A física impedirá o sucesso do SpinLaunch?

O SpinLaunch tentará inteligentemente alcançar o espaço com o mínimo de combustível de foguete. Mas a física impedirá que uma versão em grande escala seja bem-sucedida?
Um tiro de teste do lançador protótipo SpinLaunch que foi um sucesso total. Com velocidades de saída de aproximadamente 1.000 mph e uma altura máxima de 30.000 pés, isso é um progresso promissor para o SpinLaunch. Mas para chegar à órbita, muitos obstáculos devem ser superados. (: SpinLaunch/YouTube)
Principais conclusões
  • Embora a humanidade tenha conseguido colocar espaçonaves em órbita e até mesmo além da atração gravitacional da Terra, a única maneira de fazer isso é por meio de lançamentos de foguetes devoradores de combustível.
  • No passado, alternativas foram propostas: canhões ferroviários, lançamentos de projéteis, elevadores espaciais e muito mais, mas nenhuma jamais colocou uma única carga útil em órbita.
  • Com um protótipo funcional lançando objetos com sucesso a 1.600 quilômetros por hora, o SpinLaunch parece promissor. Mas as leis da física impedirão uma versão em escala real?
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Há muito tempo é o sonho da humanidade escapar das amarras da atração gravitacional da Terra, abrindo caminho para explorarmos os vastos alcances do espaço que estão além do nosso mundo. A partir do século 20, começamos a realizar esse sonho aproveitando o poder da tecnologia de foguetes, onde queimaríamos combustível para fornecer uma grande e constante aceleração a uma carga útil, eventualmente levando-a acima da atmosfera da Terra e colocando-a em órbita ao redor de nosso planeta. ou - mais ambiciosamente - escapar totalmente da gravidade do nosso planeta.



No entanto, os lançamentos de foguetes, mesmo quando o veículo de lançamento é recuperável e reutilizável, são tremendamente intensivos em recursos, caros e prejudiciais ao meio ambiente. Desde meados do século 20, inúmeras tecnologias alternativas foram propostas para enviar objetos ao espaço, mas nenhuma ainda atingiu esse objetivo até 2022. Uma empresa pretende mudar isso nos próximos anos: SpinLaunch . Idealmente, eles construirão uma versão em escala real de seu protótipo funcional de tamanho modesto para girar objetos a velocidades de 5.000 milhas por hora (8.100 km/h) e lançá-los para cima, onde um pequeno propulsor os levará até o espaço. É um objetivo ambicioso, mas as leis da física podem estar no caminho. Aqui está o porquê.



Pode parecer um foguete, mas não é um foguete: é um projétil aerodinâmico que deve ser lançado com uma grande quantidade de energia cinética após ser “girado” até a velocidade de saída desejada. Cortar o primeiro estágio de um lançamento de foguete em uma tentativa de alcançar o espaço pode economizar 70% ou mais dos custos de combustível/lançamento.
( Crédito : SpinLaunch)

Houve algumas idéias que foram oferecidas como alternativas aos lançamentos de foguetes ao longo do tempo.



  • Um railgun, por exemplo, aceleraria eletromagneticamente um projétil ao longo de uma trilha até que o projétil chegasse ao fim, onde poderia alcançar o espaço com uma velocidade de saída grande o suficiente.
  • Um elevador espacial, alternativamente, levantaria um objeto destinado à órbita acima da atmosfera da Terra, contando com uma infraestrutura sólida o suficiente para transportar uma carga útil sem um veículo de lançamento.
  • Ou uma solução balística, onde um objeto é simplesmente disparado em alta velocidade para cima através da atmosfera, poderia levar um objeto a maior parte do caminho ou até mesmo completamente para o espaço.

Essa última opção, durante as décadas de 1950 e 1960, deu origem ao Projeto HARP : o High Altitude Research Project, que uma vez enviou um projétil disparado por uma arma até a maior altitude já alcançada por esse meio, a 180 quilômetros (110 milhas) acima da superfície da Terra. No entanto, uma combinação de fatores – incluindo o trauma sofrido pela carga útil durante seu disparo inicial – impediu que um foguete de estágio avançado funcionasse como parte da carga útil, proibindo-o de atingir a órbita ou escapar da gravidade da Terra.

É muito provável que o Projeto HARP tenha servido de inspiração para o que o SpinLaunch está tentando fazer hoje.



