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Missões Espaciais... 4 I.1 Introdução... 4 I.2 Telecomunicações espaciais... 5 I.3 Observação da Terra... 6 I.4 Ciência espacial e do ambiente terrestre... 7 I.5 Propostas... 8 II. Acesso ao Espaço... 8 II.1 Introdução... 9 II.2 Histórico e diagnóstico da situação atual... 10 II.3 Sustentabilidade técnica e econômicas... 12 II.4 Roteiro para o acesso ao espaço... 13 II.5 Conclusão... 17 II.6 Referências bibliográficas... 19 III. Recursos... 20 III.1 Recursos Físicos... 20 III.1.1 A relação entre os meios físicos e o ciclo de vida de uma missão espacial... 20 III.1.2 Demandas atuais e futuras... 21 III.1.3 Lançadores de satélites (em elaboração)... 23 III.1.4 Lançadores suborbitais (em elaboração)... 24 III.1.5 A política para os investimentos em meios físicos... 24 III.1.6 Laboratórios e instalações de testes dedicados... 27 III.2 Recursos Humanos... 28 III.2.1 Introdução... 28 III.2.2 Quadro de Pessoal Atual... 31 III.2.3 A Evolução dos Recursos Humanos... 33 III.2.4 Propostas... 35 III.2.5 REFERÊNCIAS (as referências serão colocadas na forma de notas de rodapé)... 38 III.3 Recursos Orçamentários... 40 III.3.1 Realidade brasileira... 40 III.3.2 Comparativo com outros países... 41 III.3.3 Fontes alternativas de recursos... 43 III.3.3.1 Fundos Setoriais e Subvenções... 43 III.3.3.2 Financiamentos Externos... 44 III.3.3.3 Parcerias Público-Privadas... 44 2
III.3.3.4 Offsets... 45 III.3.3.5 Outros Recursos... 46 III.3.4 Referências bibliográficas... 46 IV. Política Industrial... 48 IV.1 Introdução... 48 IV.2 Características do Setor Espacial... 49 IV.3 Breve Diagnóstico... 50 IV.4 Visão... 52 IV.5 Sugestões de Política Industrial para o Setor Espacial... 52 IV.6 Alianças para Fortalecimento do Setor Espacial... 54 IV.7 Referências bibliográficas... 56 V. Organização Institucional... 57 V.1 Histórico... 57 V.2 Marco Legal. (Ref. 2)... 58 V.3 Situação Atual... 58 V.4 Propostas e justificativas... 60 V.4.1 Para o SINDAE... 60 V.4.2 Interfaces... 61 V.4.3 Marco Regulatório... 61 V.5 Localização na estrutura do Governo Federal... 61 V.6 Referências (serão colocadas na forma de notas de rodapé)... 62 3
Missões Espaciais I.1 Introdução 1. A sociedade brasileira há algumas décadas beneficia-se da tecnologia espacial através das diversas naturezas de aplicações espaciais: telecomunicações; observação da terra; navegação por satélites; ciência espacial, bem como beneficiase dos inúmeros spin-offs tecnológicos decorrentes do esforço espacial internacional. Este benefício advém quase totalmente de tecnologias externas com o uso de satélites dedicados ao Brasil, no caso de alguns serviços de telecomunicações, ou compartilhados com sistemas internacionais no caso de imagens de satélites, dados meteorológicos, informações GPS e dados científicos. 2. Independentemente da procedência do satélite ou da tecnologia o Brasil precisa aprofundar a utilização de satélites, não somente no âmbito privado regido pelo mercado, mas também no meio público. Qualquer aplicação de satélites envolve esforços e tecnologias que vão muito além do satélite. 3. Por exemplo, as telecomunicações por satélites possuem enorme potencial de benefícios a sociedade, tais como: inclusão digital; gestão pública remota; segurança; sistemas aumentados de navegação; e distribuição de dados, de forma que o Estado deve atuar. No entanto, o negócio telecomunicações por satélites vai muito além de satélites de telecomunicações e as aplicações nacionais não devem ser condicionadas a capacidade local de produção. Uma estratégia precisa ser estabelecida para desenvolver o negócio de forma abrangente e, então, criar a demanda de satélites de forma consistente. Cabe a industria nacional progressivamente atender essas demandas com o domínio de tecnologias de lançamentos e de satélites. 4. Uma política industrial deve responder como conseguir esse domínio das tecnologias e como a participação nacional deve ocorrer. É preciso retomar o sonho do domínio da capacidade de acesso ao espaço. Retomar o conceito de missões tecnológicas e experimentais, bem como criar uma estratégia de missões operacionais que possam constituir desafios a nossa indústria. 5. O programa espacial precisa distinguir missões experimentais e operacionais. Uma missão de natureza operacional precisa responder apropriadamente a essa condição, em particular, deve possuir altos índices de disponibilidade. A expectativa de falha de um satélite deve estar condicionada a capacidade de reposição, de forma que o serviço não sofra descontinuidade. E isto leva a dificuldades tecnológicas, em alguns casos, muito difíceis de serem atendidas por uma indústria emergente. Em particular, nos satélites de telecomunicações que requisitam disponibilidade próxima a 100% e longos tempo de vida dos satélites. 6. Em algumas missões, por exemplo, de observação da terra, uma boa engenharia de sistema pode simplificar esses requisitos. Uma possível forma de conseguir a disponibilidade operacional é através do uso de constelações de satélites. Claro que as missões devem ser pensadas para isso e sua viabilização depende do uso de tecnologias de baixo custo. 7. As missões brasileiras precisam assumir a identidade apropriada: experimental ou 4
operacional. O conflito leva a missões com custos muito altos, baixos resultados tecnológicos e com validade operacional discutível. Um programa de satélites pode implicar em custos elevados, por exemplo, os investimentos no desenvolvimento dos cinco satélites do programa CBERS representam valores da ordem de R$ 1 bilhão de reais somente na parte brasileira. 8. É preciso discutir a natureza desses programas e se operacional incrementar a disponibilidade ao usuário ou se experimental buscar com mais objetividade os ganhos tecnológicos. 9. Algumas missões, científicas ou mesmo de defesa, podem ser atendidas dentro de um tempo de vida menor e assumir maiores riscos, e, complementar assim as missões experimentais na construção de uma estratégia de domínio tecnológico. O desafio é vencer a capacidade de inovação freqüentemente relacionada as cargasúteis desses satélites e a questão de custos. 