Cápsula espacial - Space capsule

Uma cápsula espacial é uma espaçonave frequentemente tripulada que usa uma cápsula de reentrada de corpo cego para reentrar na atmosfera da Terra sem asas. As cápsulas se distinguem dos satélites principalmente pela capacidade de sobreviver à reentrada e retornar uma carga útil da órbita à superfície da Terra. As naves espaciais tripuladas baseadas em cápsulas , como Soyuz ou Orion, são freqüentemente suportadas por um módulo de serviço ou adaptador e, às vezes, aumentadas com um módulo extra para operações espaciais estendidas. As cápsulas constituem a maioria dos projetos de espaçonaves com tripulação, embora um avião espacial com tripulação , o Ônibus Espacial , tenha voado em órbita.

Os exemplos atuais de cápsulas espaciais tripuladas incluem Soyuz , Shenzhou e Dragon 2 . Exemplos de novas cápsulas de tripulação atualmente em desenvolvimento incluem Orion e Starliner da NASA , Orel da Rússia , Gaganyaan da Índia e espaçonaves tripuladas de próxima geração da China . Exemplos históricos de cápsulas tripuladas incluem Vostok , Mercury , Voskhod , Gemini e Apollo , e os programas ativos incluem os lançamentos de New Shepard . Uma cápsula espacial tripulada deve ser capaz de sustentar a vida em um ambiente térmico e de radiação frequentemente exigente no vácuo do espaço. Pode ser dispensável (usado uma vez, como Soyuz) ou reutilizável .

História

Vostok

A cápsula espacial Vostok

O Vostok foi a primeira cápsula espacial tripulada da União Soviética . O primeiro vôo espacial humano foi o Vostok 1 , realizado em 12 de abril de 1961 pelo cosmonauta Yuri Gagarin .

A cápsula foi originalmente projetada para ser usada como plataforma de câmera para o primeiro programa de satélite espião da União Soviética, o Zenit , e como nave espacial tripulada. Esse projeto de uso duplo foi crucial para obter o apoio do Partido Comunista para o programa. O projeto usou um módulo de reentrada esférica, com um módulo de descida bicônica contendo propulsores de controle de atitude , consumíveis em órbita e o foguete retro para terminação de órbita. O projeto básico permaneceu em uso por cerca de 40 anos, gradualmente adaptado para uma série de outros satélites sem rosca .

O módulo de reentrada foi completamente coberto com material de proteção térmica ablativa, 2,3 metros (7,5 pés) de diâmetro, pesando 2.460 quilogramas (5.420 lb). A cápsula foi coberta com um cone de nariz para manter um perfil de baixo arrasto para o lançamento, com uma cabine interna cilíndrica de aproximadamente 1 metro (3,3 pés) de diâmetro quase perpendicular ao eixo longitudinal da cápsula. O cosmonauta sentou em um assento ejetável com um pára-quedas separado para escapar durante uma emergência de lançamento e pousar durante um vôo normal. A cápsula tinha seu próprio pára-quedas para pousar no solo. Embora fontes oficiais tenham afirmado que Gagarin havia pousado dentro de sua cápsula, um requisito para se qualificar como um primeiro vôo espacial tripulado sob as regras da Federação Aeronáutica Internacional (IAF), foi posteriormente revelado que todos os cosmonautas da Vostok ejetaram e pousaram separadamente da cápsula. A cápsula foi servida por um módulo de equipamento cônico voltado para a popa de 2,25 metros (7,4 pés) de comprimento por 2,43 metros (8,0 pés), pesando 2.270 quilogramas (5.000 lb) contendo gases respiratórios de nitrogênio e oxigênio, baterias, combustível, propulsores de controle de atitude e o retrorocket. Ele poderia suportar voos de até dez dias. Seis lançamentos Vostok foram realizados com sucesso, os dois últimos pares em voos simultâneos. O voo mais longo durou apenas cinco dias, na Vostok 5 , de 14 a 19 de junho de 1963.

