1 – Visão Geral do Sistema VLS-1 V03, cablagem dos fios dos detonadores, sala de interface, casamata e linha de disparo.

dallapiazza@gmail.com

Segue abaixo uma visão geral do sistema VLS-1 V03 composta por: torre de umbilicais, cablagem dos detonadores, sala de interface, linha de fogo e casamata, juntamente com o diagrama simplificado da figura 79 da página 50 do relatório da investigação do acidente (COMAER, 2004).

Visão geral do sistema VLS-1 V03 e linha de fogo

Fonte: Figura adaptada de (COMAER, 2004)

Figura 79 da pagina 50 do Relatorio da Investigacao do Acidente.

Fonte: Figura 79 de (COMAER, 2004)

O VLS-1 V03 não possuía Dispositivos Mecânicos de Segurança (DMS) para os propulsores A, B, C e D do primeiro estágio. Os Dispositivos Mecânicos de Segurança teriam criado uma barreira mecânica entre os detonadores e os ignitores dos propulsores do primeiro estágio, impedindo a transmissão da detonação intempestiva de um dos detonadores do propulsor A para o ignitor do propelente, evitando desta forma a ocorrência do acidente catastrófico.

Conforme consta na página 50 do Relatório da Investigação do Acidente (COMAER, 2004):

“O sistema está representado esquematicamente na Figura 79. É constituído essencialmente pelo painel de disparo e pelo módulo de comando (ambos localizados na casamata), e pela “linha de fogo”.

A “linha de fogo” é um conjunto de linhas elétricas entre o painel de disparo e os detonadores de ignição dos propulsores do primeiro estágio. Consiste, inicialmente, de um circuito elétrico formado por um par de fios torcidos e blindados que parte do painel de disparo, passa por um quadro denominado distribuidor de linhas umbilicais, localizado na sala de interface, esta posicionada sob a mesa de lançamento

A partir desse distribuidor, o par de fios da “linha de fogo” ramifica-se em oito pares de fios paralelos, que sobem pela torre de umbilicais até um módulo denominado caixa de relés, na altura da parte dianteira do segundo estágio.

Nessa caixa, cada um desses oito pares passa por um relé de segurança, totalizando oito relés.

Da caixa de relés, os oito pares formam um cabo flexível, que chega a um conector posicionado na parte dianteira superior do propulsor do segundo estágio, conector esse que se desprende com o movimento do Veículo, no momento do lançamento. (COMAER, 2004)”

Portanto, cada fio dos oito pares de fios paralelos sem blindagem, que subiam pela torre de umbilicais até a caixa de relés a aproximadamente 13,7 m de altura, se conectavam a um resistor de 100 kΩ e aos seus respectivos relés. Esses fios saiam da caixa de relés amarrados compondo um feixe umbilical que se ligava ao Veículo por meio de um conector.

No instante do acidente, apenas os quatro pares de fios dos detonadores dos propulsores A e D encontravam-se curto-circuitados por meio dos seus respectivos relés, situados na caixa de relés da torre de umbilicais.

Quando o par de fios torcidos sem blindagem de um detonador está ligado à “linha de fogo” na condição de segurança, seus terminais encontram-se normalmente curto-circuitados por meio do seu respectivo relé, mas este par de fios pode atuar como uma antena em “loop”, com o pior caso ocorrendo quando o comprimento do “loop” da antena for igual à metade do comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente na mesma (ELLIS, 2005). A figura 88 do Relatório da Investigação do Acidente, mostrada abaixo, ilustra bem esta situação (COMAER, 2004).

Figura 88 - Representação simplificada da linha de fogo com a caixa de relés na condição de SEGURANÇA.

Fonte: Figura 88 de (COMAER, 2004)

Para melhor clareza na visualização da geração de potencial elétrico nos fios do detonador (EED), encontra-se abaixo apenas o desenho do detonador e seus fios torcidos sem blindagem, extraído da figura 88 acima, mostrando uma antena no formato de “loop”, a qual gera corrente na ponte resistiva do detonador sob a ação de campos magnéticos (COMAER, 2004).

Antena em loop dos fios do detonador, através do qual ocorreu a iniciação do propulsor A do primeiro estágio.

             Fonte: Figura adaptada da figura 88 de (COMAER, 2004)

Um sumário dos efeitos do campo magnético, gerado por uma descarga eletrostática, sobre os fios de um detonador que constituem uma antena em formato de “loop”, encontra-se descrito na figura abaixo, adaptada de (FRANKLIN, 2013).

