Recentemente, uma conferência organizada pela Academia Aeroespacial Francesa foi realizada em Paris. Um dos oradores foi Jean-Marc Astorg, chefe do CNES (Centro Nacional de Pesquisas Espaciais). Ele passou toda a sua carreira na diretoria, trabalhando na Vega, Ariane 5 ECA, Soyuz, na Guiana Francesa, e em 2015 foi nomeado Diretor de Trabalho da Boosters. Ele revelou muitos detalhes técnicos, compartilhou planos para o futuro e falou sobre a reação da Europa aos veículos de lançamento reutilizáveis americanos. Este artigo é uma entrevista traduzida, complementada por slides que ele mostrou durante sua apresentação.
“Quando comecei a trabalhar no CNES em 1985, imediatamente após me formar em uma escola de engenharia, a reutilização tinha uma imagem extremamente negativa. Principalmente devido ao ônibus espacial americano, que era completamente incapaz de atingir seus objetivos originais. Inicialmente, o custo esperado era de US $ 30 milhões por lançamento e, com uma frequência de um lançamento por semana, no final, custava cerca de US $ 1 bilhão por lançamento, com 6 partidas por ano. Desta maneira
, construímos um foguete Ariane com base na má experiência do ônibus espacial. Hoje, Ariane 6 é a primeira resposta européia aos mísseis reutilizáveis americanos ressuscitados.
Antes de nos aprofundarmos nos detalhes, lembrarei rapidamente as realidades econômicas. Entre 2017 e 2018, o orçamento da NASA aumentou, e esse aumento chegou a todo o orçamento anual do CNES. Quanto ao mercado global de lançamentos, ele representa muitos lançamentos de satélites por ano, mas apenas cerca de 25 deles estão abertos à concorrência comercial global. A maioria dos lançamentos comerciais é para satélites de comunicações geoestacionárias, mas não sabemos se o mercado permanecerá o mesmo.
Um pouco de história sobre o desenvolvimento de veículos de lançamento na Europa: Ariane 1 foi um sucesso comercial inesperado graças ao fracasso do ônibus espacial. Foi colocado em operação exatamente no momento certo. Graças à evolução do Ariane 4, atingimos o limite de possibilidades para o conceito Ariane 1, por isso desenvolvemos o Ariane 5. Por 20 anos, ele é o principal veículo de lançamento comercial do mundo. Uma de nossas vantagens foi a localização da nossa plataforma de lançamento de Kourou, na Guiana Francesa.
Temos uma participação de mercado decente, dado o financiamento relativamente pequeno na Europa. Atualmente, há vontade política nos Estados Unidos de retornar ao mercado comercial e restaurar o terreno perdido. Há um desenvolvimento de pH em todo o mundo, de participantes estaduais e comerciais, devido ao aumento esperado no mercado. Para o pH, é importante ser o mais barato possível. Atualmente, os preços são de cerca de 10.000 euros por quilo quando lançados em órbita geoestacionária (GTO). Observe que a maioria dos pHs em desenvolvimento é descartável; portanto, o Ariane 6 não é uma exceção a esse respeito.
Para dar uma breve visão geral dos esforços mundiais no desenvolvimento de novas capacidades de lançamento, basta lembrar que os chineses têm um programa espacial com um progresso incrível em todas as frentes - são novos veículos de lançamento e naves espaciais. Isso nos faz ficar amarelos de inveja. Eles anunciaram que também estavam desenvolvendo um veículo de lançamento reutilizável: no dia 8 de março, a ser lançado em 2028.
Nos EUA, não devemos nos opor aos esforços espaciais públicos e privados: a SpaceX é em grande parte criação da NASA, graças à assistência técnica e financeira.