10. O estabelecimento de uma estratégia adequada parece fundamental para o sucesso do programa espacial brasileiro. A seguir são discutidas potencias missões experimentais ou relacionadas a demandas operacionais do país, relacionadas pela natureza de suas aplicações nos próximos 20 anos. A principal proposta é a constituição de um programa de satélites geoestacionários estruturante das atividades espaciais no Brasil tendo como meta a capacitação aos sistemas de telecomunicações e meteorológicos. I.2 Telecomunicações espaciais 11. Está disseminada no meio espacial brasileiro a idéia de que telecomunicações é um assunto comercial. A verdade que os investimentos mundiais provenientes de governo para pesquisa e desenvolvimento telecomunicações espaciais avançadas são ainda muito significativos. Apenas é verdade que a maior parte desses investimentos refere-se ao setor voltado a defesa, ou seja, governo-defesa. Entretanto, nada impede que um país emergente no setor espacial adote uma estratégia diferente e faça isso dentro de programas civis. 12. Os benefícios potenciais das telecomunicações espaciais ao país, dadas suas dimensões continentais e seu extenso e importante mar territorial são evidentes. O desenvolvimento desse negócio de forma adequada, além do saber comprar, é importante para o país pela sua dimensão e pela sua natureza estratégica. O país está desestruturado nesse setor e precisa de uma estratégia para o domínio das tecnologias de telecomunicações por satélites dentro dos próximos 20 anos, inclusive no que se refere aos satélites e aos serviços de lançamentos geoestacionários. 13. Não é possível imaginar um programa espacial sem investimentos em telecomunicações, além das aplicações em si, essa tecnologia é fundamental em outras naturezas de satélites que envolvam altas taxas de transmissão de dados ou ainda tecnologias correlatas como o sensoriamento remoto com tecnologia radar. Uma missão experimental envolvendo um satélite de telecomunicações poderia criar as condições estruturantes para o desenvolvimento das tecnologias relacionadas ao negócio de forma mais abrangente. 14. Mesmo uma missão experimental representaria um enorme desafio à engenharia 5
nacional. Isto porque deveria incluir tecnologias ainda não dominadas no país e, embora experimental, para o desenvolvimento dos sistemas aplicativos necessitaria atender tempo de vida mínimo da ordem de 5 anos com uma confiabilidade de 90 %. Valores muito aquém dos projetos comerciais de telecomunicações com tempos de vida projetados acima de 10 anos, às vezes, 15 anos, no entanto, já bastante satisfatórias para missões de observação da terra inclusas as meteorológicos geoestacionários. 15. Uma missão experimental de comunicações deveria ter como orientação desenvolver tecnologias básicas e também buscar a inovação. Deveria incluir transponder de uso corrente em banda C e X, no entanto, deveria incluir capacidade para comunicações móveis, ou pelo menos, transportáveis em bandas L/S. Isto envolveria desafios como a abertura de grandes antenas no espaço com possíveis oportunidades de inovação em sistemas espaciais ou em tecnologias correlatas como a dos materiais. 16. Um dos potenciais interesses de um satélite experimental de telecomunicações seria apoiar sistemas aumentados de navegação por satélites. E, para isso a capacidade de comunicações móveis é importante, embora represente um enorme desafio tecnológico. Concomitantemente ao satélite a ciência e tecnologia nacional desenvolveriam esforços estruturantes em um sistema científico de monitoramento do clima espacial e navegação por satélites. I.3 Observação da Terra 17. Diversos tipos de missões podem ser classificadas nesta categoria desde os satélites de sensoriamento remoto para observação da superfície, os satélites de observação atmosférica, por exemplo, de medida de precipitação pluviométrica, até os satélites geoestacionários de observação meteorológica. Impossível a qualquer país atender com sistemas próprios todas suas necessidades. A cooperação internacional e a troca de dados livres entre os países são a tônica, principalmente, no que se refere aos satélites de monitoramento ambiental, de monitoramento do clima e de aplicações científicas de diversas naturezas. 18. O Brasil com o CBERS, suas tecnologias de aplicação e de distribuição de dados já pode ser considerado um player internacional nessa área. Considerados os investimentos dos satélites CBERS e Amazônia o Brasil já investe em termos percentuais, em relação ao PIB, mais do que a média do planeta. Isso se justifica devido as características brasileiras, no entanto, mostra que as oportunidades de crescimento espacial dependem da abertura de novos campos de aplicação. 19. Possivelmente o programa CBERS necessite ser repensado para assumir natureza efetivamente operacional, que venha prover dados que o país necessite para o monitoramento ambiental. É preciso considerar uma estratégia de utilização de constelações de satélites menores de baixo custo desenvolvidos pelo Brasil e pela China, com uma política cooperativa de troca de dados. 20. Ainda dentro do campo observação da terra, o setor meteorológico merece atenção especial e um plano de desenvolvimento. É tecnicamente demonstrado que a qualidade da previsão meteorológica depende da assimilação de dados de satélite em órbita baixa e geoestacionária. 6
21. O Brasil pode participar cooperativamente de sistemas espaciais internacionais de observação meteorológica em órbita baixa, por exemplo, tem buscado contribuir com o sistema GPM Global Precipitation Measurement. Tem convivido com a colaboração com os Estados Unidos no fornecimento de imagens meteorológicas geoestacionárias dos seus satélites da série GOES. No entanto, essa cooperação tem sido sujeita a restrições diversas, condicionadas as condições meteorológicas no hemisfério norte ou a disponibilidade de satélites backup. 