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INGENIERÍA ESPACIAL

Gravedad cero

Etanol y oxígeno líquido componen el combustible del cohete suborbital desarrollado en Brasil

Ek cohete suborbitale del tipo VSB-30

Léo RamosEk cohete suborbitale del tipo VSB-30Léo Ramos

Hay gran expectativa en las instalaciones del Instituto de Aeronáutica y Espacio (IAE), la división de investigación del Departamento de Ciencia y Tecnología Aeroespacial (DCTA), emplazado en São José dos Campos, en el interior de São Paulo. El organismo, vinculado al Ministerio de Defensa, contempla el lanzamiento, durante el segundo semestre de este año, de cuatro cohetes suborbitales, que sobrepasan los 100 kilómetros de altura en un vuelo en forma de parábola y logran un ambiente de microgravedad. El primero en viajar al espacio, el vehículo sonda VS-30, llevará como carga útil la denominada Etapa Propulsora de Cohete de Propergol Líquido (EPL), un conjunto integrado por el primer motor cohete producido en el país que utiliza combustible líquido y su respectivo sistema de alimentación. Esos dos dispositivos, con elevado contenido tecnológico, son esenciales para que el país avance en el dominio de la tan ansiada tecnología de vehículos de lanzamiento de satélites. El combustible líquido que será probado en el cohete brasileño presenta un aspecto innovador: está compuesto por una mezcla de etanol elaborado a partir de la caña de azúcar y oxígeno líquido, algo que coloca a Brasil entre las naciones que contribuyen para una innovación tecnológica sostenible en el sector aeroespacial.

La campaña de lanzamiento del VS-30/ EPL, bautizada Operación Raposa, tiene previsto su comienzo para el 12 de agosto, en el Centro de Lanzamiento de Alcântara (CLA), ubicado a 30 kilómetros de São Luis, la capital del estado nordestino de Maranhão. Si todo sale como está programado, el cohete será lanzado al espacio luego de tres semanas, al comienzo del mes de septiembre. Más allá de eso, el IAE contempla el lanzamiento, también durante este año, del vehículo suborbital VS-40M. Este cohete, que se proyectó al comienzo de los años 1990, pondrá en órbita el Satélite de Reingreso Atmosférico (Sara), que realizará una serie de experimentos en microgravedad. En esa condición es posible la realización de diversos tipos de experimentos científicos destinados, por ejemplo, a lograr un mejor conocimiento de la estructura de las proteínas para la creación de nuevos medicamentos. Con la ausencia de gravedad, los cristales de proteínas son mayores, pues su crecimiento en la Tierra es limitado. Al conocer mejor la estructura de las proteínas que componen un parásito es posible desarrollar fármacos más eficaces contra varias enfermedades. En la microelectrónica, la microgravedad facilita la obtención en forma más sencilla de silicio ultrapuro para estudios de semiconductores.

Sonda cohete IV, en São José dos Campos

Léo RamosSonda cohete IV, en São José dos CamposLéo Ramos

El último lanzamiento, previsto para el segundo semestre, para el cual se están preparando los cohetes, pertenece al tipo VSB-30, un exitoso vehículo suborbital construido en forma conjunta con el Centro Aeroespacial Alemán (Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, o DLR, según su sigla en alemán). El VSB-30 consta de dos propulsores e hizo su vuelo inaugural hace 10 años, en octubre de 2004. Desde entonces, ya fueron lanzados con éxito 14 cohetes.

Un selecto grupo
“Brasil  cuenta con un programa consistente de desarrollo de cohetes suborbitales. Esos vehículos espaciales de bajo costo son ideales para la realización de investigaciones científicas atmosféricas y de la ionósfera, así como para el estudio de nuevos materiales y procesos en ambientes de microgravedad”, afirma el investigador y jefe del subdirectorio del espacio del IAE, el coronel Avandelino Santana Júnior. “Estos cohetes también colaboran en la capacitación de recursos humanos para el área espacial y se han revelado como el objeto ideal para el mantenimiento de programas de cooperación con instituciones extranjeras de investigación científica en ese sector”. Desde el inicio de sus actividades, al final de los años 1960, cuando su nombre todavía era Instituto de Actividades Espaciales, el IAE ha desarrollado siete modelos diferentes de cohetes suborbitales: Sonda II, Sonda III, Sonda IV, VS-40, VS-30, VS-30/ Orión y VSB-30. Este aspecto coloca al país dentro del selecto grupo de naciones que dominan la tecnología de fabricación de esos vehículos, junto con Estados Unidos, Francia, China e Inglaterra. El uso de un combustible líquido a base de etanol (o alcohol etílico) para impulsar sus motores es, según Santana Júnior, otro avance en el área. “Hasta donde sabemos, la utilización de etanol como combustible líquido para vehículos de ese género es algo inédito”.

