidade de devolver astronautas e grandes cargas da órbita.

Outras agências espaciais investiram nas décadas de 1980 e 1990, na Europa, com o avião espacial Hermes, e no Japão, com o veículo HOPE. Ambos os programas foram cancelados em grande parte devido ao custo. A União Soviética desenvolveu o seu próprio veículo semelhante a um vaivém chamado Buran, que voou com sucesso para o espaço uma vez em 1988. O programa foi cancelado após o colapso da União Soviética.

Sentindo o calor

Os aviões espaciais têm requisitos específicos para a parte final das suas viagens – quando regressam do espaço. Durante a reentrada atmosférica, eles são aquecidos a mais de mil graus Celsius enquanto viajam a velocidades hipersônicas de mais de sete quilômetros por segundo – mais de 20 vezes a velocidade do som. Um design de nariz rombudo (onde a borda da espaçonave é arredondada) é o formato ideal porque reduz o acúmulo de calor na parte dianteira do veículo.

Mesmo assim, as temperaturas esperadas experimentadas pela embarcação ainda podem chegar a 1600°C, necessitando de um sistema de proteção térmica na parte externa do veículo. O ônibus espacial TPS incluía ladrilhos cerâmicos especialmente resistentes ao calor e uma matriz reforçada de carbono-carbono capaz de suportar temperaturas de até 2.400°C.

A perda do ônibus espacial Columbia durante a reentrada em 2003, causando a morte de sete astronautas, foi o resultado de uma violação no TPS na ponta da asa. Isso resultou de um pedaço de espuma isolante que voou do tanque externo do ônibus espacial durante o lançamento do Columbia e atingiu a asa.

Esse problema de espuma era recorrente no ônibus espacial devido à forma como ele era lançado na lateral do tanque de propelente externo. Mas os projetos mais recentes de aviões espaciais voarão sobre foguetes convencionais, onde a queda de espuma não é um problema.

Um TPS eficaz continua a ser vital para o sucesso futuro dos aviões espaciais, assim como os sistemas que monitorizam o desempenho do TPS em tempo real.

Veículos atuais

Existem atualmente dois aviões espaciais em operação, um chinês e um americano, que podem atingir a órbita. Pouca informação está disponível sobre o Shenlong da China, mas o X-37B dos militares dos EUA é mais conhecido. Pesando cerca de cinco toneladas no lançamento, o veículo sem rosca, com nove metros de comprimento, é lançado por meio de um foguete convencional e pousa de forma autônoma em uma pista ao final de sua missão.

O TPS do X-37B usa telhas semelhantes ao ônibus espacial na superfície inferior com uma alternativa de menor custo ao carbono-carbono reforçado chamada Tufroc, desenvolvida para o X37B, no nariz e nas bordas de ataque.

Em breve deverá se juntar a eles o Dream Chaser, que foi desenvolvido pela empresa para transportar cargas e astronautas, mas a NASA quer provar sua segurança antes de transportar pessoas, usando-o primeiro para transportar cargas para a estação espacial. A capacidade de devolver à superfície cargas comparativamente frágeis devido a uma aterragem mais suave é uma capacidade fundamental. As telhas que protegem o Dream Chaser são feitas de sílica e cada uma tem um formato único que combina com a área do veículo que foram projetadas para proteger.

Desenvolvimentos futuros

Há um interesse contínuo em aviões espaciais devido à sua capacidade de devolver tripulação e carga à pista. A demanda por esta capacidade é limitada agora. Mas se os custos de lançamento para o espaço continuarem a cair e a expansão da indústria no espaço aumentar a procura, estas tornar-se-ão uma alternativa cada vez mais viável às cápsulas.

A longo prazo, também existe potencial para aviões espaciais capazes de atingir a órbita após decolarem de uma pista. Os desafios do desenvolvimento destes veículos de estágio único para órbita (SSTO) são consideráveis. No entanto, conceitos como o veículo Skylon estão a conduzir a desenvolvimentos técnicos que poderão eventualmente apoiar o desenvolvimento de uma nave SSTO.

Num futuro próximo, os aviões espaciais parecem promissores pelas seguintes razões:novas técnicas de design, materiais melhorados para o TPS, modelação computacional avançada e ferramentas de simulação para optimizar diferentes aspectos do design e parâmetros de voo e melhorias contínuas nos sistemas de propulsão.

Dado que vários governos, agências espaciais e empresas privadas em todo o mundo estão a investir fortemente na investigação e desenvolvimento de aviões espaciais, poderemos ver um futuro onde os voos com estes veículos se tornarão rotineiros.

Fornecido por The Conversation

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.