O Motivo do VLNS

Essa semana fui questionado por um colega que atualmente vive no Panamá acerca do objetivo de tal empreitada. Por um momento deixei a paixão de lado e tentei responder de forma mais objetiva e sóbria possível. Por que desenvolver um foguete capas de colocar “apenas” 10kg em orbita? Bem, a resposta fluiu de forma simples e coerente.

Inicialmente, um lançador de satélites com capacidade de satelização de 10kg em orbita baixa (em torno de 300km) apresenta um baixo custo de desenvolvimento. Se formos considerar o custo para desenvolver um foguete do porte do nosso VLS, ou até mesmo um Falcon 1, facilmente ultrapassamos a casa das dezenas de milhões de dólares, chegando, em muitos casos facilmente às centenas. Isso pois estamos não somente falando de um motor, mas sim um foguete, somado a um complexo de testes e lançamentos inteiro.

Outro ponto positivo está na carga útil. O mercado de lançadores, atualmente carece de foguetes de baixo custo e/ou baixa carga útil. Há uma explosão de satélites com menos de 10kg desenvolvidos por universidades ou até mesmo iniciativas privadas. Com a redução do tamanho dos componentes eletrônicos, eficiência de sub-sistemas (como a de geração elétrica por exemplo), é comum ver satélites com massas variando de 1 a 10kg. Esses satélites também possuem a necessidade de orbitas específicas. Dessa forma, a utilização de lançadores de grande porte (acima de 100kg em LEO) torna-se critica. Isso se deve principalmente a dois motivos convergentes.

O primeiro é a necessidade de espera. Para um foguete ser lançado, há um custo fixo que envolve o preço do lançador e sua missão de lançamento. Dessa forma, lançar um único satélite com 10kg em um Falcon 1 seria perda de dinheiro e tempo, pois o restante da carga útil deverá ser preenchida com um lastro. O segundo motivo esta na solução do primeiro. Há a necessidade de lançar satélites suficientes para atingir uma massa mínima de carga útil. Isso diminuiria os custos, mas amarra a orbita e o tempo necessário para lançamentos no sentido de completar a carga.

Por fim, o ponto positivo maior esta no quesito custo. Um lançador de pequeno porto terá, por conseqüência, motores de empuxo reduzido. Isso liga diretamente o custo final, pois para testar um motor de 2 e 3 estagio do porto do VLNS, bastaria um foguete de pequeno porte, facilmente lançado de encontro de espaço-modelismo. Assim, o custo de desenvolvimento se diluiria facilmente, garantindo precauções adicionais para eficiência e controle de risco dos motores.

Bem, como eu disse, tentei ser o mais parcial possível. Mas não há como ser completamente. Me diga, há como desenvolver um projeto deste porte sem ao menos um pouco de paixao?

Motores Foguete a Propelente Líquido L500v e L300

Depois de muito tempo, volto a publicar algo no blog. Durante todo esse tempo, a idéia do veiculo lançador de Nano-Satelites cresceu. Foi até pensado em próximas versões. Também seu sistema de controle de atitude começou a ser desenvolvido. Não é uma tarefa fácil, mas seus resultados são muito compensadores.

Para futuros testes, o motor do ultimo estagio do VLNS, correspondendo a cerca de 500N de empuxo no vácuo, ganhará uma versão para testes ao nível do mar e futuramente será lançado com o objetivo de por em pratica o sistema de controle, qualificando não somente o propulsor, mas também o sistema de guiamento embarcado.

Como o principal componente a ser desenvolvido para dar continuidade às pesquisas é a bancada de teste, a mesma encontra-se em fase de desenvolvimento. Já foram adquiridas duas válvulas de controle de pressão e atualmente estão sendo feito os tanques de combustível e de oxidante para a bancada. Apenas aproveitando a deixa, provavelmente será incluído nesta primeira leva de componentes, os tanques para vôo do foguete acima descrito.

A principal diferença entre o propulsor L500v e o L300 será na razão de expansão. Com uma expansão maior, seu impulso específico também será algo consideravelmente elevado, permitindo um grande incremento de velocidade para o ultimo estagio do veiculo satelizador. O projeto inicial prevê uma razão de expansão de área de 150 para o modelo L500V, sendo que o modelo para atmosfera baixa (L300) apresentara uma razão entre área de 6.

Este último valor para o modelo L300 apresentará uma pressão de saída ligeiramente menor que a atmosférica. Entretanto como o fim de queima será em uma região com cerca de 0,25bar, o motor em questão estará sub-expandido, permitindo assim aproveitar ao máximo do desempenho do mesmo.

Em Breve colocarei algumas fotos e desenhos do mesmo.