Summary of the Effects of the Magnetic Field from a Electrostatic Discharge on Electroexplosive Initiators.

                                  Fonte: Figura adaptada de (FRANKLIN, 2013)

Para eliminar este risco, deveria ter sido obedecida a norma que obriga a utilização de oito pares de fios torcidos e blindados individualmente, a fim de que os mesmos não atuassem como antenas em “loop”.

Seguem abaixo as transcrições dos textos nos quais são explicados os fundamentos teóricos e técnicos do Safe Ignition Systems Design” (MANHA, 2009):

20.1.3 Safety Hazards” (MANHA, 2009) p. 664

“Lightning” (MANHA, 2009) p. 666

adequate safeguards must be built in to prevent excessive currents from occuring in the electrical circuits

Fonte: (MANHA, 2009) p. 666

20.1.6 Safe Ignition Systems Design” (MANHA, 2009) p. 672

Through proper design of ignition systems, the probability of inadvertent ignition can be made extremely small. The design of a safe ignition system usually includes a safe and arm device, which only can be armed remotely. However, it is possible to disarm the safe and arm device either manually or remotely. A safe and arm device contains two independent barriers of a different physical nature, such as an electrical barrier and a mechanical barrier or an optical barrier and a mechanical barrier. Both barriers are installed or removed simultaneously by the safe and arm device.

Electrical

For initiation, electroexplosive devices require an electrical current. The most common devices cannot ignite if they are fed with a current of 1 A or an electrical power of 1 W, even for 5 min. However, some electroexplosive devices have an all-fire current of 0.3 A or less. To minimize the risk of accidental ignition, practically all solid propellant space systems use a safe and arm device. The schematic of a typical safe and arm device is given in Figure 20.2. The S1 switches, which are outside the device, are the ignition switches. They are the last to be switched, and they ignite the solid propellant system. The safe and arm device depicted in this schematic is in the safe position. The S2 switches are open and thereby close a grounded loop so that no radio frequency induced potential difference can be created. The loop, C, itself cannot be made always so that the enclosed area, S (Section 20.1.3, subsection “Lightning”), is zero. This is because the loops are physically

Figure 20.2 A safe and arm device.

Titulo da figura 20.2

located within the safe and arm device. Normally wires are twisted or shielded like coaxial cables to avoid creating a nonzero enclosed area, S.

Because it is possible that, during lightning, a rapidly changing magnetic field can pass through the loop, C, and induce a large potential difference, two large value resistors, such as 100 kΩ, have been introduced into the grounded loop. With these resistors present, even if a large potential difference in the loop is created, the actual current now is limited to very low values so as not to cause accidental ignition.

Also, a mechanical barrier shuts off the initiator from the downstream part of the ignition train, the solid propellant system igniter. This barrier is put in place when the safe and arm device is in the safe position by having switches S1 and S2 open so that no connection can be made between the power source and the electroexplosive device. Also, when switches S1 and S2 are open, they are grounded to avoid the circuit acting as an antenna and picking up radiated electromagnetic energy.

Optical

In addition to electroexplosive devices, optical explosive devices are being used. Here, a laser of a specified wavelength, intensity, and power initiates the optical explosive device. A safe and arm device can be used to block or deflect the laser beam or mechanically shut off the initiator from the downstream part of the ignition train.” (MANHA, 2009).

Seguem abaixo as figura 79 e 88 apresentadas em (COMAER, 2004) e adaptadas de acordo com o circuito e os Dispositivos Elétricos de Segurança mostrados na figura 20.2 apresentada em (MANHA, 2009) e as falhas técnicas restantes:

Figura 79 - Sistema eletrico de ignicao dos propulsores do primeiro estagio adaptada com o aterramento verde que faltou e os erros cometidos indicados em vermelho com os resistores de 100K conforme (MANHA, 2009)Figura 88 - Representacao simplificada da linha de fogo com a caixa de reles na condicao de SEGURANCA adaptado conforme a figura 20.2 de MANHA 2009 sem ignicao

Fonte: Figuras adaptadas das figuras 79 e 88 de (COMAER, 2004) e 20.2 de (MANHA, 2009)

Com relação aos dezesseis resistores de 100 kΩ, a norma exige que os mesmos deveriam ter sido aterrados na estrutura do Veículo, a fim de que pudessem dissipar de forma contínua a eletricidade estática, evitando assim que a mesma se acumulasse nos detonadores, seus respectivos fios e nos dois cabos da linha de fogo.Esses resistores são denominados “bleed resistors“.

