História do engenheiro aeroespacial: Cayley para foguetes reutilizáveis

A engenharia aeroespacial está excepcionalmente bem documentada para um campo jovem: a maioria de suas figuras fundamentais viveram na era da fotografia, do cinema e, para os mais recentes, da televisão ao vivo. Sua história registrada vai desde um baronete de Yorkshire desenhando as forças na asa de um pássaro até uma transmissão ao vivo de um foguete pousando em pé em uma plataforma flutuante no oceano.

A história passa por duas guerras mundiais, uma Guerra Fria travada em parte através de programas de foguetes concorrentes e uma mudança no final do século de projetos de prestígio financiados pelo Estado para empresas comerciais competindo em custos. É também, mais do que a maioria das histórias de engenharia, uma história de nações: a liderança teórica inicial da Alemanha, a corrida da Grã-Bretanha e dos Estados Unidos para industrializar a aviação, e a União Soviética – mais tarde acompanhada pela China – provando que um programa estatal rival poderia igualar ou vencer o Ocidente num determinado marco.

Where it began

1799Scarborough, Yorkshire, Inglaterra

George Cayley, um baronete sem formação formal em engenharia, grava um disco de prata com um diagrama que identifica as quatro forças que actuam sobre qualquer objecto voador – sustentação, arrasto, peso e impulso – e esboça um planador de asa fixa com uma cauda separada para estabilidade, quebrando decisivamente séculos de tentativas falhadas de imitar um pássaro batendo as asas. Ele passa a construir e pilotar uma série de planadores, supostamente enviando seu cocheiro ao alto em 1853, no primeiro vôo registrado de uma nave mais pesada que o ar carregando um adulto, e agora é geralmente creditado como o fundador da aerodinâmica como ciência.

Timeline

1799Cayley define as quatro forças de vôo

George Cayley identifica sustentação, arrasto, peso e empuxo como as forças que governam o vôo e propõe um projeto de asa fixa com uma superfície de controle separada, estabelecendo a base teórica que a aerodinâmica ainda usa.

1903Os irmãos Wright alcançam voo motorizado

Orville e Wilbur Wright voam no Wright Flyer por 12 segundos em Kitty Hawk, Carolina do Norte, em 17 de dezembro - o primeiro vôo sustentado, controlado e motorizado de uma nave mais pesada que o ar.

1904–1905Prandtl explica a camada limite

Ludwig Prandtl apresenta a teoria da camada limite num congresso de matemática em Heidelberg, resolvendo uma contradição de longa data entre o arrasto teórico e o observado e dando aos engenheiros as ferramentas para calcular a sustentação e o arrasto com precisão.

1915NACA é fundada

O Congresso dos EUA cria o Comitê Consultivo Nacional para Aeronáutica para coordenar a pesquisa aeronáutica do governo, o órgão que se torna a NASA em 1958 e padroniza grande parte da metodologia de testes iniciais da área.

1939O primeiro voo a jato

O Heinkel He 178, movido pelo motor turbojato de Hans von Ohain, voa perto de Rostock, Alemanha, em 27 de agosto – um projeto paralelo britânico liderado por Frank Whittle voa dois anos depois.

1942O V-2 chega ao espaço

Um foguete V-2, desenvolvido por Wernher von Braun em Peenemünde, torna-se o primeiro objeto feito pelo homem a atingir uma altitude de cerca de 100 km, a fronteira agora usada para definir o espaço - e é então usado como arma contra Londres e Antuérpia.

1957Sputnik 1 abre a Era Espacial

O departamento de design de Sergei Korolev lança o Sputnik 1, o primeiro satélite artificial, em 4 de outubro – uma esfera do tamanho de uma bola de basquete que chocou os Estados Unidos ao fundarem a NASA no ano seguinte.

1961Gagarin se torna o primeiro humano no espaço

Yuri Gagarin orbita a Terra uma vez a bordo do Vostok 1 em 12 de abril, um voo projetado pela equipe de Korolev que colocou em órbita o programa americano Mercury em dez meses.