22. O Brasil, talvez em cooperação com outros países da América latina, deveria nas próximas décadas implementar sistemas próprios de observação geoestacionária meteorológica e ambiental. Os custos para manter um sistema operacional desse nível seriam significativos, cooperação internacional e satélites com tempo de vida prolongado são condições necessárias para viabilizar um sistema desse tipo. 23. A excelente qualidade da meteorologia brasileira e os enormes benefícios que ela traz ao país poderiam justificar o esforço neste sentido. Novamente aqui o domínio tecnológico e o desenvolvimento de sistemas complementares aos satélites recomendam a necessidade de desenvolvimento de uma primeira missão em nível experimental. I.4 Ciência espacial e do ambiente terrestre 24. As missões científicas voltadas a ampliação da fronteira do conhecimento, assim como aquelas voltadas a observação da terra, representam uma oportunidade de cooperação internacional importante. O Brasil pode contribuir e beneficiar-se do esforço global nessa área. 25. O Brasil possui singularidades, por exemplo, interesses específicos relativos ao clima espacial, já que nas regiões equatoriais são mais intensos os efeitos das bolhas e cintilações ionosféricas e, por conseguinte, influírem mais intensamente nos sistemas de navegação quando comparados a outras regiões. Além disso, o país possui comunidade científica com relevância internacional. 26. O desafio é desenvolver missões com objetivos desafiadores e a custos razoáveis à realidade brasileira. Esses custos são ainda mais importantes devido aos custos de lançamentos, serviços nacionais de lançamento e oportunidades de vôos como carga secundária poderiam reduzir o problema. 27. Outros veículos podem ser considerados neste contexto: foguetes de sondagens, balões ou ainda caronas em missões internacionais. 28. De maneira geral, há necessidade de se estabelecer uma cadencia em missões de natureza científica para estimular a participação de pesquisadores e, dessa forma, construir uma cultura científica e tecnológica na área espacial. 29. Os países desenvolvidos em termos espaciais utilizam as missões tripuladas e de espaço profundo, para ampliar ainda mais suas capacidades e tornarem-se potências espaciais. 30. Em uma escalara realista o Brasil pode conciliar um programa espacial científico com o desenvolvimento da capacidade de acesso ao espaço, ou seja, a capacidade de desenvolver lançadores, satélites e de suas tecnologias associadas. 7
I.5 Propostas 31. Três propostas básicas deveriam nortear a revisão do programa espacial: 1) Programa estruturante geoestacionário 32. Implantar programa de satélites e de aplicações espaciais geoestacionárias. Lançar satélites geoestacionários a cada 2 anos, alternando a cada 4 anos satélites de telecomunicações e meteorológicos, projetados para 5 anos de tempo de vida de forma a ter um sistema experimental com operação continuada. Os satélites seriam convergentes tecnologicamente de forma a otimizar custos e tempo de desenvolvimento dos principais subsistemas e plataforma do satélite. Esse programa deve ser estruturante nos diversos segmentos envolvidos: base de lançamentos; laçadores; e satélites. 2) Observação operacional da terra 33. Desenvolver um sistema operacional de observação da terra utilizando conceitos de constelações de satélites de baixo custo orientado as demandas brasileiras de dados ambientais. O sistema deve ser especificado com especificações de qualidade e disponibilidade de serviços para atender as demandas nacionais e internacionais, dessa forma contribuir com o esforço mundial e compartilhar dados internacionais. 34. Rever o programa CBERS para dentro da realidade tecnológica e de recursos disponíveis dar-lhe uma natureza operacional com os padrões necessários de qualidade e disponibilidade de serviços. A principal sugestão é rever o programa para utilização de constelações de satélites menores do que os atuais, com cada país desenvolvendo satélites completos, dentro de uma estratégia de operação conjunta e compartilhamento de dados. 3) Programa mobilizador de satélites científicos 35. Para mobilização do meio científico, tecnológico e industrial constituir programa de satélites para efetivamente desenvolver ciências ou tecnologias. Desenvolver missões com a liderança científica brasileira ou em cooperação de natureza científica para capacitação e avanço do conhecimento nas áreas ambiental, sistema sol-terra e astrofísicas. 36. Este programa deveria possuir consistência e cadência para atrair interesse amplo junto a comunidade científica e industrial brasileira. Além dos satélites poderia incluir outros veículos como foguetes de sondagens e balões. 37. As missões poderiam incluir experimentos a exemplo daqueles dos satélites GPM já citados, no entanto, necessariamente a comunidade científica brasileira deverá ser envolvida em todas as etapas da missão. Neste contexto a atual participação brasileira no GPM deveria ser revista para uma maior participação brasileira no campo científico, no formato atual, ela não se aplicaria neste programa. II. Acesso ao Espaço 8
II.1 Introdução 38. Neste documento, são desenvolvidos temas que exprimem a essência do propósito deste trabalho, no momento atual. São eles a sustentabilidade necessária à execução de metas e o roteiro para o espaço. Os conceitos expostos pretendem provocar o salutar debate que conduzirá a um programa de desenvolvimento e operação de lançadores, na medida das missões estipuladas pelas necessidades estratégicas do país. 39. A característica mais importante na exploração dos recursos espaciais é a visada global. Ela permite a exploração de recursos de comunicações, observações da superfície terrestre e navegação, não replicáveis por outros meios e desimpedidos das divisões geográficas. Os meios de exploração destes recursos são os satélites e plataformas espaciais em diferentes órbitas em torno da Terra. É importante acentuar o caráter global das trajetórias dos satélites em torno da Terra. Combinados os efeitos de movimento do satélite e da Terra, cada um deles cobre fração substancial da superfície terrestre ou mesmo o globo inteiro. A cobertura temporal em cada ponto da superfície terrestre pode ter duração de alguns minutos para órbitas de baixa altitude a duração contínua para órbitas geoestacionárias. Com a cobertura espacial ocorre algo semelhante. Para órbitas baixas a cobertura espacial, em cada instante, é de algumas centenas de quilômetros quadrados; para grandes altitudes a cobertura espacial se aproxima da metade da superfície terrestre. 40. Isto tem implicação importante para a exploração deste recurso. Dada a cobertura global, a carga de utilização de cada satélite é proporcional à superfície terrestre de interesse. Do ponto de vista da economia de recursos a situação ideal para cada operador é o acesso a clientes distribuídos em todo o globo terrestre. Por outro lado, para cada cliente na superfície terrestre interessa também o acesso a todos os recursos existentes, com vista a ampliar tanto a cobertura temporal, quanto o alcance espacial. 