Como os propulsores de controle de atitude estavam localizados no módulo de instrumento, que foi descartado imediatamente antes da reentrada, o caminho e a orientação do módulo de reentrada não puderam ser controlados ativamente. Isso significava que a cápsula tinha que ser protegida do calor de reentrada em todos os lados, determinando o design esférico (em oposição ao design cônico do Projeto Mercury , que permitia o volume máximo enquanto minimizava o diâmetro do escudo térmico). Algum controle da orientação de reentrada da cápsula foi possível compensando seu centro de gravidade. A orientação adequada com as costas do cosmonauta para a direção do vôo foi necessária para melhor sustentar o que também maximizou a força de 8 a 9 g .

Voskhod

A cápsula espacial Voskhod, voada em duas variantes

O projeto do Vostok foi modificado para permitir o transporte de tripulações de multi-cosmonautas e voou como dois voos do programa Voskhod . A cabine interior cilíndrica foi substituída por uma cabine retangular mais larga que poderia acomodar três cosmonautas sentados lado a lado (Voskhod 1), ou dois cosmonautas com uma eclusa de ar inflável entre eles, para permitir a atividade extraveicular (Voskhod 2). Um foguete retro de combustível sólido de reserva foi adicionado ao topo do módulo de descida. O assento ejetável do Vostok foi removido para economizar espaço (portanto, não havia previsão de fuga da tripulação em caso de emergência de lançamento ou pouso). A nave espacial Voskhod completa pesava 5.682 quilogramas (12.527 lb).

A falta de espaço significava que os membros da tripulação do Voskhod 1 não usavam trajes espaciais . Ambos os membros da tripulação do Voskhod 2 usavam trajes espaciais, já que envolvia um EVA do cosmonauta Alexei Leonov . Uma eclusa de ar era necessária porque os sistemas elétricos e ambientais do veículo eram resfriados a ar e a despressurização completa da cápsula levaria ao superaquecimento. A eclusa de ar pesava 250 kg (551 lb 2 oz), tinha 700 mm (28 pol.) De diâmetro e 770 mm (30 pol.) De altura quando desmontada para o lançamento. Quando estendido em órbita, tinha 2,5 m (8 pés 2 pol.) De comprimento, um diâmetro interno de 1 m (3 pés 3 pol.) E um diâmetro externo de 1,2 m (3 pés 11 pol.). O segundo tripulante usava um traje espacial como precaução contra a despressurização acidental do módulo de descida. A eclusa de ar foi descartada após o uso.

A falta de assentos ejetáveis ​​significava que a tripulação do Voskhod voltaria à Terra dentro de sua espaçonave, ao contrário dos cosmonautas da Vostok que ejetaram e pularam de paraquedas separadamente. Por conta disso, foi desenvolvido um novo sistema de pouso, que acrescentou um pequeno foguete de combustível sólido às linhas de paraquedas. Ele disparou quando o módulo de descida se aproximou da aterrissagem, proporcionando uma aterrissagem mais suave.

Mercúrio

Diagrama interno da cápsula de mercúrio

O principal designer da espaçonave Mercury foi Maxime Faget , que começou a pesquisa para voos espaciais humanos durante a época do NACA. Tinha 10,8 pés (3,3 m) de comprimento e 6,0 pés (1,8 m) de largura; com o sistema de escape de lançamento adicionado, o comprimento total foi de 25,9 pés (7,9 m). Com 100 pés cúbicos (2,8 m 3 ) de volume habitável, a cápsula era grande o suficiente para um único membro da tripulação. Dentro havia 120 controles: 55 interruptores elétricos, 30 fusíveis e 35 alavancas mecânicas. A nave espacial mais pesada, Mercury-Atlas 9, pesava 3.000 libras (1.400 kg) totalmente carregada. Seu revestimento externo era feito de René 41 , uma liga de níquel capaz de suportar altas temperaturas.