1969Apollo 11 pousa na Lua

O foguete Saturn V, desenvolvido sob von Braun no Marshall Space Flight Center da NASA, leva a tripulação da Apollo 11 à Lua em 20 de julho, cumprindo uma meta que o presidente Kennedy havia estabelecido oito anos antes.

2015SpaceX pousa um foguete orbital

O primeiro estágio do Falcon 9 retorna a uma plataforma de pouso no Cabo Canaveral em 21 de dezembro, após lançar uma carga útil em órbita, o primeiro pouso desse tipo e o início da reutilização rotineira e econômica de foguetes.

The eras

Retrato de Sir George Cayley, pioneiro da teoria aerodinâmica — Henry Perronet Briggs · Public domain · Wikimedia Commons

1799–1903

Planadores e o nascimento da teoria aerodinâmica

Entre o diagrama de Cayley de 1799 e o voo dos irmãos Wright em 1903, a aerodinâmica desenvolveu-se quase inteiramente através de planadores não motorizados e experiências em túneis de vento. Otto Lilienthal fez e documentou mais de 2.000 vôos de planadores na Alemanha na década de 1890 antes de morrer em um acidente em 1896, dados que os Wright estudaram de perto; eles construíram seu próprio túnel de vento em Dayton, Ohio, para testar e corrigir as tabelas de sustentação publicadas por Lilienthal antes mesmo de tentar um voo motorizado. A lição central da época – que a teoria deve ser verificada em relação a testes instrumentados e repetíveis – tornou-se o hábito definidor da área.

O Wright Flyer durante seu primeiro vôo motorizado, dezembro de 1903 — John T. Daniels · Public domain · Wikimedia Commons

1903–1918

Voo motorizado e a primeira guerra no ar

A aviação motorizada passou de um salto de 12 segundos a uma arma militar decisiva em quinze anos. As falhas estruturais eram comuns e muitas vezes fatais, uma vez que os engenheiros ainda estavam aprendendo como as fuselagens de madeira finas e cobertas de tecido se comportavam sob cargas aerodinâmicas reais; a ênfase inicial da profissão em fatores de segurança estrutural remonta diretamente aos acidentes desse período. A Primeira Guerra Mundial transformou as aeronaves de uma novidade em uma prioridade industrial, e os governos nacionais – Grã-Bretanha, França, Alemanha, Estados Unidos – começaram a financiar pela primeira vez estabelecimentos dedicados à pesquisa aeronáutica.

Uma instalação de testes em túnel de vento da NACA no início do século XX — NASA Headquarters - Greatest Images of NASA (NASA-HQ-GRIN) , edited by Blue Sonic ( talk · contribs ) · Public domain · Wikimedia Commons

1919–1945

Racionalização, jatos e uma ciência do vôo em alta velocidade

Entre as guerras, os engenheiros liderados por Prandtl e os seus alunos, incluindo Theodore von Kármán, transformaram a aerodinâmica numa ciência aplicada rigorosa, explicando o arrasto, a aerodinâmica e, eventualmente, o estranho comportamento do ar próximo da velocidade do som. A Alemanha e a Grã-Bretanha desenvolveram independentemente o motor a jato no final da década de 1930, e a Segunda Guerra Mundial transformou o design de aeronaves em uma disciplina de produção em massa, com os Estados Unidos sozinhos construindo mais de 300.000 aeronaves entre 1940 e 1945. A mesma guerra financiou o V-2, o primeiro grande foguete de combustível líquido, sob o comando de Wernher von Braun em Peenemünde.

Um foguete Saturn V em sua plataforma de lançamento, programa Apollo — NASA · Public domain · Wikimedia Commons

1945–1975

A corrida espacial da Guerra Fria

Depois de 1945, os Estados Unidos e a União Soviética recrutaram engenheiros de foguetes alemães e construíram programas espaciais rivais com base na rivalidade da Guerra Fria. A agência de Korolev lançou o Sputnik em 1957 e o Gagarin em 1961; A equipe de von Braun respondeu com os pousos do Saturn V e da Apollo na Lua de 1969-1972. O voo supersónico e depois hipersónico, o Concorde anglo-francês e o Tupolev Tu-144 soviético, e os programas de mísseis balísticos que marcaram toda a época foram todos produtos da mesma urgência financiada pelo Estado, talentos de engenharia tratados como um recurso estratégico a ser recrutado, protegido ou, no caso de Qian Xuesen, deportado.