41. Historicamente a exploração dos recursos espaciais citados acima foi perseguida inicialmente pelo caráter estratégico de acesso aos meios de comunicação, observação e navegação em escala global. Outras aplicações de caráter comercial e científico se seguiram e em algumas décadas os recursos envolvidos em transações comerciais envolvendo recursos espaciais superaram largamente os recursos despendidos em aplicações estratégicas. 42. A natureza dupla de aplicações de caráter estratégico e de caráter econômico/comercial de recursos espaciais nos leva também a distinguir dois setores de atividade; um setor primário que atua na produção dos veículos lançadores, bases de lançamento e os satélites, e um setor secundário que atua na exploração econômica e comercial dos serviços proporcionados pelos satélites. No setor secundário a motivação dos agentes é o rendimento econômico proporcionado. Neste setor a exploração é disseminada por empresas e países de diferentes escalas econômicas e graus de desenvolvimento e há poucas restrições quanto à disseminação de tecnologia e equipamentos. 43. Por outro lado, a exploração do setor primário é restrita a um número reduzido de países com grande extensão territorial, economias de grande escala e interesses políticos e econômicos abrangendo grande parte da superfície terrestre. A atuação 9
neste setor requer enorme dispêndio de recursos financeiros, capacidade gerencial e técnica, e persistência que se estende por décadas. A motivação principal para o engajamento destes países neste setor é de caráter estratégico. Além da exploração comercial do setor secundário, estes países utilizam os recursos espaciais também em seus sistemas de segurança e defesa, em geral preparados para atuação além do próprio território. Devido a este caráter estratégico, a disseminação de tecnologia neste setor é restrita e cada agente busca a maior autonomia possível. II.2 Histórico e diagnóstico da situação atual 44. O primeiro desafio a ser vencido para a atuação no setor primário é a geração de incrementos de velocidade superiores a 8 km/s para escapar do poço gravitacional terrestre. Devido às limitações de propriedades energéticas e mecânicas dos materiais disponíveis, a obtenção destes incrementos de velocidade requer aproveitamento energético e aperfeiçoamento técnico de projeto e tratamentos mecânicos, muito além das práticas convencionais de engenharia. Ainda assim a capacidade de injetar objetos em órbita é marginal, como será visto adiante, e os riscos de falha são algumas ordens de grandeza superiores a outras atividades e realizações de natureza técnica. A superação da barreira gravitacional esgotou em grande parte os aperfeiçoamentos técnicos possíveis do aproveitamento energético e mecânico dos materiais disponíveis. Duas gerações de veículos lançadores baseados no foguete químico fizeram com que esta máquina batesse no teto de desempenho, com reduzida margem para avanços tecnológicos. 45. Podemos distinguir duas gerações de veículos lançadores nos diversos programas espaciais existentes. A primeira geração de veículos lançadores teve forte herança dos mísseis intercontinentais desenvolvidos na corrida armamentista da Guerra Fria. Os veículos desta primeira geração utilizavam em grande parte propelentes estocáveis e sua capacidade de satelitização em órbita baixa era de aproximadamente 2% da massa total do veículo na decolagem. A segunda geração de veículos lançadores é caracterizada pela utilização de propelentes mais energéticos; pelo melhor aproveitamento dos mesmos; e a redução do coeficiente estrutural através do uso de materiais mais leves e resistentes. A capacidade de satelitização em órbita baixa desta geração praticamente dobrou em relação à primeira, saltando para a faixa de 4 a 6% da massa total na decolagem. 46. Os programas com maior maturidade tecnológica já migraram em grande parte seus veículos para a segunda geração. Os programas mais recentes operam veículos de primeira geração e iniciam desenvolvimento de veículos de segunda geração. 47. O roteiro seguido em cada um dos programas atuais para o desenvolvimento de seus veículos lançadores foi bastante variado. Os pioneiros, os Estados Unidos da América e a Rússia (na época União Soviética), desenvolveram seus veículos de forma bastante independente. 48. A segunda onda de programas que lograram sucesso é formada pelo conglomerado europeu, por meio da Agência Espacial Européia (ESA), pela China, a Índia e o Japão. A ESA resultou da união de esforços individuais de diversos países europeus e desenvolveu seus veículos também de forma autônoma. A China contou inicialmente com apoio técnico da Rússia, mas rapidamente buscou autonomia. A Índia seguiu uma trajetória de maior interação com programas mais avançados, 10
adquirindo em diferentes épocas, motores e insumos de produção dos mesmos da França e da Rússia. A assimilação da tecnologia evoluiu para produção interna dos motores, sob licença e posterior desenvolvimento autônomo. O Japão seguiu trajetória parecida tendo como parceiros os Estados Unidos. 49. Mais recentemente a Coréia do Sul busca também desenvolver seus próprios veículos lançadores. Para tal conta com estreita parceira com a Rússia na forma de intercâmbio técnico de especialistas e aquisição de estágios inteiros para integração de seus veículos. 50. Os programas do Japão e da Coréia do Sul não satisfazem o requisito de interesses em grandes regiões territoriais. A maior motivação talvez seja de demonstração de capacidade tecnológica e manutenção de capacitação importante frente a conflitos latentes com países vizinhos. 51. Os programas em andamento na Coréia do Norte, Irã e Israel são motivados em grande parte pelas aplicações relacionadas à segurança e defesa ou potencial dissuasivo. Em diversos graus, lograram já lançar pequenas cargas ao espaço. 52. O Brasil iniciou seu programa junto com os países da segunda onda. Até o presente foram realizadas três tentativas de lançamento, sem sucesso. 53. Revisões técnica realizadas, contando inclusive com a colaboração de especialistas estrangeiros, não detectaram inviabilidade técnica inerente à concepção ou projeto do veículo. Entretanto a análise de riscos de falhas associadas ao número elevado de eventos durante o vôo, torna patente a dificuldade de se reduzir a probabilidade de falha de missão a um valor aceitável, digamos inferior a 10%. 