Regresso da Artemis II: como a cápsula Orion reentra na atmosfera da Terra

Depois de concluírem com sucesso a sua missão à Lua, os quatro astronautas da Artemis II preparam-se agora para regressar à Terra.

Durante o voo, a tripulação estabeleceu um novo recorde de distância máxima alcançada por seres humanos em relação ao nosso planeta, chegando aos 406 771 quilómetros.

A etapa final será um regresso particularmente exigente: 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).

Esta reentrada é o derradeiro obstáculo de uma missão épica de dez dias. É uma fase repleta de riscos - mas a nave foi concebida com um conjunto de tecnologias destinadas a proteger a tripulação.

Uma reentrada rápida

Quando a cápsula Orion, que transporta os astronautas da Artemis II, tocar a atmosfera da Terra, seguirá a mais de 11 km/s (40 000 km/h). Isto é cerca de 40 vezes a velocidade típica de um avião comercial.

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

Se, em vez da velocidade, olharmos para a energia cinética - a energia associada ao movimento -, a cápsula Orion terá, na reentrada, quase 2 000 vezes mais energia cinética por quilograma de veículo do que um avião comercial.

Como qualquer veículo espacial que regressa a casa, terá de reduzir drasticamente essa energia, praticamente até zero, para permitir a abertura dos paraquedas e uma aterragem segura.

Para dissipar energia, as naves realizam uma reentrada controlada nas camadas superiores da atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico como “travão” para desacelerar.

Ao contrário de um avião, normalmente desenhado para ser aerodinâmico e minimizar o arrasto (reduzindo o consumo de combustível), uma nave em reentrada é pensada para fazer o oposto: ser o menos aerodinâmica possível, maximizando o arrasto e ajudando a abrandar.

Esta desaceleração pode ser brutal.

A aceleração e a desaceleração são muitas vezes expressas em forças g - ou, abreviadamente, em "g". Trata-se do valor da aceleração/desaceleração dividido pela aceleração padrão associada à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 pode sentir mais de 5 g em curva, perto do limite máximo que um ser humano consegue suportar sem perder a consciência.

Cápsulas pequenas e não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da NASA que trouxe amostras do asteroide Bennu, entram praticamente “a direito” na atmosfera e desaceleram muito rapidamente. Estas entradas duram muito pouco, menos de um minuto. Nesse cenário, porém, as forças g podem ultrapassar 100 - aceitável para veículos robóticos, mas não para pessoas.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para prolongar a entrada e reduzir a intensidade da desaceleração. Assim, as forças g descem para níveis mais toleráveis para humanos e a reentrada passa a durar vários minutos.

Uma reentrada muito quente

A cápsula Orion atravessará a atmosfera a mais de 30 vezes a velocidade do som.

Uma onda de choque irá envolver a nave, elevando a temperatura do ar para 10 000 °C ou mais - aproximadamente o dobro da temperatura da superfície do Sol.

Este calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque num plasma eletricamente carregado. Durante algum tempo, esse plasma bloqueia os sinais de rádio, o que impedirá os astronautas de comunicar nas fases mais severas da descida.

Como se garante uma reentrada segura

As naves sobrevivem ao ambiente implacável da reentrada através de uma definição cuidadosa da trajetória, procurando reduzir o aquecimento tanto quanto possível.

Além disso, o veículo leva um sistema de proteção térmica. Na prática, funciona como uma “manta” isolante que resguarda a nave e a sua tripulação (ou carga) do escoamento hipersónico violento no exterior.

Esse sistema é ajustado ao milímetro para cada veículo e para cada missão. Materiais com maior resistência térmica são aplicados nas zonas onde se prevê um ambiente mais agressivo, e as espessuras também são calibradas com grande precisão.

Durante a entrada, estes materiais foram concebidos para incandescer e degradar-se - mas sem falhar. O brilho avermelhado ajuda ainda a irradiar calor de volta para a atmosfera, em vez de o deixar ser absorvido pela estrutura da nave.

É graças a esta engenharia rigorosa que a Artemis consegue atravessar ar a 10 000 °C, mantendo a temperatura máxima à superfície do escudo térmico em apenas cerca de 3 000 °C.

A maioria das naves é protegida por materiais conhecidos como ablativos, normalmente compostos por fibra de carbono e um tipo de cola chamado resina fenólica.

Os escudos ablativos absorvem energia e libertam um gás relativamente frio junto ao escoamento à superfície do veículo, contribuindo para baixar a temperatura do conjunto.

Na cápsula Orion, o material ablativo chama-se AVCOAT. Trata-se de 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 bastante superior ao previsto. Em alguns pontos, destacaram-se grandes pedaços de material.

Depois de inspeções e análises prolongadas, 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 terá resultado de uma acumulação de pressão no interior do material durante a fase de "salto" da reentrada, em que a nave saiu temporariamente da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada que culminou na amaragem.

Para a Artemis II, optou-se por ajustar ligeiramente a trajetória: continuará a usar sustentação, mas com um "salto" menos definido.

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas já conseguiram alcançar nesta missão. Ainda assim, como muita gente, vou sentir-me aliviado quando os vir regressar em segurança e serem recebidos de volta na Terra.

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

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

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