El desarrollo del Motor L5, impulsado mediante etanol y oxígeno líquido (LOX), es el resultado de un programa de investigación en propulsión líquida iniciado por el IAE hace alrededor de 15 años. Su objetivo final es impulsar cohetes orbitales, que se emplean para colocar satélites en el espacio, con un combustible líquido más seguro que el propulsor a base de hidracina, un líquido corrosivo y tóxico, que necesita importarse. El etanol y el oxígeno líquido, a su vez, resultan menos nocivos para el ambiente, más fáciles de manipular y emiten bajo nivel de hollín. El L5 fue concebido y proyectado por el IAE con recursos de la Agencia Espacial Brasileña (AEB), en tanto que el sistema de alimentación del motor cohete (Samf) fue desarrollado por Orbital Engenharia, una empresa con sede en São José dos Campos, y hecho realidad por medio de recursos públicos por aproximadamente 2 millones de reales aportados por la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep). En diciembre de 2013 se dio un paso importante rumbo al lanzamiento de la Etapa Propulsora de Cohetes con Propergol Líquido (EPL). Los ingenieros del IAE y de Orbital llevaron a cabo con éxito un ensayo en tierra con el modelo de vuelo de esa etapa. En esa ocasión, se verificó que todos los componentes del sistema funcionaron según lo esperado. La prueba consistió en la puesta en la quema, en un banco de prueba, del motor L5 integrado al sistema de alimentación, el dispositivo responsable de almacenar e inyectar la mezcla de etanol y oxígeno líquido en el motor.

Infografía: Ana Paula Campos / Ilustración: Pedro HamdanLuego del éxito del ensayo en tierra, el conjunto de propulsión líquida será probado en una operación real de vuelo, que es el objetivo de la Operación Raposa. En el lanzamiento programado para el comienzo de septiembre, el VS-30/ EPL despegará impulsado por una etapa propulsora dotada de combustible sólido. Veinticuatro segundos después del lanzamiento, este motor se desprenderá de la carga útil, en este caso, el EPL, que se incinerará. El motor L5 convertirá la energía química contenida en el combustible almacenado en los tanques ‒etanol y oxígeno líquido‒ en una fuerza propulsora que generará un empuje de cinco kilonewton (kN), energía suficiente para impulsar un bloque de cinco toneladas.

La carga útil impulsada por el propulsor o propergol líquido describirá una trayectoria parabólica, propia de los cohetes suborbitales, hasta caer en el mar. La misión será considerada exitosa si tanto el sistema de alimentación del motor cohete como el motor L5 funcionan perfectamente en vuelo. “Tenemos confianza en que el lanzamiento será un éxito”, dice el ingeniero del IAE Eduardo Dore Roda, gerente de las líneas de cohetes VS-30 y VSB-30. “El propulsor líquido permite una quema controlada, algo que resulta ideal para los cohetes lanzadores de satélites. La última etapa de esos vehículos utiliza normalmente propulsión líquida, algo que posibilita el control de la inserción del cohete en su órbita”, dice. Según Roda, el dominio de esa tecnología en un motor cohete de pequeño porte, como es el caso del VS-30, constituye una fase significativa en dirección al desarrollo de motores mayores. Los cohetes orbitales completan por lo menos una vuelta completa alrededor de la Tierra a una altitud superior a los 100 kilómetros.

El éxito de la línea de cohetes suborbitales del IAE ha trascendido las fronteras de Brasil. De las 14 misiones efectuadas con el modelo VSB-30, 11 partieron del Centro de Lanzamiento de Esrange, emplazado a 200 kilómetros del Círculo Polar Ártico, cercano a la ciudad de Kiruna, en Suecia. Y las otras tres misiones partieron desde Alcântara, en el estado de Maranhão. El proyecto de esos vehículos nació a comienzos de los años 2000. “Fueron fabricados en forma conjunta con el Centro Aeroespacial Alemán para atender la demanda del Programa de Microgravedad de la Agencia Espacial Europea (ESA). Hasta entonces, el DLR utilizaba cohetes británicos Skylark para enviar sus experimentos al espacio, pero la producción de ese vehículo se cancelaría y los alemanes necesitaban un vehículo que lo sustituyera”, revela el ingeniero Eduardo Roda. El VSB-30 fue concebido para transportar una carga útil de 400 kilogramos a 260 kilómetros de altitud, con tiempo de microgravedad superior a seis minutos. El vuelo de los cohetes suborbitales es de corta duración y durante algunos minutos se encuentra en condición de microgravedad. Durante ese breve período, pueden ejecutarse una serie de experimentos científicos.