54. O ritmo impresso, com prazos excessivamente elásticos, descontinuidades orçamentárias e administrativas ocasionaram desmobilização e deterioração de equipes técnicas e equipamentos, exacerbando os riscos e certamente contribuindo para as falhas ocorridas. 55. Desde os primórdios da exploração espacial são recorrentes as críticas aos custos elevados, e, igualmente recorrentes as propostas com promessas de redução dramática dos mesmos custos. 56. Uma das propostas mais freqüentes prega a substituição dos veículos descartáveis utilizados atualmente por veículos capazes de realizar múltiplas viagens, nos moldes dos outros meios de transporte terrestre. Para viabilizar esta proposta os veículos passariam a utilizar o meio atmosférico como agente propulsivo. Entretanto são poucos os avanços realizados ou vislumbrados para superar os obstáculos apresentados pelas elevadas cargas térmicas e dinâmicas associadas ao perfil de trajetória de ascensão e retorno a Terra para este tipo de veículo. 57. De fato, os custos envolvidos na construção e operação de foguetes são comparáveis aos custos de um avião com dimensões equivalentes. O problema é de ordem econômica. O foguete é utilizado uma única vez. Um veículo reutilizável, com o mesmo envelope de missão, terá seu custo de produção acrescido de pelo menos uma ordem de grandeza. O ritmo de missões atuais deveria ser multiplicado pelo mesmo fator para tornar o custo destes novos veículos compatíveis com os custos 11
dos veículos atuais. Considerando as dificuldades técnicas envolvidas e os fatores de escala econômica, é razoável mente seguro prever que tais meios não se materializarão num prazo inferior a 30 anos. 58. Tanto os Estados Unidos quanto a Rússia desenvolveram veículos parcialmente reutilizáveis; o Space Shuttle e o Energia/Buran. Os Estados Unidos estão aposentando o Space Shuttle após mais de duas décadas de operação. O custo unitário por missão deste veículo, estimado em 1 bilhão de dólares é quase 10 vezes superior ao custo de missão equivalente por veículo descartável. A Rússia abandonou seu sistema após apenas dois lançamentos. 59. Outra proposta igualmente recorrente é a miniaturização de veículos e satélites, nos moldes do que ocorreu com os equipamentos e componentes eletrônicos, uma indústria que se desenvolveu em paralelo com os veículos espaciais e satélites e com grande aplicação nestes. 60. Em primeiro lugar cabe notar que a vantagem de escala observada nas áreas de produtos eletrônicos industriais e de consumo não se aplica da mesma forma à área espacial. A demanda por produtos espaciais é limitada. Veículos lançadores e satélites continuam a ser produzidos como unidades individuais, muitos deles com nomes próprios. 61. Do ponto de vista tecnológico, uma análise do escalonamento dimensional de veículos lançadores mostra que a redução do tamanho do veículo é acompanhada de uma correspondente redução de desempenho. 62. O desempenho de um veículo, medido pela razão entre a massa satelizável e a massa bruta do lançador na decolagem, é determinado pelos seguintes parâmetros: impulso específico, coeficiente estrutural e coeficiente balístico. Todos estes parâmetros se deterioram com o escalonamento para dimensões menores. O resultado é que a fração de massa satelizável (em órbita baixa), da ordem de 4% para um veículo com massa bruta de 100 toneladas, torna-se nula para um veículo com massa bruta abaixo de 30 toneladas. As razões para esse comportamento são em grande parte determinadas por leis da Física e há pouca coisa que possa ser minorada por avanços tecnológicos. Do ponto de vista econômico, por outro lado, o escalonamento dimensional para baixo não reduz significativamente o custo do veículo. A razão principal para isto é que o custo pode ser modelado como a soma de duas parcelas: uma associada à infra-estrutura, mão de obra e custos fixos em geral; a outra, associada a materiais. A primeira parcela constitui mais de 90% do custo total e varia muito pouco com o tamanho do veículo. A segunda parcela varia de forma aproximadamente linear com o tamanho do veículo. O resultado final, dessa forma, é que o escalonamento dimensional para baixo reduz substancialmente o desempenho do veículo sem redução equivalente no custo. 63. A título de ilustração vale citar que o veículo Falcon 9 da empresa SpaceX, com capacidade de lançamento em LEO de 10.000 kg tem preço de referência de MUS$ 45. O veículo Ciclone 4 da ACS, com capacidade de lançamento em LEO de 5.000 kg, tem preço de referência de MUS$ 40. II.3 Sustentabilidade técnica e econômicas 12
64. Conceitualmente as missões devem ditar o ritmo do programa. Entretanto deve também ser considerado que a sustentabilidade técnica e econômica do setor de veículo, base de lançamento e suporte à operação de lançamento passam a ser preponderantes à medida que o ritmo se torna muito baixo. O primeiro nível a ser observado é o limite de sustentabilidade técnica. 65. O patamar mínimo do programa espacial, tanto no que se refere à implantação do programa propriamente dita quanto da operação e evolução do mesmo, é o patamar de sustentabilidade técnica. 66. Do ponto de vista de recursos humanos, a sustentabilidade diz respeito à formação de massa crítica de pessoas que possibilite gerar e manter competências de pesquisa, desenvolvimento, produção e operação de veículos lançadores. 67. Metodologias de documentação extensiva das atividades são essenciais para a preservação do conhecimento e técnicas, mas não são instrumentos perfeitos. Uma grande parte do conhecimento envolvido é de difícil documentação e formalização. O conhecimento e a técnica em muitas destas áreas envolvem muito mais do que a aplicação de uma série de algoritmos ou procedimentos. 68. A experiência dos diversos programas espaciais no mundo mostra que, para superar a complexidade do problema global e dificuldades técnicas de grande parte das tarefas envolvidas, é necessário que seja estruturada equipe com algumas centenas de engenheiros, cientistas e administradores altamente qualificados e motivados. 