A espaçonave era em forma de cone, com um pescoço na extremidade estreita. Ele tinha uma base convexa, que carregava um escudo térmico (Item 2 no diagrama abaixo) consistindo de uma colmeia de alumínio coberta com várias camadas de fibra de vidro . Preso a ele estava um retropack ( 1 ) consistindo de três foguetes lançados para frear a espaçonave durante a reentrada. Entre eles havia três foguetes menores para separar a espaçonave do veículo de lançamento na inserção orbital. As tiras que seguravam o pacote podiam ser cortadas quando não eram mais necessárias. Ao lado do escudo térmico ficava o compartimento pressurizado da tripulação ( 3 ). Lá dentro, um astronauta seria amarrado a um assento justo com os instrumentos à sua frente e de costas para o escudo térmico. Debaixo do assento estava o sistema de controle ambiental fornecendo oxigênio e calor, removendo o CO 2 , vapor e odores do ar e (em voos orbitais) coletando urina. O compartimento de recuperação ( 4 ) na extremidade estreita da espaçonave continha três pára-quedas: um drogue para estabilizar a queda livre e dois chutes principais, um primário e um reserva. Entre o escudo térmico e a parede interna do compartimento da tripulação havia uma saia de pouso, desdobrada ao baixar o escudo térmico antes de pousar. No topo do compartimento de recuperação estava a seção da antena ( 5 ) contendo ambas as antenas para comunicação e scanners para guiar a orientação da espaçonave. Anexada estava uma aba usada para garantir que a espaçonave fosse enfrentada primeiro com o escudo térmico durante a reentrada. Um sistema de escape de lançamento ( 6 ) foi montado na extremidade estreita da espaçonave contendo três pequenos foguetes de combustível sólido que poderiam ser disparados brevemente em uma falha de lançamento para separar a cápsula com segurança de seu propulsor. Ele lançaria o pára-quedas da cápsula para um pouso próximo ao mar. (Consulte também o perfil da missão para obter detalhes.)

A espaçonave Mercury não tinha um computador a bordo, em vez disso, confiava em todos os cálculos para a reentrada a ser calculada por computadores no solo, com seus resultados (tempos de retrofire e atitude de disparo) então transmitidos para a espaçonave por rádio durante o vôo. Todos os sistemas de computador usados ​​no programa espacial Mercury foram alojados nas instalações da NASA na Terra . Os sistemas de computador eram computadores IBM 701 .

Os Estados Unidos lançaram seu primeiro astronauta da Mercury Alan Shepard em um vôo suborbital quase um mês após o primeiro vôo espacial orbital tripulado. Os soviéticos conseguiram lançar um segundo Vostok em um vôo de um dia em 6 de agosto, antes que os EUA finalmente orbitassem o primeiro americano, John Glenn , em 20 de fevereiro de 1962. Os Estados Unidos lançaram um total de duas cápsulas de Mercúrio suborbital tripuladas e quatro cápsulas orbitais tripuladas, com o vôo mais longo, Mercury-Atlas 9 , fazendo 22 órbitas e durando 32 horas e meia.

Gêmeos

Diagrama interno da cápsula Gemini, com adaptador de equipamento

Muitos componentes da cápsula em si eram acessíveis por meio de suas próprias portas de acesso pequenas. Ao contrário do Mercury, o Gemini usava componentes eletrônicos de estado sólido e seu design modular tornava-o fácil de consertar.

A cápsula Gemini 12 da 10ª e última missão de 1966 do Projeto Gemini , pilotada por Jim Lovell e Buzz Aldrin (exibida no Adler Planetarium de Chicago )

O sistema de escape de lançamento de emergência da Gemini não usava uma torre de escape movida por um foguete de combustível sólido , mas, em vez disso, usava assentos ejetáveis ​​em estilo de aeronave . A torre era pesada e complicada, e os engenheiros da NASA raciocinaram que poderiam eliminá-la, já que os propelentes hipergólicos do Titan II queimariam imediatamente ao contato. Uma explosão de reforço do Titan II teve um efeito de explosão e chama menores do que no Atlas e Saturno com combustível criogenicamente. Assentos ejetáveis foram suficientes para separar os astronautas de um veículo de lançamento com defeito. Em altitudes mais elevadas, onde os assentos ejetáveis ​​não podiam ser usados, os astronautas voltariam à Terra dentro da espaçonave, que se separaria do veículo de lançamento.