Na Europa, a principal razão para a existência do programa espacial e a possibilidade de lançamentos é o acesso independente ao espaço. Percebemos isso no mesmo dia em que queríamos lançar nosso primeiro satélite de comunicações, Symphonie, em um veículo de lançamento americano. Eles concordaram em lançar, mas apenas com a condição de que o satélite não seja usado para fins comerciais. Isso mostra que devemos ter confiança em nós mesmos e em nossas habilidades. No entanto, na Europa, é necessário não mais que 4-5 lançamentos por ano. Portanto, é importante que tenhamos uma participação no mercado comercial para manter a nossa indústria aeroespacial viável.
Esperávamos a retomada da concorrência nos Estados Unidos. O Ariane 6 foi originalmente proposto em 2009 quando percebemos que o Falcon 9 SpaceX provou ser um bom pH com alto desempenho e baixo custo. Portanto, o principal objetivo do Ariane 6 era reduzir custos. No entanto, a decisão de financiar o programa foi tomada apenas em 2014, que é muito tarde. A lenta tomada de decisões na Europa é um problema sério.
O Ariane 6 é um foguete único muito parecido com o Ariane 5, mas reduzimos seu custo em 50% graças a três fatores: maior frequência de lançamento, pois substituirá o “Union” lançado da Guiana Francesa, inovação (por exemplo, em vez de dois x bloquear aceleradores de combustível sólido de metal, usaremos 4 aceleradores de combustível sólido monobloco) e um processo de produção aprimorado com a introdução do gerenciamento enxuto (gerenciamento enxuto). A meta é o custo de 10.000 euros por quilograma no TRP em 2020. Existem poucos desafios tecnológicos, mas muitos organizacionais.
A reutilização é uma idéia bastante antiga e óbvia: são necessários três anos para fabricar um veículo de lançamento (devido à longa produção de motores), custa mais de 100 milhões de euros, nós o lançamos e em menos de 30 minutos já afunda no mar. No entanto, existem várias maneiras de implementar o uso reutilizável: o Falcon 9 é fundamentalmente diferente do Space Shuttle nesse aspecto. Somente o primeiro passo é salvo, o mais fácil de reutilizar. Ele é separado a uma velocidade de apenas 2 quilômetros por segundo e seu custo é de 50% do custo de todo o foguete. Esta é uma grande diferença em comparação com o Shuttle. O Falcon 9 possui objetivos técnicos razoáveis que podem ser alcançados passo a passo. O ônibus tinha muitas ambições na década de 1970.
Existem várias estratégias de reutilização. Como o objetivo é minimizar o impacto negativo na etapa, o paraquedas no oceano não é uma opção: a água salgada dificulta o reparo. Por exemplo, para o Falcon 9 SpaceX, eles usam um motor para retornar ao longo de um caminho de loop com vários pulsos de frenagem. Nós trabalhamos nisso com o laboratório aeroespacial nacional da França e percebemos que era bastante complicado.
O aspecto principal é que essa abordagem permite experimentar o pouso: depois que o segundo estágio é separado, o primeiro estágio pode tentar mudar a trajetória e a velocidade do movimento sem afetar o curso da missão principal e sem grandes mudanças no design do primeiro estágio. Em soluções que usam retorno alado, pelo contrário, asas não rearmáveis devem ser colocadas no palco durante todo o vôo da primeira etapa, o que pode interferir na missão. Assim, o método SpaceX funciona, o que permite experimentar lançamentos únicos, enquanto adiciona um mínimo de componentes de foguetes. Portanto, esta é a opção mais barata e mais interessante.
Reutilizável tem prós e contras. As desvantagens são uma diminuição na carga útil, até -50% ao usar parte do combustível para retornar à plataforma de lançamento, aumento do perigo quando a etapa retorna à plataforma de lançamento na Guiana - localizada perto da cidade de Kourou e o problema de acessibilidade da plataforma de desembarque no oceano. Para pousar em uma barcaça, as condições climáticas devem ser adequadas em um raio de 400 km e, com mau tempo, o lançamento pode não ocorrer.