69. A intensidade de aplicação dos recursos humanos é de grande importância. Lacunas em áreas de conhecimento, descompassos em andamentos de tarefas interdependentes podem tornar avanços muito lentos, inibir avanços ou mesmo resultar em retrocesso. As simples documentação e memorialização não garantem posição alcançada. A formalização do processo é imprescindível para avançar o processo, mas não é de forma alguma uma garantia. 70. A sustentabilidade técnica está associada à formação e retenção de equipes técnicas capazes de realizar as tarefas em patamares mínimos de segurança e desempenho. 71. Em ritmo um muito lento de desenvolvimento, a equipe pode ficar desmotivada e a manutenção das pessoas nos projetos ficar prejudicada, caso os resultados demorem a ser atingidos, acarretando evasão de competências e gerando necessidade de novas contratações. 72. O segundo patamar é o da sustentabilidade econômica. Este patamar está associado à utilização eficiente dos recursos humanos e técnicos uma vez garantido o patamar de sustentabilidade técnica. II.4 Roteiro para o acesso ao espaço 73. Duas alternativas de roteiro de acesso ao espaço para o programa espacial brasileiro são apresentadas e discutidas a seguir. 74. A primeira alternativa apresenta uma evolução progressiva do VLS-1 atual, com a 13
incorporação de estágios a propelentes líquidos e futuras combinações de estágios líquidos e sólidos com evolução do envelope de lançamento em termos de massa satelizável e incremento de velocidade. Esta alternativa espelha-se de certa forma na trajetória do programa indiano. Nessa alternativa, cada veículo intermediário atenderia uma faixa no envelope de missões, viabilizando e demonstrando condições para prosseguir para etapa seguinte. 75. Essa primeira alternativa pressupõe que haja um número crescente de missões envolvendo satélites de pequeno e médio porte lançados por veículos dedicados. As principais vantagens nesse caminho são os sucessos intermediários que serviriam para motivar as equipes, permitiriam eventuais correções no programa, muito freqüentes em projetos de longo prazo, bem como exigiriam recursos humanos e financeiros de forma gradativa. 75a. Um estudo realizado por Sikharulidze (2001) sugere a evolução que segue: Substituição do quarto estágio do VLS-1 por um estágio líquido num prazo de 4 anos. Este veículo teria capacidade de inserção de um satélite com massa de 540 kg numa órbita circular polar com altitude de 200 km. Substituição dos segundo e terceiro estágios (da configuração acima) e primeiro estágio formado por 5 motores S43, num prazo de 3 a 9 anos. Este veículo teria capacidade de inserir uma carga de 750 kg em órbita polar circular com altitude de 750 km. Desenvolvimento de um veículo de três estágios líquidos, num prazo de 6 a 12. O veículo teria capacidade de inserir uma carga de 300 kg em órbita de transferência geoestacionária (GTO). 75b. Outra proposta nesta linha de raciocínio foi o Projeto Cruzeiro do Sul. Por ter sido amplamente divulgado, não será citado em detalhes neste documento. 76. A segunda alternativa prega uma bifurcação imediata do programa de veículos lançadores com a consolidação de um projeto voltado para o desenvolvimento de um veículo de porte médio, capaz de atender a uma grade razoável de missões de caráter estratégico para o país. Nesta alternativa o lançador deve ser capaz de realizar suas missões em cerca de doze anos, a partir da ordem de início. As missões seriam definidas pela AEB, como resultado de estudo dedicado a este fim. 77. Esta alternativa parte das seguintes premissas: A demanda por veículos lançadores de pequeno porte não se materializará em virtude dos fatores de econômicos e de desempenho apresentados anteriormente O programa espacial brasileiro tem caráter estratégico e visa dotar o país de meios para explorar os recursos espaciais com razoável grau de autonomia. Pelo menos pelas próximas três ou cinco décadas o foguete químico será o meio de acesso ao espaço. O envelope de missões, em termos de massa satelizável e incrementos de velocidade, não sofrerá alterações significativas num prazo inferior a 20 anos. Num horizonte de 20 anos é viável vencer a barreira técnica. 14
78. Para o primeiro veículo é proposto um envelope de missões cobrindo massas satelizáveis de 1 a 4 toneladas em órbita baixa e incrementos de velocidade de 9 a 12 km/s. Com este envelope será viabilizada a realização de uma grade de missões que atendem os objetivos estratégicos do programa e permitem avançar a tecnologia e exploração de missões com apelo comercial e sustentabilidade econômica. 79 O primeiro vôo do veículo deverá ser realizado num prazo de 8 a 12 anos, dependendo do grau de acesso a tecnologia e assistência técnica externa e intensidade de aplicação de recursos internos. A partir do primeiro lançamento, é previsto o ritmo de uma a duas missões anuais durante 3 ou 4 anos, crescendo para um ritmo de 4 a seis missões anuais durante um período de adicional de 6 a 10 anos. 80. É importante estabelecer metas para o ritmo e número total de missões para facilitar o planejamento de incorporação e utilização de corpo técnico bem como infraestrutura de produção dos veículos e operação da base de lançamento. 81. Uma vez vencida a barreira do primeiro lançamento com sucesso, os recursos humanos e infraestrutura física de desenvolvimento e poderão ser progressivamente redirecionados para um veículo de geração avançada ampliando o envelope de cargas satelizáveis para a faixa de 6 a 8 toneladas em órbita baixa e incrementos de velocidade de 9 km/s a 15 km/s. Este veículo deverá realizar o primeiro vôo num horizonte de 18 a 20 anos. Com este envelope de missões será possível atender às demandas de caráter estratégico e estará também aberta a possibilidade de exploração comercial dos recursos espaciais. 82. A cooperação externa poderá encurtar significativamente o prazo de desenvolvimento e reduzir os riscos do programa, com a ressalva que o saber fazer seja alcançado para que o país se torne gradativamente independente. Entretanto não deve ser descartada a possibilidade de um desenvolvimento interno em caso de dificuldades intransponíveis de acordo de cooperação externa com suficiente. Deve também ficar claro que a cooperação técnica externa nesta área envolve negociação política delicada e requer posicionamento claro e previsível do país no cenário mundial. 83. É importante esclarecer que esta alternativa não prega o abandono dos avanços obtidos até o presente em motores a propelentes sólidos. Será acentuado o seu caráter de plataforma tecnológica. 84. A propulsão sólida tornou-se tradicional no Brasil, e é recomendável que o desenvolvimento e a aplicação desta tecnologia sejam permanentemente exercitadas, pela sua vasta gama de aplicações. O desenvolvimento, produção e operação de foguetes de sondagem deve permanecer no âmbito da Atividade Espacial do Brasil, pelas seguintes razões principais: treinamento das equipes: tanto os campos de lançamento quanto as equipes de integração e operação se mantêm hábeis pela operação de foguetes menores. Os membros mais novos podem ser treinados nos foguetes de sondagem antes de passarem a atuar nos lançadores de satélites. Isto vale para técnicos dos órgãos governamentais e das empresas envolvidas; missões precursoras de sistemas espaciais: experimentos e equipamentos 15