O principal proponente do uso de assentos ejetáveis ​​foi Chamberlin, que nunca gostou da torre de escape Mercury e desejava usar uma alternativa mais simples que também reduzisse o peso. Ele revisou vários filmes de falhas de ICBM Atlas e Titan II, que ele usou para estimar o tamanho aproximado de uma bola de fogo produzida por um veículo de lançamento explodindo e a partir disso ele mediu que o Titan II produziria uma explosão muito menor, portanto, a espaçonave poderia obter afastado com assentos ejetáveis.

Maxime Faget , o designer do Mercury LES, por outro lado não estava nada entusiasmado com esta configuração. Além da possibilidade de os assentos ejetáveis ​​ferirem gravemente os astronautas, eles também só seriam utilizáveis ​​por cerca de 40 segundos após a decolagem, ponto em que o impulsionador estaria atingindo a velocidade Mach 1 e a ejeção não seria mais possível. Ele também estava preocupado com os astronautas sendo lançados através da pluma do escapamento do Titã, caso fossem ejetados durante o vôo, e mais tarde acrescentou: "A melhor coisa sobre Gêmeos é que eles nunca tiveram que escapar".

O sistema de ejeção Gemini nunca foi testado com a cabine Gemini pressurizada com oxigênio puro, como era antes do lançamento. Em janeiro de 1967, o incêndio fatal da Apollo 1 demonstrou que pressurizar uma espaçonave com oxigênio puro criava um risco de incêndio extremamente perigoso. Em uma história oral de 1997, o astronauta Thomas P. Stafford comentou sobre o aborto do lançamento do Gemini 6 em dezembro de 1965, quando ele e o piloto de comando Wally Schirra quase ejetaram da espaçonave:

Acontece que o que teríamos visto, se tivéssemos que fazer isso, seriam duas velas romanas apagando-se, porque estávamos 15 ou 16 psi, oxigênio puro, absorvendo aquilo por uma hora e meia. Você se lembra do trágico incêndio que tivemos no Cabo. (...) Jesus, com aquele fogo apagando e aquilo, teria queimado os ternos. Tudo estava encharcado de oxigênio. Então, graças a Deus. Isso era outra coisa: a NASA nunca o testou nas condições que teriam feito se tivessem de ejetar. Eles fizeram alguns testes no Lago China, onde fizeram uma simulação da cápsula Gemini, mas o que fizeram foi enchê-la com nitrogênio. Eles não o encheram de oxigênio no teste de trenó que fizeram.

A Gemini foi a primeira espaçonave de transporte de astronautas a incluir um computador de bordo, o Gemini Guidance Computer , para facilitar o gerenciamento e o controle das manobras da missão. Este computador, às vezes chamado de Gemini Spacecraft On-Board Computer (OBC), era muito semelhante ao Computador Digital do Veículo de Lançamento de Saturno . O Computador de Orientação Gemini pesava 26,75 kg (58,98 libras). Sua memória central tinha 4096 endereços , cada um contendo uma palavra de 39 bits composta por três "sílabas" de 13 bits. Todos os dados numéricos eram inteiros de complemento de dois de 26 bits (às vezes usados ​​como números de ponto fixo ), armazenados nas duas primeiras sílabas de uma palavra ou no acumulador . As instruções (sempre com um opcode de 4 bits e 9 bits de operando) podem ir em qualquer sílaba.