O Veículo Lançador de Nano-Satélites

Veículos lançadores de satélites, a primeira análise, parecem ser objetos complexos e distantes das habilidades de grupos amadores. Entretanto, durante um exercício mental (para conhecimento mais aprofundado de trajetórias balísticas), foi possível demonstrar a viabilidade utilizando todo o ferramental disponível para os grupos atuais.

Um grande problema inicial era o sistema de controle que conferisse ao veículo uma trajetória correta. Entretanto, durante estes exercícios, foi possivel eliminar quase que por completo sistemas de guiamento para um foguete satelizador.

O primeiro exercício foi projetar um motor foguete utilizando propelentes de facil aquisição para os grupos existentes. Como produtos a base de Perclorato de Amônio e Perclorato de Potássio são de acesso restrito (principalmente para quantidades necessárias para um lançador), optamos por utilizar Nitrato de Amônio como oxidante primário. Entretanto, náo foi possivel fugir de um combustivel mais energético como magnésio ou mesmo alumínio em pó, que apesar de mais complicados de obtenção, não são tao restritos quanto os oxidantes.

Após o cálculo do motor, conseguimos chegar em duas configurações bastante singulares. Um Rockoon (lançado a partir de um balão de grande altitude) e um foguete com booster lançado de uma base em pleno equador.

Não satisfeito com o desempenho (vendo o quanto de massa morta custa não utilizar sistema de controle), resolvemos projetar um foguete movido a propelente líquido com propulsão ao alcance do grupo. O resultado foi um foguete bastante barato em termos de desenvolvimento, baixo custo por lançamento e novamente com carga útil de até 10kg. Este foguete possui três estagios, sistema de controle ativo e possui a capacidade de atingir uma orbita equatorial circular de 750km de altitude. Com base neste projeto, foi adequado a propulsão já em vista a ser desenvolvida pelo grupo e o custo por lançamento poderá se enquadrar abaixo dos 100mil reais (cerca de 5 mil Dollares por kilograma satelizado). Abaixo está uma representação ainda rústica do veículo, evidenciando apenas algumas disposições de motores e tanques. Não custa lembrar que este desenho não corresponde inteiramente à realidade.

Esta representação mostra alguns dos motores completamente fora de escala. Praticamente todos estes motores já foram projetados pelo grupo e estão ao alcance de nossas habilidades.

Confesso que houve muita pesquisa para apenas um exercício rotineiro. Foi utilizado bastante bibliografias. A principais consultas foram sobre a planta do foguete Vanguard (americano), componentes utilizados na Soyuz (R-7 Soviético), assim como o sistema de controle teve forte influência das plantas do X-1 (Rocket-Plane), V2/A4 (Missil alemão Aggregat) e do próprio Vanguard e Soyuz.

Somando todos os componentes, incluindo satélite (10kg), propelente e estrutura seca, este foguete na base possuirá, segundo os cálculos, aproximadamente 1800kg.

Versões mais aprimoradas deste lançador (que começamos a pensar), poderá inclusive enviar esta mesma massa de satélite em velocidade de escape (algumas modificações requeridas). Entretanto, deixando o exercício mental de lado, esperamos um dia por em prática todo esta idéia e conhecimento adquirido ao longo dos anos.

Um dos novos projetos desenvolvido pelo Grupo Proxima Centauri é o Motor Foguete a Propelente Líquido L-210.

Este motor está servindo de escola para a parte prática da propulsão líquida e consiste em um projeto dividido em diversas fases que permitirá o grupo conhecer experimentalmente as dificuldades e principalmente as inovações propiciadas por este tipo de experimentação.

Após muitas horas de trabalho (mais especificamente 63h), foi possível concluir uma simulação em CFD do funcionamento do motor em regime nominal correspondente a primeira fase do projeto.

O projeto inicia-se com um motor movido a propelente líquido (na realidade, o oxidante se apresentará na câmara no estado gasoso) unicamente para bancada. Utilizando Etanol Anidro e Oxigênio gasoso como combustível e oxidante, espera-se obter um empuxo de 210N (aproximadamente 21kgf) em regime estático ao nível do mar. Com os dados obtidos nesta fase, poderemos também qualificar a bancada de testes e dispositivos de medição da mesma que está sendo desenvolvido em paralelo.

Abaixo podemos ver o resultado desta primeira simulação do MFPL L-210

Como é possível notar nesta simulação, nas condições de operação do motor, somados a geometria da câmara de combustão e tubeira, ocorrerá a blockagem dos gases na região crítica devido os gases atingirem velocidade sônica e por consequencia a expanção dos mesmos na seção divergente da tubeira.

Bem, já vimos que este motor funcionará em teoria (simulação). Agora nos resta saber o quão distante da teoria se encontrará a prática.

Robson Hahn

Grupo Proxima Centauri

São José dos Campos - S.P.

www.proximacentauri.com.br