Hasta ahora, las agencias espaciales de Brasil, Suecia, Noruega y Alemania, además de la propia ESA, han realizado lanzamientos con el VSB-30. En octubre y noviembre de este año se lanzarán otros dos vehículos, desde el Centro de lanzamiento de Andoya, en Noruega, y un tercero partirá desde Brasil en 2015, en el marco del Programa de Microgravedad de la Agencia Espacial Brasileña. “El cohete de exploración atmosférica es una alternativa barata para la realización de experimentos científicos en ambiente de microgravedad. Y el VSB-30, un vehículo suborbital con dos etapas de propulsión sólidas, es un cohete muy exitoso”, afirma.

La cooperación entre el IAE y el DLR alemán se remonta a 1969, cuando el Centro de Lanzamiento de Barreira do Infierno (CLBI), en Rio Grande do Norte, fue utilizado para el lanzamiento de experimentos científicos del Instituto Max Planck para Física Extraterrestre, de Alemania. Esta cooperación se fortaleció en los años siguientes y derivó en la construcción del VSB-30, producido integralmente en el IAE y con un 70% de sus componentes provistos por colaboradores comerciales brasileños. “El convenio entre el IAE y el DLR para el desarrollo común de un cohete de exploración de dos etapas con base en el motor S30 que ya existente en Brasil surgió en 2000. Cuatro años más tarde, el 23 de octubre de 2004, el VSB-30 concluyó exitosamente su vuelo de calificación”, recuerda el coronel Avandelino Santana Júnior.

Hace dos años, el DLR utilizó para sus misiones otro cohete suborbital nacional, el VS-40M, más potente que el VSB-30. El VS-40M estaba dotado con dos etapas propulsoras y era capaz de transportar una carga útil de 500 kilogramos a 640 kilómetros de altitud y trasladó al espacio al experimento hipersónico alemán de reingreso atmosférico Shefex II (Sharp Edge Flight Experiment). Esos experimentos evalúan, entre otros objetivos, el comportamiento de los materiales que se utilizan para la construcción de vehículos espaciales tripulados cuando se ven sometidos a las severas condiciones del reingreso en la atmósfera terrestre.

Sistema inercial
El reingreso también es uno de los objetivos del Sara, fabricado en el IAE y que será lanzado desde el Centro de Barreira do Infierno en noviembre de este año, a bordo del VS-40M, en el marco de la Operación São Lourenço. El satélite es una plataforma espacial para experimentos en ambiente de microgravedad, destinado a operar a 300 kilómetros de altura, durante un máximo de 10 días. Una vez transcurrido ese lapso, el Sara hará su reingreso en la atmósfera y caerá en el océano Atlántico, de donde será recuperado para el análisis de los experimentos enviados al espacio. “Entre los diversos experimentos que irán a bordo del Sara, vale destacar el test de un sistema inercial, que, en el futuro, equipará al VLS-1”, afirma el ingeniero Nelson Snellaert Tavares, gerente del proyecto del VS-40M. Esos sistemas de orientación son los encargados de conducir al vehículo.

El VS-40, equipado con dos propulsores de propergol sólido, realizó su vuelo inaugural en 1993. Fue concebido con el propósito de probar en vuelo el funcionamiento en el vacío del motor S44, similar a la cuarta y última etapa del VLS-1. El otro propulsor del VS-40, denominado S40, equivale a la tercera etapa del VLS-1. Cinco años después, se lanzó, desde Alcântara, una segunda unidad del cohete. Amparándose en el buen desempeño de esos dos vuelos, el IAE determinó que el vehículo podría utilizarse para experimentos en ambiente de microgravedad y ser uno más entre los cohetes de exploración desarrollados por el organismo. “En 2008, el DLR mostró su interés por el cohete. A pesar de que en aquella época, el VS-40 ya era un vehículo muy confiable, le realizamos modificaciones y perfeccionamos su seguridad operativa, de montaje y de ensamblado. Desde entonces pasamos a denominarlo VS-40M, una versión modificada del original”, dice Tavares.

La misión inaugural del VS-40M fue el 22 de junio de 2012, cuando fue lanzado desde el Centro de Lanzamiento de Andoya, en Noruega, llevando a bordo el experimento Shefex II, valuado en 7 millones de euros. “La misión alcanzó plenamente sus objetivos”, dice el gerente del proyecto VS-40M. Según el ingeniero Nelson Tavares, los alemanes han demostrado su interés por adquirir un nuevo cohete y el IAE también fue sondeado por una empresa internacional del sector aeroespacial interesada en una unidad del vehículo. “Ya estamos analizando mejoras y optimizaciones futuras con el objetivo de tornar al VS-40M aún más competitivo desde el punto de vista comercial, para organismos y empresas que necesiten los impulsores para vuelos suborbitales y en ambiente de microgravedad”, dice Tavares.

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