Este diagrama dos componentes internos do sistema SpinLaunch mostra o funcionamento dos vários componentes principais do sistema SpinLaunch. Ele oferece o potencial de revolucionar os sistemas de lançamento, mas há muitos riscos e possíveis armadilhas envolvidas.
( Crédito : SpinLaunch)

A ideia do SpinLaunch é diabolicamente simples e incrivelmente complexa. Em vez de usar um lançador baseado em armas como o Projeto HARP fez, o SpinLaunch construirá um grande acelerador circular, como uma centrífuga. De um lado, é preparada uma carga útil dentro de uma embarcação aerodinâmica; na outra ponta, um contrapeso equilibra. O ar interno é evacuado, criando um vácuo interno. E então, o spin-up começa. Com cada revolução dentro do mecanismo SpinLaunch, a carga útil e o contrapeso aceleram, aumentando sua velocidade angular repetidamente.



Uma vez atingida uma velocidade crítica, a carga útil se desprende do resto do aparelho e é lançada diretamente para cima, onde penetra em uma bainha fina, mas hermética, entrando na atmosfera da Terra. O objetivo não é ir até o espaço, mas “apenas” para altitudes extremamente altas, não apenas acima da troposfera da Terra e na estratosfera, mas também acima da estratosfera e até a mesosfera. Só então um foguete auxiliar entrará em ação e levará a carga útil pelo resto do caminho para o espaço, economizando uma enorme quantidade de custos de combustível e custos de lançamento em geral. Idealmente, o SpinLaunch será capaz de lançar muitas cargas por dia, por uma fração do custo de lançamentos de foguetes reutilizáveis.

O protótipo SpinLaunch atual, em uma escala de um terço do lançador final desejado, lançou com sucesso muitos veículos “fictícios” a velocidades de até 1.000 milhas por hora e a altitudes de até 30.000 pés. No entanto, ampliar isso será complicado, pois muitos novos obstáculos que podem ser ignorados para este protótipo aparecerão e devem ser considerados.
( Crédito : SpinLaunch)

Até agora, a SpinLaunch construiu dois protótipos, o maior dos quais tem um terço do diâmetro da versão final desejada. Este protótipo já lançou cargas úteis de teste com sucesso:



  • que se destacaram com sucesso no momento certo,
  • que perfuraram com sucesso uma membrana mylar mantendo o vácuo,
  • em velocidades de saída de aproximadamente 1.000 mph (1600 km/h),
  • onde a carga atingiu alturas de aproximadamente 30.000 pés, ou quase 10 quilômetros.

Isso é notável e impressionante, mas não necessariamente impressionante o suficiente. Para entrar com sucesso na órbita baixa da Terra, uma espaçonave precisa atingir altitudes de cerca de 300 quilômetros (186 milhas) com velocidades orbitais de 25.000 km/h (16.000 mph), o que implica velocidades e alturas muito maiores do que o SpinLaunch conseguiu alcançar. Para chegar lá, o plano é fazer com que o sistema SpinLaunch atinja velocidades de saída de 5.000 mph (8.100 km/h) e, em seguida, ativar um foguete de estágio avançado para levar a carga útil pelo resto do caminho até a órbita. atinge uma altura de aproximadamente 60 quilômetros.

O SpinLaunch será um conceito viável quando for dimensionado para o design desejado? Tudo depende se os seguintes problemas físicos podem ser superados.



Com um braço longo conectado ao veículo de lançamento com uma carga interna e um braço curto equilibrado com um contrapeso, a ideia do SpinLaunch é acelerar isso gradualmente, ao longo de aproximadamente 30 minutos, até a extremidade do braço longo. atinge a velocidade de saída desejada, ponto em que o veículo será lançado para cima para iniciar a jornada da carga para o espaço. Isso não é isento de riscos.
( Crédito : SpinLaunch)

Problema nº 1: a carga pode sobreviver ao spin-up?



Este não é um problema trivial. Sempre que você acelera um objeto para se mover em um círculo, ele experimenta não apenas a força “spin-up” que faz com que sua velocidade angular aumente, mas também uma força centrípeta – uma força em direção ao centro do círculo – que impede que o objeto se mova. colidir com a lateral do acelerador ou sair voando em linha reta prematuramente. Essa força centrípeta depende de três fatores:

  • a massa da carga útil,
  • a velocidade do objeto,
  • e o tamanho (raio) do círculo.