Um booster SpaceX Falcon 9 pousando após o lançamento — Philip Terry Graham · Public domain · Wikimedia Commons

1976 – presente

Ônibus, satélites e foguetes reutilizáveis

O vaivém espacial (1981-2011) tentou tornar os voos orbitais uma rotina e teve sucesso parcial, enquanto as indústrias comerciais de satélites e aviões – a Airbus, fundada em 1970 como um consórcio europeu, a principal delas – transformaram a engenharia aeroespacial num negócio civil muito maior do que apenas a defesa. O programa da China, inativo desde os primeiros mísseis de Qian Xuesen, amadureceu rapidamente desde o primeiro voo tripulado do Shenzhou 5 em 2003 para uma estação espacial com tripulação permanente em 2022. O pouso de reforço da SpaceX em 2015 reabriu então uma questão que o campo havia tratado como resolvida: que um foguete, como um avião comercial, poderia ser voado, inspecionado e voado novamente, em vez de descartado após um uso.

What this job replaced

Neighbouring trades that no longer exist — absorbed, automated or regulated away.

Computador humano

Décadas de 1930 a 1960

Antes dos computadores eletrónicos, organizações de investigação aeroespacial como a NACA e mais tarde a NASA empregavam salas de matemáticos – desproporcionalmente mulheres, incluindo Katherine Johnson e Dorothy Vaughan em Langley – para realizar cálculos de trajetória e aerodinâmica à mão ou com calculadoras mecânicas. Os computadores eletrônicos assumiram o cálculo bruto a partir do final da década de 1950, e os especialistas humanos sobreviventes foram renomeados como “tecnólogos aeroespaciais” ou engenheiros, em vez de serem substituídos imediatamente.

Engenheiro de vôo

Décadas de 1920 a 2000

Um terceiro membro da tripulação da cabine responsável por monitorar motores, sistemas de combustível e pressurização em complexos aviões a pistão e nos primeiros aviões a jato, lendo dezenas de medidores analógicos que um piloto não poderia observar sozinho. Sistemas automatizados de 'cockpit de vidro' em aeronaves como o Boeing 757/767 e o Airbus A320 (década de 1980) transferiram esse monitoramento para computadores de bordo, e tripulações de dois pilotos tornaram-se o padrão das companhias aéreas, encerrando a função em novos projetos de aeronaves.

Loftsman

Décadas de 1910 a 1980

Antes do projeto auxiliado por computador, os lofts trabalhavam em escala real no chão de uma fábrica chamada mold loft, ajustando as curvas compostas de uma aeronave à mão com longas ripas flexíveis, pesos de chumbo e linhas de giz para que cada departamento fosse construído com a mesma forma verdadeira. Sistemas de design auxiliado por computador como o CATIA, adotados em toda a indústria nas décadas de 1980 e 1990, transferiram esse trabalho para software, e o piso do sótão de moldes desapareceu das fábricas de aeronaves.

Trades that vanished →

Quase todos os saltos nesta história seguem o mesmo padrão: uma lacuna teórica identificada, colmatada em tempos de guerra ou de urgência da Guerra Fria, e depois entregue à indústria comercial, uma vez comprovada a capacidade de sobrevivência do risco financiado pelo Estado. As forças de Cayley, a camada limite de Prandtl e os foguetes de von Braun fizeram a mesma viagem do papel à arma e ao produto.

O foguete reutilizável é a versão mais recente desse padrão, e ainda está sendo escrito: se a reutilização rotineira faz para os voos espaciais o que o motor a jato fez para as viagens aéreas – diminuindo os custos até que a atividade se torne banal – é a questão em aberto à qual o resto deste perfil continua voltando.

🛰️Origins & Evolution

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