Artemis II: o regresso da Orion à Terra e a reentrada

Depois de concluírem com sucesso a sua missão à Lua, a tripulação da Artemis II prepara-se para regressar à Terra.

Os quatro astronautas bateram um novo recorde de distância a que seres humanos já estiveram do nosso planeta, atingindo um máximo de 406,771 quilómetros a partir da Terra.

O regresso vai culminar numa reentrada a alta velocidade, hipersónica e extremamente quente na atmosfera terrestre, antes de a nave amarar no Oceano Pacífico, ao largo da costa da Califórnia, por volta das 20h do dia 10 de abril, hora local.

Esta reentrada será o último grande teste que a tripulação terá de superar na sua missão épica de dez dias. É uma fase com riscos consideráveis - mas a nave está equipada com um conjunto de tecnologias concebidas para os manter em segurança.

Uma reentrada rápida

A cápsula Orion, que transporta os astronautas da Artemis II, estará a deslocar-se a mais de 11 km/s (40,000 km/h) quando alcançar a atmosfera terrestre. Isto é 40 vezes mais rápido do que um avião de passageiros.

Pode acompanhar aqui uma transmissão em direto do regresso da tripulação:

Se olharmos, em alternativa, para a energia cinética - a energia que um objeto possui por estar em movimento -, na reentrada a cápsula Orion terá quase 2,000 vezes mais energia cinética por quilograma de veículo do que um avião de passageiros.

Como acontece com qualquer nave espacial que regressa a casa, terá de abrandar e reduzir essa energia cinética praticamente a zero, para que seja possível abrir paraquedas e garantir uma aterragem segura na Terra.

As naves espaciais diminuem a energia cinética através de uma reentrada controlada nas camadas superiores da atmosfera, usando a resistência aerodinâmica do ar como “travão” para desacelerar.

Ao contrário de um avião, que é normalmente concebido para ser aerodinâmico e minimizar a resistência ao ar para reduzir o consumo de combustível, as naves em reentrada fazem precisamente o oposto. São desenhadas para serem o mais “pouco aerodinâmicas” possível, de modo a maximizar o arrasto e ajudar a travar.

A desaceleração durante a reentrada pode ser extremamente severa.

Em geral, a desaceleração e a aceleração são discutidas em forças g - ou simplesmente em “g”. Trata-se da força de desaceleração ou aceleração dividida pela aceleração padrão que todos sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 pode experienciar mais de 5 “g” ao fazer uma curva, o que está perto do máximo de forças g que um ser humano consegue aguentar sem desmaiar.

Cápsulas pequenas e não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da NASA que trouxe amostras do asteroide Bennu, entram na atmosfera praticamente “a direito” e desaceleram muito rapidamente. Estas entradas acontecem num período muito curto, em menos de um minuto. Porém, as forças g podem, nesse caso, ultrapassar 100 - algo aceitável para veículos robóticos, mas não para pessoas.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para tornar a entrada mais demorada. Isso reduz as forças g para níveis mais suportáveis para humanos e faz com que a reentrada dure vários minutos.

Uma reentrada muito quente

A cápsula Orion voltará a entrar na atmosfera a mais de 30 vezes a velocidade do som.

Uma onda de choque envolverá a nave, gerando temperaturas do ar de 10,000°C ou mais - cerca de duas vezes a temperatura à superfície do Sol.

Este calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque num plasma eletricamente carregado. Isso bloqueia temporariamente os sinais de rádio, pelo que os astronautas não conseguirão comunicar durante as partes mais duras da descida.

Garantir uma reentrada segura

As naves espaciais suportam o ambiente extremamente agressivo da reentrada através de uma definição cuidada das trajetórias, de forma a reduzir o aquecimento tanto quanto possível.

Além disso, a nave transporta um sistema de proteção térmica. Na prática, trata-se de uma “manta” isolante que protege a nave e a sua tripulação (ou carga) do escoamento hipersónico severo no exterior.

Esse sistema de proteção térmica é ajustado com grande precisão ao veículo e à missão. Os materiais capazes de suportar mais calor são aplicados nas superfícies onde se prevê que o ambiente seja mais extremo, e também as espessuras são calibradas ao detalhe.

Durante a entrada, estes materiais são concebidos para incandescer (brilhar a vermelho) e degradar-se - mas sem falhar. Esse brilho rubro também irradia calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que ele seja absorvido pela nave.

É graças a este desenho rigoroso que a Artemis consegue atravessar ar a 10,000°C, mantendo uma temperatura máxima à superfície do escudo térmico de apenas cerca de 3,000°C.

A maioria das naves espaciais é protegida por materiais chamados ablativos. Em geral, são feitos de fibra de carbono e de um tipo de cola conhecido como resina fenólica.

Estes escudos ablativos absorvem energia e libertam um gás relativamente frio para o escoamento ao longo da superfície do veículo, o que ajuda a arrefecer o conjunto.

O material ablativo do escudo térmico usado na cápsula Orion chama-se AVCOAT. É uma versão do material que protegeu a cápsula Apollo no regresso da Lua, no final da década de 1960 e no início da década de 1970.

Embora a missão Artemis I - um voo de teste não tripulado - tenha sido um grande sucesso, a ablação do escudo térmico durante a reentrada foi muito superior ao esperado. Em alguns pontos, separaram-se grandes pedaços de material do escudo.

Após inspeções e análises demoradas, os engenheiros decidiram avançar, ainda assim, com o mesmo tipo de escudo térmico na missão Artemis II.

A equipa considera que, na Artemis I, a perda de fragmentos do escudo se deveu a uma acumulação de pressão no interior do material durante a fase de “salto” da entrada, quando a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada, na qual amarou.

Para a Artemis II, os engenheiros optaram por ajustar ligeiramente a trajetória: continuam a usar sustentação, mas com um “salto” menos definido.

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas já alcançaram nesta missão. Mas, como muitas outras pessoas, vou sentir alívio quando os vir regressar e ser recebidos em segurança na Terra.

Chris James, Docente Sénior, Centro de Hipersónica, Escola de Engenharia Mecânica e de Minas, Universidade de Queensland

Este artigo é republicado de A Conversa ao abrigo de uma licença CC. Leia o artigo original.

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