Em seu tamanho real e com uma velocidade de saída desejada de 5.000 mph (8.100 km/h), isso se traduz em uma aceleração centrípeta de pico, pouco antes do lançamento da carga útil, de algo entre 50.000 e 100.000 g s, onde um g é a aceleração da gravidade na superfície da Terra. A carga útil deve atingir esse pico de aceleração por longos períodos de tempo - algo como ~ 30 minutos - e sobreviver com todos os sistemas intactos, incluindo o sistema de foguete a bordo, para atingir a órbita. Isso representa um pico de aceleração que é oito vezes o que o protótipo atual experimenta.

Tais condições nunca foram atendidas até o momento; este é um tremendo obstáculo a ser superado.

A menos que alguns novos marcos de engenharia sejam alcançados, o projeto proposto de combustível líquido da maioria dos foguetes modernos será absolutamente inutilizável a bordo de um veículo SpinLaunch para o 1º ou 2º estágio, pois as forças que ele experimentará durante o spin-up e o lançamento tornarão tal sistema inoperável.
( Crédito : SpinLaunch)

Problema nº 2: O combustível de foguete tradicional à base de líquido não pode ser usado .

É sempre preferível desenvolver tecnologias já existentes do que ter que inventar algo totalmente novo e, no entanto, o último é o que está reservado para uma carga útil do SpinLaunch. A razão é simples: se você tem um combustível líquido a bordo, precisa de um sistema de encanamento para contê-lo e controlá-lo; este é exatamente o tipo de sistema que não sobreviverá às acelerações de spin-up exigidas pelo SpinLaunch.

Isso significa que será necessário usar combustível de foguete sólido: algo com a dureza e durabilidade de algo como fórmica . Em princípio, isso pode ser feito, mas representa um obstáculo substancial para alcançar o espaço.

Enquanto foguetes de combustível sólido oferecem uma série de vantagens sobre os propelentes líquidos, essas vantagens incluem estabilidade, durabilidade e confiabilidade. Infelizmente, no entanto, eles reduziram a eficiência e são menos controláveis ​​do que as alternativas de propelente líquido, razão pela qual os foguetes de combustível sólido são usados ​​principalmente em armamentos militares, mas os foguetes de combustível líquido são normalmente usados ​​para voos espaciais. Mesmo que essa dificuldade possa ser superada, as limitações das aplicações de combustível sólido limitarão inerentemente a massa das cargas úteis que podem ser entregues com o SpinLaunch.

Problema nº 3: Perfurar a folha de mylar preservando o vácuo do SpinLaunch pode destruir a carga útil .

Você se lembra do infeliz e trágico desastre do Ônibus Espacial Columbia? Quando o Columbia tentou reentrar na atmosfera, a espaçonave se partiu catastroficamente, matando todos os astronautas a bordo. A razão pela qual o ônibus espacial se desintegrou na atmosfera, no entanto, foi simplesmente uma pequena e leve peça de isolamento de espuma que atingiu uma parte da nave em velocidades muito altas. Esse é um conceito-chave da física: a quantidade de energia cinética que algo possui – e, portanto, a quantidade de dano que pode causar em uma colisão – é proporcional à sua massa, mas proporcional à sua velocidade. quadrado .

Com uma velocidade de saída de 5.000 milhas por hora em oposição às 1.000 milhas por hora do protótipo atual, isso significa:

  • o veículo de lançamento atingirá a folha de mylar com 25 vezes a energia cinética dos testes atuais,
  • a folha de mylar transmitirá 25 vezes a quantidade de energia dos testes atuais para a carga útil,
  • e a transição da carga que viaja no vácuo para a atmosfera da Terra significa “bater em uma parede” da atmosfera que a carga atingirá com 25 vezes a quantidade de força que o protótipo atual experimenta.
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O veículo de lançamento/carga útil pode sobreviver a esse conjunto de condições e permanecer totalmente operacional e sem danos? É possível, mas nunca foi feito antes. Novamente, este é um obstáculo sem precedentes que deve ser superado.

O SpinLaunch promete reduzir radicalmente os custos de lançamento e o uso de combustível para cargas orbitais e suborbitais que podem suportar as forças G de um lançamento cinético, mas também cria condições únicas em comparação com outros métodos de lançamento que podem apresentar dificuldades que não são tão fáceis de superar.
( Crédito : SpinLaunch)

Problema nº 4: A força de arrasto atmosférica experimentada pela carga útil será tremenda .

Se você colocar sua mão para fora da janela de um carro quando estiver viajando a 100 km/h (62 mph), quanta força de arrasto ela experimentará em relação a viajar a metade dessa velocidade: 50 km/h (31 mph)? A resposta não é o dobro da força, como se poderia esperar, mas quatro vezes mais força. A força de arrasto que você experimenta é proporcional à área da seção transversal do objeto (sua mão, neste caso), mas também à velocidade em que você está se movendo ao quadrado.