a serem embarcados em satélites podem ser avaliados em vôos suborbitais. popularização do acesso ao espaço: os foguetes de sondagem podem ser utilizados para captar a atenção do meio estudantil para a Atividade Espacial de forma participativa e educativa. manter a competência deste tipo de atividade nas várias organizações já detentores da infra-estrutura e do saber fazer. Apoio à pesquisa nas áreas de física de atmosfera, microgravidade, reentrada, outras demandadas nacionais e estrangeiras. A atividade mantém habilidades necessárias aos lançadores de satélites. 85. Para atender as demandas citadas acima, e visando tornar mais atraente para a atuação industrial privada poder-se-ia estabelecer um ritmo de produção de lançamento de 2 a 3 veículos de sondagem por ano por período de 10 anos. Parte destas missões (metade) poderia ser estabelecida inicialmente. A outra parte poderia ser objeto de chamadas de oportunidade para os diversos agentes envolvidos no programa, incluindo universidades e parceiros industriais. 86. Quanto ao VLS-1, ou alguma variante deste, poderia ser estabelecida uma meta de realização de 4 a 8 vôos. Estes vôos teriam inicio num prazo de 3 a 4 anos e se estenderiam até a realização do primeiro vôo do veículo de porte médio. Após este prazo a contração de vôos adicionais dependeria de demandas internas e externas suficientes para a sustentabilidade técnica e econômica para a produção e lançamento dos mesmos. 87. Um estudo técnico, possivelmente com cooperação externa, deverá determinar as alternativas de veículo que atendam o envelope de missões desejado. O estudo deverá realizar também um levantamento dos motores disponíveis que possam servir como ponto de partida. Número de motores por estágio e possível utilização partes comuns do motor em todos os estágios. 88. O Brasil não tem tradição no desenvolvimento de máquinas térmicas sofisticadas. A produção deste tipo de máquina no Brasil deverá demandar um grande esforço para atrair engenheiros e administradores com elevada qualificação técnica e motivação para enfrentar um desafio que se estenderá por anos. 89. Marcos importantes a serem cumpridos até o primeiro vôo do veículo são mencionados a seguir: definição do combustível a ser utilizado dos motores principais e do número de estágios. Embora existam alternativas para o par combustível a ser utilizado, o emprego do par querosene oxigênio líquido é a preferida, porque é pouco tóxica, tem eficiência aceitável e conta com boa gama de motores já desenvolvidos em outros países. Embora os pares estocáveis tenham seus méritos, os países detentores de tecnologia espacial vêm abandonando esta solução em função dos riscos de contaminação ambiental associados. Quanto aos motores, o grande número de motores já desenvolvidos na Rússia permitirá encontrar a solução para o veículo desejado. Negociações já realizadas ou em andamento buscam visam não só a compra de motores, mas também seu saber fazer. 16
definição dos insumos necessários e decisão sobre quais seriam desenvolvidos no país e quais seriam comprados no exterior. São itens em que o Brasil tem apresentado grande dependência externa: equipamentos eletrônicos de bordo (aviônicos); itens pirotécnicos de alta confiabilidade, materiais a base de carbono (fibras e tecidos de carbono, blocos de carbonocarbono) e componentes eletrônicos. Será preciso decidir qual será o esforço de desenvolvimento, e que itens serão ainda comprados, mesmo que para os primeiros vôos; definição, construção e aceitação da infra-estrutura de ensaios, integração, transporte e lançamento. O investimento em infra-estrutura é maior que aquele empregado no foguete, e envolve: bancos de prova de motores, meios de ensaios ambientais (vibração, temperatura, vácuo, eletromagnético); prédios de estocagem e de integração, torre de lançamento, meios de transporte de superfície e aéreo; produção e teste de modelos de engenharia. Os modelos de engenharia se aplicam a itens, equipamentos e subsistemas que estão em processo de desenvolvimento; produção e qualificação dos itens desenvolvidos. produção e aceitação dos itens de vôo. 90. A tarefa envolverá equipes técnicas com alta especialização adquirida ao longo de anos de experiência. É imprescindível um planejamento de longo prazo para a utilização eficiente destes recursos. Como parte deste planejamento, é desejável que a carteira de projetos a serem desenvolvidos, tecnologias a serem exploradas ao longo de pelo menos duas décadas, seja antevista. 91. Um ritmo muito lento de missões tende a gerar ociosidade de equipes especializadas (tarefas específicas de engenharia, ou operação de equipamentos dedicados) ou alargar muito a faixa de atuação de equipes. 92. O número de lançamentos é importante também para planejamento das missões. O planejamento das missões deverá levar em conta o ritmo e cronograma dos veículos. O planejamento das missões poderá ditar o ritmo a partir de uma situação que garanta sustentabilidade técnica e econômica por parte do veículo. 93. Uma ou duas missões anuais é o mínimo para a sustentabilidade técnica do programa. Três a seis missões anuais aproximam o programa do equilíbrio na utilização dos recursos, retenção de capacitação e capacidade de acompanhamento de avanços realizados por outros programas. 94. Um ritmo maior de missões passa ser atraente para atuação comercial. A demanda por missões passa a ditar o ritmo de produção de veículos. II.5 Conclusão 95. As considerações apresentadas neste documento levam às seguintes conclusões: 1) A motivação principal para o programa espacial brasileiro é o caráter estratégico representado pela exploração dos recursos espaciais em comunicações e observação da Terra para fins de segurança, defesa e 17