Apollo

O módulo de comando e serviço da Apollo 15 em órbita ao redor da Lua tirado do Falcon , o Módulo Lunar da Apollo da missão

A espaçonave Apollo foi concebida pela primeira vez em 1960 como uma nave de três homens para seguir o Projeto Mercury, com uma missão aberta. Ele poderia ser usado para transportar astronautas para uma estação espacial em órbita da Terra , ou para voos ao redor ou orbitando a Lua, e possivelmente pousando nela. A NASA solicitou projetos de estudo de viabilidade de várias empresas em 1960 e 1961, enquanto Faget e o Grupo de Tarefa Espacial trabalharam em seu próprio projeto usando uma cápsula de corpo cônico / cego (Módulo de Comando) apoiado por um Módulo de Serviço cilíndrico fornecendo energia elétrica e propulsão. A NASA revisou os projetos dos participantes em maio de 1961, mas quando o presidente John F. Kennedy propôs um esforço nacional para pousar um homem na Lua durante os anos 1960, a NASA decidiu rejeitar os estudos de viabilidade e prosseguir com o projeto de Faget, focado no pouso lunar missão. O contrato para construir a Apollo foi concedido à North American Aviation .

O Módulo de Comando / Serviço da Apollo (CSM) foi originalmente projetado para levar três homens diretamente à superfície da Lua, no topo de um grande estágio de pouso com pernas. O Módulo de Comando foi dimensionado para 12 pés e 10 polegadas (3,91 m) de diâmetro e 11 pés e 1,5 polegadas (3,39 m) de comprimento. O Módulo de Serviço tinha 13 pés (4,0 m) de comprimento, com um comprimento total do veículo de 36 pés 2,5 polegadas (11,04 m) incluindo a campainha do motor. O motor de propulsão de serviço propelente hipergólico foi dimensionado para 20.500 libras-força (91.000 N) para levantar o CSM da superfície lunar e enviá-lo de volta à Terra. Isso exigia um veículo de lançamento único muito maior do que o Saturno V , ou então vários lançamentos do Saturno V para montá-lo na órbita da Terra antes de enviá-lo para a lua.

No início, foi decidido usar o método de encontro da órbita lunar , usando um Módulo de Excursão Lunar (LEM) menor para transportar dois dos homens entre a órbita lunar e a superfície. A redução da massa permitiu que a missão lunar fosse lançada com um único Saturno V. Visto que um trabalho de desenvolvimento significativo havia começado no projeto, foi decidido continuar com o projeto existente como Bloco I, enquanto uma versão do Bloco II capaz de encontro com o O LEM seria desenvolvido em paralelo. Além da adição de um túnel de ancoragem e sonda, o Bloco II empregaria melhorias de equipamento com base nas lições aprendidas com o projeto do Bloco I. O Bloco I seria usado para voos de teste sem tripulação e um número limitado de voos tripulados em órbita da Terra. Embora o motor de propulsão de serviço fosse agora maior do que o necessário, seu projeto não foi alterado, pois um desenvolvimento significativo já estava em andamento; no entanto, os tanques de propelente foram reduzidos ligeiramente para refletir a necessidade de combustível modificado. Com base na preferência astronauta, o Bloco II CM iria substituir o de duas peças porta bujão tampa da escotilha, escolhido para evitar uma abertura da escotilha acidental tal como tinha acontecido no Gus Grissom 's 4 Mercury-Redstone voo, com uma peça única, outward- abertura da escotilha para facilitar a saída no final da missão.

A prática da Mercury-Gemini de usar uma atmosfera de pré-lançamento de 16,7 libras por polegada quadrada (1.150 mbar) de oxigênio puro provou ser desastrosa em combinação com o design da escotilha da porta de encaixe. Enquanto participava de um teste de pré-lançamento na plataforma em 27 de janeiro de 1967, em preparação para o primeiro lançamento tripulado em fevereiro, toda a tripulação da Apollo 1 - Grissom, Edward H. White e Roger Chaffee - foram mortos em um incêndio que varreu a cabine. A porta do tampão impossibilitou a fuga ou remoção dos astronautas antes de morrer. Uma investigação revelou que o incêndio foi provavelmente iniciado por uma faísca de um fio desgastado e alimentado por materiais combustíveis que não deveriam estar na cabine. O programa de vôo com tripulação foi adiado enquanto as alterações de projeto foram feitas na espaçonave Bloco II para substituir a atmosfera de pré-lançamento de oxigênio puro por uma mistura de nitrogênio / oxigênio semelhante ao ar, eliminar materiais combustíveis da cabine e dos trajes espaciais dos astronautas e selar toda a fiação elétrica e linhas de refrigerante corrosivo.

