Artemis II: como a cápsula Orion regressa à Terra

Depois de concluírem com êxito a missão até à Lua, a tripulação da Artemis II está prestes a regressar à Terra.

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância atingida por seres humanos em relação ao nosso planeta, chegando a um máximo de 406,771 quilómetros da Terra.

A viagem de regresso vai terminar com uma 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.

A reentrada será o derradeiro teste que a tripulação terá de enfrentar nesta missão épica de dez dias. É uma fase com muitos perigos - mas a nave está equipada com um conjunto de tecnologias concebidas para os proteger.

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 atingir a atmosfera da Terra. Isto é 40 vezes mais rápido do que a velocidade de um avião comercial.

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

Se, em alternativa, olharmos para a energia cinética - a energia que um objeto possui devido ao seu 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 qualquer nave que regressa a casa, terá de abrandar e reduzir a sua energia cinética para quase zero, para que seja possível abrir paraquedas e aterrar em segurança na Terra.

As naves espaciais reduzem a energia cinética através de uma reentrada controlada na alta atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico do ar como “travão” para desacelerar.

Ao contrário de um avião, que em geral é concebido para ser aerodinâmico e minimizar o arrasto (reduzindo o consumo de combustível), uma nave em reentrada faz precisamente o inverso. É desenhada para ser o menos aerodinâmica possível, maximizando o arrasto para ajudar a travar.

Esta desaceleração durante a reentrada pode ser extremamente agressiva.

A aceleração e a desaceleração são normalmente descritas em forças g - ou, de forma abreviada, em «g». Isto corresponde à força de desaceleração ou de 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 contornar uma curva, o que está perto do máximo que um ser humano consegue suportar sem desmaiar.

Pequenas cápsulas de reentrada não tripuladas, como a cápsula da NASA OSIRIS-REx que trouxe amostras do asteroide Bennu, entram na atmosfera “a direito” e desaceleram muito rapidamente. Estas entradas acontecem num intervalo muito curto, em menos de um minuto. Mas, nesse caso, as forças g podem ultrapassar 100 - aceitável para veículos robóticos, mas não para humanos.

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

Uma reentrada muito quente

A cápsula Orion vai reentrar na atmosfera a mais de 30 vezes a velocidade do som.

Uma onda de choque envolverá a nave, criando temperaturas do ar de 10,000°C ou mais - cerca do dobro da temperatura da superfície do Sol.

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

Garantir uma reentrada segura

As naves espaciais sobrevivem ao ambiente extremamente severo da reentrada graças a um desenho cuidadoso das suas trajetórias, com o objetivo de minimizar 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 o veículo e a tripulação (ou a carga) do escoamento hipersónico violento no exterior.

O sistema de proteção térmica é ajustado com precisão ao veículo e à missão. Os materiais que suportam mais calor são colocados nas superfícies onde se prevê que o ambiente seja mais exigente, e as espessuras também são rigorosamente calibradas.

Estes materiais são concebidos para incandescer e degradar-se durante a entrada - mas sem falhar. Esse brilho vermelho também ajuda a irradiar calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que seja absorvido pela nave.

É este nível de precisão que permite à Artemis atravessar ar a 10,000°C mantendo, ainda assim, uma temperatura máxima à superfície do escudo térmico de apenas cerca de 3,000°C.

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

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

O material ablativo usado no escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. É uma versão do material que protegeu a cápsula Apolo quando regressou 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, soltaram-se grandes pedaços de material do escudo.

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

A equipa acredita que, na Artemis I, se perderam fragmentos do escudo térmico devido a um aumento de pressão no interior do material durante a fase de «salto» da entrada, em que a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada, na qual amarou.

Para a Artemis II, os engenheiros decidiram, em vez disso, ajustar ligeiramente a trajetória para continuar a usar sustentação, mas com um «salto» menos definido.

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas já conseguiram alcançar nesta missão. Mas, como muitas outras pessoas, vou ficar mais descansado quando os vir a ser recebidos em segurança de volta à Terra.

Chris James, Professor Auxiliar Sénior, Centro de Hipersónica, Escola de Engenharia Mecânica e de Minas, The University of Queensland

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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