governança. 2) O envelope de missões, em termos de massa satelizável e incremento de velocidade não sofrerá grandes alterações nas próximas décadas. 3) Limitações associadas ao escalonamento de tamanho e custos de produção do foguete estabelecem um piso para a massa na decolagem do foguete em torno de 30 toneladas. A fração de carga satelizável cresce rapidamente para veículos com massa total variando entre 30 e 100 toneladas. Para veículos com massa total variando entre 100 e 600 toneladas a fração de carga satelizável ainda é crescente, porém mais lentamente. 4) O foguete químico continuará a ser o meio de acesso ao espaço nas próximas décadas. 5) Os programas com maturidade tecnológica exauriram em grande parte os avanços tecnológicos possíveis em termos de desempenho energético e eficiência estrutural do foguete químico. 6) Considerações ligadas a sustentabilidade técnica limitam o cronograma de desenvolvimento de um foguete a uma duração não superior a uma década e meia para o primeiro foguete e à metade deste prazo para versões posteriores. 7) A sustentabilidade técnica requer um ritmo mínimo de produção e lançamento de um veículo por ano. 8) A sustentabilidade econômica cresce à medida que o ritmo de produção e lançamento passa de 1 a 2 missões anuais para um ritmo de 4 a 6 missões anuais. Este crescimento do ritmo pode ser obtido com incrementos muito pequenos dos recursos humanos e infraestrutura em relação ao patamar de sustentabilidade técnica. 9) Vencido o patamar de sustentabilidade econômica abre-se a perspectiva de operações com retorno comercial. 10) Há uma janela de oportunidade para que o Brasil entre no jogo do acesso ao espaço com um veículo que atenda a uma grade significativa de missões que satisfaçam interesses estratégicos do país. 11) O envelope de missões do veículo de entrada deve atender cargas com 1 a 4 toneladas em órbita baixa e incrementos de velocidade de 9 km/s a 12 km/s. Estes envelope de missões permite a realização de missões de observação e comunicações. 12) O prazo para o início de operação do primeiro veículo não deve ultrapassar 12 anos. 13) A migração para um veículo de primeira geração avançada, com ampliação do envelope de lançamento pra 6 a 8 toneladas em órbita baixa e incrementos de velocidade de 9 km/s a 15 km/s deverá ser realizada num horizonte de 20 anos. 96. A abordagem do tema Acesso ao Espaço se concentrou nos aspectos da sustentabilidade e no roteiro para acesso ao espaço. Estes temas são centrais para o momento e para os objetivos da AAB. O momento é de profunda crise para Programa Espacial Brasileiro (PEB), no que tange a sua sustentabilidade e cada um de seus 18
componentes. Não se trata de postura alarmista, ao contrário, é grande a calma quando se presencia a iminência do colapso que vem se anunciando há algum tempo. Espera-se que a exegese da sustentabilidade do PEB tenha sido suficientemente clara para que todos, que tenham a vontade de resolvê-la definitivamente, possam encontrar apoio naqueles pensamentos. 97. Quanto à forma de acesso ao espaço, foram identificadas duas linhas de ação que não necessariamente são excludentes. Uma prioriza o atendimento a missões que visam tornar o país independente no lançamento de satélites de comunicação e de sensoriamento. A outra prevê progressão na forma de chegar ao mesmo objetivo. Cabe à AAB apresentar estas alternativas, e auxiliar na decisão do quê e como fazer, nos debates de alto nível governamental. 98. Outros temas de interesse não foram apresentados, ou não desenvolvidos em maior profundidade, para não violar a extensão do texto. II.6 Referências bibliográficas 1. The Space Review. <http://www.thespacereview.com> 2. Space Policy. <http://www.elsevier.com/locate/spacepol> 3. Aviation Week and Space Tecnology. <http://www.aviationweek.com> 4. Space News. <http://www.spacenews.com> 5. Sikharulidze, Yuri, Ballistic. Analysis of VLS-1 Modification by Use of Liquid Propellant Rocket Engine. RT 007/ASE/01, 25 de junho de 2001. 19
III. Recursos III.1 Recursos Físicos III.1.1 A relação entre os meios físicos e o ciclo de vida de uma missão espacial 99. Programas Espaciais sempre exigem extensos meios físicos para o seu desenvolvimento. 100. Os meios físicos necessários mudam de acordo com as missões escolhidas e ao longo do ciclo de vida dessas missões, o que leva a uma grande variedade de meios que devem ser permanentemente mantidos e atualizados. 101. O desenvolvimento de uma missão espacial, em qualquer um de seus segmentos fundamentais (espacial, de lançamento e de solo) obedece a um ciclo de vida padronizado, que pode englobar as seguintes fases: Fase 0 (Zero): Análise de Missão / Identificação de Necessidades Fase A: Análise de Viabilidade Fase B: Projeto Preliminar Fase C: Projeto Detalhado Fase D: Qualificação e Produção Fase E: Operação Fase F: Descarte 102. Cada uma das fases de um projeto espacial apresenta demandas por meios físicos diferenciadas, que em resumo podem ser assim descritas: Fases 0, A e B: são fases de estudos preliminares, que demandam os meios típicos dos escritórios de engenharia, hoje fortemente apoiados por sistemas computacionais para o desenvolvimento de projetos estruturais, elétricos e eletrônicos, projetos térmicos, desenvolvimento de software, análise de missão, determinação de confiabilidade, etc. Também se faz essencial o apoio computacional para a comunicação entre equipes; para o gerenciamento dos projetos e para controle da configuração. O ambiente de projetos também demanda acomodações adequadas para as equipes, infraestrutura para reuniões, arquivamento e apoio administrativo. O produto final dessas três fases são projetos preliminares de satélites, lançadores ou sistemas de solo, que antecedem o início de sua efetiva materialização. Fase C: esta fase repete as necessidades das fases anteriores, com o acréscimo da demanda por laboratórios para desenvolvimento e meios de produção industrial. Também surge a demanda por meios de teste para a realização de ensaios em modelos de engenharia ou de qualificação. O produto final são projetos detalhados e uma variedade de modelos necessários para o desenvolvimento de cada missão. 20