As vantagens são a capacidade de ter uma frequência mais alta de lançamentos e ter mais flexibilidade no planejamento de lançamentos pagos, já que não precisamos esperar muito para lançá-los. Além disso, a reutilização economiza dinheiro se os custos de reparo forem baixos. Este é um fator chave para toda a fórmula de reutilização. Por exemplo, antes da introdução do Falcon 9 Block V no motor Merlin, houve casos de rachaduras na turbobomba, o que significava que ela precisava ser substituída e o lançamento deveria ser limitado sem grandes reparos a dois usos.
O problema do uso reutilizável é que, se você não precisar mais criar as primeiras etapas, feche suas linhas de produção. No entanto, se em algum momento você precisar construir um estágio, será necessário abri-los novamente e configurar a produção, o que exigirá uma quantia enorme de dinheiro. Portanto, é importante usar o mesmo mecanismo para o primeiro e o segundo estágio, para que a produção não pare.
Qual poderia ser a estratégia reutilizável da Europa? Em primeiro lugar, não faremos apenas lançamentos reutilizáveis. Missões para órbitas geoestacionárias e missões para outros corpos espaciais seriam descartáveis. Para uma missão na órbita da Terra, usaremos o caminho de retorno ao local de lançamento. Isso nos permitiria reiniciar os primeiros estágios e manter os volumes de produção, reduzindo os custos em 30%. Essa reutilização parcial e razoável é viável. No entanto, isso requer muito desenvolvimento, porque precisamos dominar muitos fenômenos físicos complexos. No entanto, é interessante, mesmo nas realidades de hoje. Se o mercado se expande, torna-se necessário.
Uma das tecnologias a serem desenvolvidas é a modulação de tração do motor. Isso pode causar problemas com a instabilidade da combustão, e não a estudamos em detalhes, porque não era necessário. Portanto, no curto prazo, o Ariane 6 é a única solução para reduzir custos e custos de inicialização. A longo prazo, a reutilização e outras tecnologias, como a impressão 3D, as reduzirão ainda mais. A impressão 3D pode revolucionar a produção de câmaras de combustão, que atualmente levam muito tempo.
Nosso objetivo é introduzir uma abordagem experimental em fases. Precisamos verificar como isso funciona. Quanto aos motores, atualmente estamos usando o Vulcain, que é um mecanismo de hidrogênio baseado em um design antigo. Estamos desenvolvendo o mecanismo de metano-oxigênio Prometheus, que visa reduzir custos. Isso não significa que abandonaremos a base industrial de hidrogênio, veremos. A vantagem do metano é que ele está localizado no meio entre hidrogênio e querosene. É muito mais fácil de manusear do que o hidrogênio, tendo um impulso específico melhor que o querosene, para que o motor possa ser mais barato, uma ordem de magnitude mais barata. O metano também é mais denso que o hidrogênio, o que torna os tanques menores e mais baratos. Estamos construindo dois protótipos de Prometheus para testes de incêndio até 2021.
Prometheus pode ser usado na nova arquitetura, que chamamos de Ariane Next. Este reforço terá 7 motores no primeiro estágio e 1 no segundo estágio e pode ser usado em
Opção descartável ou reutilizável, que facilita a experimentação da reutilização. O objetivo é aprender com testes que não são um ponto forte da indústria aeroespacial europeia.
Antes de implementar o Ariane Next, temos as etapas anteriores, uma delas é a Callisto. Para este demonstrador reutilizável do primeiro estágio, não temos um mecanismo reutilizável na Europa, por isso trabalhamos com os japoneses. Depois, passaremos para uma escala maior - o protótipo do primeiro estágio da nova geração de Themis com motores Prometheus. O conceito ainda está na fase de definição.
Por fim, precisaremos fazer uma escolha entre a evolução do Ariane 6 e o novo veículo de lançamento, que estará pronto em 2028-2030.
Perguntas e Respostas
Pergunta : Onde você gostaria de reparar o primeiro estágio?
Resposta : Para Kourou, porque, caso contrário, a entrega para a Europa torna toda a empresa muito cara. E o reparo deve ser mínimo para que o conceito funcione.
