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Por que as válvulas são o pior pesadelo de um engenheiro espacial


Acompanhe a indústria espacial por tempo suficiente e você notará que um número enorme de falhas catastróficas de satélites ou veículos de lançamento pode ser atribuído a uma parte fisicamente pequena, mas onipresente: as válvulas.

As válvulas desempenham um papel crítico na arquitetura da espaçonave, regulando o fluxo de pressurizadores, como o hélio, e propulsores. Eles também podem ser encontrados em veículos lançadores e, em número, são um dos subcomponentes mais comuns nesses sistemas. Esta realidade ganhou destaque esta semana, quando a Astrobotic anunciou que seu módulo lunar Peregrine não seria capaz de tentar um pouso suave na lua devido a um vazamento de propulsão no final da missão – com origem provável em uma válvula que não conseguiu selar novamente.

Mas a Astrobotic está longe de ser a única empresa espacial a ter uma missão interrompida por problemas nas válvulas durante os testes ou em órbita. Boeing enfrentou grandes atrasos na missão para o segundo vôo de teste orbital de sua cápsula tripulada Starliner devido a problemas de válvula, e em 2019, Crew Dragon da SpaceX explodiu durante um teste de solo devido a uma válvula com vazamento no sistema de propulsão.

“Existem milhares de maneiras diferentes de tornar uma válvula infeliz”, disse Jake Teufert, CTO da Benchmark Space Systems, uma startup com sede em Vermont que desenvolve sistemas de propulsão para naves espaciais.

Mesmo mil podem ser um eufemismo. Em geral, as válvulas são compostas por um êmbolo que precisa se recolocar após ser acionado e que deve fechar em uma vedação. “Se houver algum problema com isso, pode fechar errado, pode causar vazamentos”, Grant Bonin, designer de espaçonaves e fundador do GravityLabdisse.

Mas esta descrição é demasiado simples, ao ponto de ser enganosa. As válvulas aeroespaciais devem ser fabricadas com altíssima precisão, ser tão leves quanto possível e capazes de suportar uma série de extremos: temperaturas extremas, fluidos extremos, ambientes de vibração extrema e pressões extremas – às vezes até milhares de libras por polegada quadrada. As válvulas também devem ter requisitos de vazamento ultrabaixos; Teufert disse que algumas válvulas têm taxas de vazamento permitidas equivalentes ao vazamento de apenas um grama de hélio ao longo de 200 anos.

Para complicar ainda mais as coisas estão as realidades físicas subjacentes que os engenheiros e os fabricantes de válvulas devem enfrentar. Por exemplo, alguns combustíveis e oxidantes são incompatíveis com certos polímeros de juntas de válvulas, e a incompatibilidade química pode levar a problemas como corrosão ou rachaduras. Os engenheiros também devem estar vigilantes contra “detritos de objetos estranhos”, ou FOD, a menor partícula de detritos ou impureza que pode entupir uma válvula ou impedir a vedação adequada. Mesmo pequenos vazamentos podem causar efeitos descontrolados, porque o gás em rápida expansão torna as coisas frias, o que pode tirar a válvula de sua faixa de temperatura aceitável.

Os engenheiros conduzem a nave espacial através de uma série de testes no solo, mas o ambiente de voo só pode ser igualado até certo ponto, explicou Teufert.

“Você certamente pode jogar algo na mesa shaker e fazer um [vibration] perfil, mas você pode não estar fazendo isso enquanto estiver totalmente pressurizado e exposto a vapores oxidantes, que é o que acontece durante o vôo”, disse ele. “A maioria das casas de teste, se você colocar um tanque cheio de tetróxido de nitrogênio em uma mesa agitadora, dirá não ‘não’ – mas ‘de jeito nenhum’.”

No final das contas, os engenheiros enfrentam uma lista impossivelmente longa de modos de falha e devem, em algum momento, determinar sua confiança nos testes. Além disso, não é incomum que as empresas consumam toda a sua margem de cronograma com projeto, aquisição e construção, deixando o departamento de testes com maior pressão de cronograma.

“Quando você tem rotatividade interna e trabalha com vários fornecedores diferentes, pode ser muito fácil não testar adequadamente e perder alguns desses problemas”, disse Bonin.

Pode ser tentador pensar: por que não adicionar uma válvula adicional, para que, se alguma não abrir, haja uma válvula de reserva? Mas adicionar duas válvulas (ou quaisquer subcomponentes adicionais) pode criar modos de falha totalmente novos que você nunca teria com uma válvula.

A outra questão é a cadeia de abastecimento. Apesar dos volumes relativamente elevados de naves espaciais provenientes do programa Starlink da SpaceX, Kuiper da Amazon, OneWeb e toda a gama de startups espaciais emergentes, os subcomponentes das naves espaciais ainda estão muito, muito longe de serem produzidos em massa.

“No fundo, o problema é que o espaço não é um mercado de massa”, disse Bonin. “Sempre que alguém no setor aeroespacial fala sobre produção em massa, eu rio, porque às vezes fazemos coisas em volume intermediário, mas não fazemos nada que seja verdadeiramente produção em massa. Portanto, não somos os clientes de alta prioridade para essas empresas.” Teufert ecoou esses pensamentos, dizendo: “Como indústria, ainda estamos no ponto de sermos hardware artesanal, feito à mão, se for algo específico da indústria aeroespacial, e isso definitivamente se estende às válvulas”.

Devido aos volumes relativamente pequenos de produto, a fabricação ainda é muito personalizada, com muitas válvulas fabricadas em séries muito pequenas para sistemas de propulsão ou espaçonaves específicos. Mas a competência dos fornecedores não é necessariamente estável ao longo do tempo, porque o processo é muito boutique e depende muito do conhecimento tribal.

“Se for algo que eles fazem uma grande produção em massa por ano, eles têm ótimos processos e conhecimento bem distribuído sobre como fabricar aquela válvula ou outro componente de maneira confiável ao longo do tempo”, disse Teufert. “Considerando que a pequena válvula aeroespacial estranha que eles estão fabricando 10 por ano para esse nicho de mercado, isto é, [made by] um cara chamado Bob, que tem 60 e poucos anos e está com um pé aposentado. Ele está fazendo isso a cada dois anos e então Bob vai embora, e todo aquele conhecimento tribal vai embora porque não havia ninguém sob o comando de Bob. Já vi isso em vários componentes.”

Sem dúvida isto não é verdade para todos os programas; por exemplo, o designer e fabricante de válvulas do verão passado Marotta anunciou que entregou sua 30.000ª válvula solenóide CoRe para a SpaceX. Mas noutros casos, as empresas espaciais mais pequenas têm de enfrentar prazos de produção mais longos em volumes mais pequenos, comprar produtos comerciais prontos a utilizar ou tentar encontrar uma solução internamente.

marotta spacex valve

Presidente e COO da SpaceX, Gwynne Shotwell, com representantes da Marotta. Créditos da imagem: Marotta

“Posso comprar a mesma peça duas vezes, mas se Jim fez a Parte A e Joe fez a Parte B, mesmo que tenham o mesmo número de peça, eles têm qualidade dramaticamente diferente”, disse Bonin. Ou se o seu técnico principal teve uma segunda-feira ruim, ele pode ter pulado uma etapa. Há apenas erros humanos em toda parte nessas coisas.”

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