Normalmente, os foguetes começam a se mover lentamente perto da superfície da Terra – onde a atmosfera é mais espessa – e ganham velocidade à medida que continuam acelerando pela atmosfera. As maiores velocidades são alcançadas nas maiores altitudes: onde o ar é mais rarefeito.

Não é assim com SpinLaunch; na verdade, o inverso é verdadeiro. A carga estará se movendo mais rápido onde a atmosfera é mais espessa, o que maximiza a velocidade e as perdas de energia devido ao arrasto. Isso também aquecerá substancialmente a carga útil e de maneiras que nenhuma carga útil que já chegou ao espaço antes experimentou. O maior problema com o Projeto HARP, na época em que estava sendo executado, é que não havia carga útil que pudesse ser lançada que fosse capaz, em sua grande altitude, de levá-lo pelo resto do caminho para o espaço. O SpinLaunch pode superar esse problema? Resta demonstrar.

A startup Green Launch baseia-se diretamente no Projeto HARP e Super HARP: com um lançador balístico de escala capaz de atingir velocidades muito superiores ao protótipo atual do SpinLaunch. Se os planos do Green Launch ou do SpinLaunch para alcançar a órbita serão realizados ou não, resta saber.
( Crédito : Lançamento Verde)

Problema nº 5: lançadores balísticos baseados em armas podem atingir velocidades de saída muito maiores do que o SpinLaunch .

Embora seja uma ideia brilhante tentar cortar o primeiro estágio de um foguete, que afinal é de onde vêm os maiores gastos com combustível, os objetivos do SpinLaunch são impressionantes. Com uma velocidade de lançamento de 5.000 mph (8.100 km/h), certamente alcançará grandes altitudes por conta própria.

Mas por que ser pioneiro em uma tecnologia que requer uma grande quantidade de despesas, infraestrutura e peças móveis - além de exigir que sua carga útil suporte dezenas de milhares de g s por dezenas de minutos - quando você pode simplesmente ampliar o que já aprendemos com o Projeto HARP?

Na década de 1990, o Dr. John Hunter liderou o que ficou conhecido como Super HARP, que era um sistema de lançamento balístico movido a metano e hidrogênio que alcançava velocidades de saída de 6.700 mph (10.800 km/h). startup rival lançamento verde afirma que os sistemas de hidrogênio baseados em laboratório atingiram velocidades de saída de 25.000 mph (39.600 km/h) e que uma velocidade de projétil em escala real de 9.000 mph (14.400 km/h) é acessível. Na verdade, um teste de dezembro de 2021 alcançou velocidades de saída de 4.400 mph (7.200 km/h): quase igualando as metas de grande escala desejadas pelo SpinLaunch. Enquanto o SpinLaunch exigirá pelo menos dois estágios extras para chegar ao espaço, o Green Launch visa alcançar a linha Kármán que define o início do espaço, 100 quilômetros (62 milhas) acima, apenas a partir do lançamento do projétil.

Não há dúvida de que há muita verdade no velho ditado de que “a sorte favorece os ousados”, e o SpinLaunch é certamente uma ideia ousada. No entanto, as leis da física representam numerosos obstáculos para aqueles que construiriam aparelhos de alta potência, de movimento rápido e de grande escala com partes móveis. Na década de 1990, o Departamento de Energia tentou construir enormes centrífugas para acelerar objetos grandes, mas elas sempre começavam a quebrar a velocidades de aproximadamente 3.100 mph (5.000 km/h): cerca de 60% das velocidades que o SpinLaunch pretende alcançar. Os desafios diante da equipe que almeja alcançar os objetivos declarados são enormes.

Isso não quer dizer que o SpinLaunch seja impossível ou que seus conceitos violem as leis da física; eles não. No entanto, há uma distinção muito grande entre o que é fisicamente possível e o que é fisicamente prático. Não está claro que, com três vezes o diâmetro do protótipo atual, os parâmetros de lançamento desejados possam ser atendidos. Mesmo que sejam, resta saber se os estágios posteriores necessários para levar as cargas lançadas à órbita podem operar depois de experimentar as condições extremas de spin-up e lançamento e arrasto do SpinLaunch. É importante explorar uma variedade de opções na busca para alcançar o espaço, mas aumentar a escala de um protótipo raramente é tão fácil quanto se pode pensar inicialmente.

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