Pergunta : O Callisto é muito semelhante ao demonstrador de aterrissagem vertical do Grasshopper, cuja tecnologia foi usada para aterrar o primeiro estágio do Falcon 9.
Resposta : Callisto - tem o mesmo design que o Grasshopper da SpaceX. Os chineses também estão construindo um protótipo semelhante, não temos nenhum problema em dizer que não inventamos nada de novo.
Pergunta : Prometheus parece barato na produção; por que não colocar mais motores no veículo de lançamento para aumentar ainda mais a relação empuxo / peso?
Resposta : Nosso design é baseado em análises de mercado. Embora eu não possa prever qual será a situação em 2030, 7 motores do Prometheus são ótimos para o mercado atual.
Pergunta : Você está planejando ir para Marte?
Resposta : Já estamos partindo para Marte - o instrumento a bordo do NASA Insights Mars é um sismômetro produzido pelo SEIS francês.
Pergunta : Parece que estamos 5-8 anos atrás dos EUA, vamos nos atualizar?
Resposta : Embora Elon Musk tenha escrito um novo capítulo na história da criação de veículos lançadores, seu modelo de uso reutilizável total não é o único. Espero que o mercado de lançamentos seja meio reutilizável e meio descartável no futuro. Por exemplo, a Força Aérea dos EUA atualmente financia o desenvolvimento de veículos lançadores descartáveis.
Pergunta : E a impressão 3D?
Resposta : Eu visitei o
Relativity Space em abril e, graças à impressão em 3D, eles desenvolveram um mecanismo de 10 toneladas de metano em 2 anos e o testaram na NASA Stennis. Eles querem imprimir o foguete inteiro. Embora eu não acredite que eles conseguirão isso, acho que pode ser um avanço tão significativo quanto vários lançamentos. No Ariane 6, por exemplo, a unidade de energia auxiliar do segundo estágio será impressa em 3D, caso contrário, será muito difícil criar. Portanto, espero uma redução muito significativa nos custos devido à impressão 3D.
Pergunta : Quais são as restrições climáticas para as barcaças de desembarque?
Resposta : Ondas altas fazem com que a barcaça se incline fortemente e pode virar o passo definido. É por isso que a SpaceX desenvolveu o sistema de captura de foguetes Octogabber. O Blue Origin tem um conceito diferente, eles usarão um navio com um sistema de estabilização hidrodinâmico.
Pergunta : O que você acha que o impacto no mercado terá mega constelações de satélites como a Oneweb?
Resposta : Eu não tenho uma bola de cristal. Mas vejo que, como todos os operadores de satélites estão em posição de espera e estão assistindo à introdução desses grupos, suspenderam alguns pedidos de novos satélites e o mercado comercial caiu. Agora são 17 satélites por ano, enquanto antes eram cerca de 30. Eles terão que enfrentar a concorrência de satélites na órbita geoestacionária e nas redes terrestres, para que seja possível que eles falhem, como nos anos 90. Então o mercado, é claro, não crescerá 10 vezes.
Pergunta : O que você acha da elasticidade da demanda do mercado?
Resposta : Até agora, a elasticidade tem sido baixa. O custo do lançamento de um GTO caiu de 20.000 € / kg para 10.000 € / kg, e isso não teve um grande impacto na demanda. Se atingirmos 5.000 € / kg, não tenho certeza se isso terá um grande impacto. O problema é que o custo do acesso ao espaço ainda é alto. Portanto, não baseamos nossos modelos na elasticidade do mercado.
Pergunta : Como você garante o retorno do primeiro estágio seguro para a população?
Resposta : É difícil dizer. Usaremos o Callisto para mostrar que podemos fornecer trajetórias seguras.
Pergunta : Que tal reutilizar o segundo estágio?
Resposta : Acreditamos que o efeito sobre a massa da carga de saída é proibitivo, portanto não estamos trabalhando muito nisso.
Artigo original