A espaçonave Bloco II pesava 63.500 libras (28.800 kg) totalmente abastecida e foi usada em quatro voos de teste orbitais lunares e terrestres tripulados, e sete missões de pouso lunar tripuladas. Uma versão modificada da espaçonave também foi usada para transportar três tripulantes para a estação espacial Skylab , e a missão do Projeto de Teste Apollo-Soyuz que atracou com uma espaçonave Soyuz soviética. A espaçonave Apollo foi aposentada após 1974.

Cápsulas espaciais robóticas aposentadas

Cápsulas espaciais ativas

Soyuz

A espaçonave Soyuz, com cápsula de reentrada (Módulo de Descida) em destaque

Em 1963, Korolev propôs pela primeira vez a espaçonave Soyuz de três homens para uso na montagem da órbita terrestre de uma missão de exploração lunar. Ele foi pressionado pelo primeiro-ministro soviético Nikita Khrushchev a adiar o desenvolvimento da Soyuz para trabalhar em Voskhod, e mais tarde foi autorizado a desenvolver a Soyuz para a estação espacial e missões de exploração lunar. Ele empregou uma cápsula de reentrada pequena e leve em forma de sino, com um módulo de tripulação orbital preso ao nariz, contendo a maior parte do espaço da missão. O módulo de serviço usaria dois painéis de células solares elétricas para geração de energia e continha um motor de sistema de propulsão. O modelo 7K-OK projetado para a órbita da Terra usou um módulo de reentrada de 2.810 quilogramas (6.190 lb) medindo 2,17 metros (7,1 pés) de diâmetro por 2,24 metros (7,3 pés) de comprimento, com um volume interno de 4,00 metros cúbicos (141 pés cúbicos) ) O módulo orbital esferoidal de 1.100 quilogramas (2.400 lb) media 2,25 metros (7,4 pés) de diâmetro por 3,45 metros (11,3 pés) de comprimento com uma sonda de acoplamento, com um volume interno de 5,00 metros cúbicos (177 pés cúbicos). A massa total da espaçonave era de 6.560 quilogramas (14.460 lb).

Dez dessas embarcações voaram com tripulação após a morte de Korolev, de 1967 a 1971. A primeira ( Soyuz 1 ) e a última ( Soyuz 11 ) resultaram nas primeiras fatalidades no espaço. Korolev havia desenvolvido uma variante 7K-LOK de 9.850 kg (21.720 lb) para uso na missão lunar, mas nunca voou tripulado.

Os russos continuaram a desenvolver e voar a Soyuz até hoje.

Shenzhou

Diagrama da espaçonave pós-Shenzhou 7

A PRC desenvolveu sua espaçonave Shenzhou na década de 1990 com base no mesmo conceito (orbital, reentrada e módulos de serviço) da Soyuz . Seu primeiro vôo de teste sem tripulação foi em 1999, e o primeiro vôo com tripulação em outubro de 2003 transportou Yang Liwei por 14 órbitas terrestres.

Dragão 2

A cápsula de sete lugares SpaceX Dragon 2 lançou a tripulação pela primeira vez na Estação Espacial Internacional em 30 de maio de 2020 na missão Demo-2 para a NASA. Embora originalmente previsto como um desenvolvimento da cápsula Dragon destravada da SpaceX que foi usada para o contrato de Serviços de Reabastecimento Comercial da NASA , as demandas de voos espaciais tripulados resultaram em um veículo significativamente redesenhado com comunalidade limitada.

Nova Shepard Crew Capsule

A cápsula da tripulação New Shepard desenvolvida pela Blue Origin de seis lugares é uma espaçonave tripulada suborbital projetada para pesquisa humana e turismo espacial . A cápsula também pode voar desenroscada, carregando um grande número de cargas úteis e experimentos.

Cápsulas desenroscadas

Projetos de cápsulas tripuladas em desenvolvimento

Rússia

Estados Unidos

Índia

China

Irã

Veja também

Notas

Referências

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links externos