Porém, por motivos desconhecidos os dezesseis resistores de 100 kΩ não foram aterrados na estrutura do Veículo e permaneceram ligados entre os fios verticais da linha de fogo, aterrados na casamata por meio dos dois cabos blindados da linha de fogo, e os fios dos detonadores, tornando os fios dos detonadores eletricamente flutuantes. Além disto, a constante de tempo de descarga do circuito RC, constituído pelos detonadores e seus respectivos fios, bem como pelos dois cabos da linha de fogo de 300 m, deveria ser menor que o tempo de carga de eletricidade estática dos mesmos, e isto é determinado experimentalmente. Além disto, quando o Veículo entrasse na contagem regressiva para o lançamento e o aterramento da linha de fogo fosse desfeita, desapareceria o aterramento dos resistores, o que é proibido por norma. Por este motivo foram aterrados todos os dezesseis resistores de 100 kΩ no aterramento do Veículo e foi adicionado um resistor de 100 kΩ entre cada par de fios curto-circuitados dos detonadores e o aterramento do Veículo.

Com relação à proteção dos detonadores da ocorrência de descarga eletrostática entre os pinos e a carcaça dos mesmos, existem outros resistores que têm a finalidade de fornecer esta proteção. São os denominados “resistor padding“. Associados aos resistores Rs da figura A1 (b), esses resistores tornam-se divisores de tensão, que evitam a exposição do dielétrico dos detonadores a valores de tensão de pico de descargas eletrostáticas que possam gerar arco voltaico através do “primer” do detonador. São ligados dois resistores iguais, um para cada pino, e são aterrados no aterramento da carcaça, conforme mostra a figura A1 (a) e (c) abaixo (LEOPOLD, 1975):

Fig A1 Resistive Padding (a) e (b)

Fig A1 Resistive Padding (c)

Fonte: Figuras obtidas em (LEOPOLD, 1975)

Seus valores mínimo e máximo são determinados experimentalmente, com uma margem de segurança, em função dos resultados dos ensaios de descarga eletrostática realizados em uma amostragem de detonadores que permita concluir que não ocorrerá iniciação de nenhum detonador. No caso do detonador da bibliografia abaixo, foram determinados os limites mínimo e máximo de 200 a 1000 Ω (LEOPOLD, 1975).

Para um circuito que divida a tensão de pico por 100, se utilizarmos Rg = 200 Ω deverão ser utilizados dois resistores Rs de 20 kΩ, um para cada fio do detonador. O circuito será o seguinte:

Figura 88 - 3ª com reles e 2 resistores de 10K na casamata, bem como adicao de dois resistores de 100K e ligacao dos quatro resistores de 100K no aterramento do veiculo.

Fonte: Adaptado da figura 88 de (COMAER, 2004) e (LEOPOLD, 1975)

Os circuitos apresentados acima servem apenas como ilustração da aplicação de alguns princípios básicos de segurança e não podem ser utilizados como sendo o circuito de segurança e atuação (linha de fogo) definitivo a ser utilizado nos próximos lançamentos do VLS-1.

Bibliografia

1 – COMAERRelatório da Investigação do Acidente ocorrido com o VLS-1 V03, em 22 de agosto de 2003, em Alcântara, Maranhão. 2004. Página da Internet. Disponível em < URL: http://www.defesanet.com.br/docs/VLS-1_V03_RelatorioFinal.pdf >, p. 21, 51 e 52. Acessado em 2013.

2 – ELLIS, N. Electrical Interference Handbook. 2005. Página da Internet. Disponível em URL: < http://books.google.com.br/books?id=sprANjepOh0C&pg=PA224&dq=%22Electro+explosive+devices+EEDs%22&hl=pt-PT&sa=X&ei=sLi-UYuSOcqWhQeb-4G4Cg&ved=0CDkQ6AEwAQ#v=onepage&q=%22Electro%20explosive%20devices%20EEDs%22&f=false >. p. 224.

3 – FRANKLIN Applied Physics. Electro Explosive Devices: Functioning, Reliability, Hazards. Oaks, Pennsylvania, U.S.A. July, 2013. p. 42. Página da Internet. Disponível em < URL:  http://www.franklinphysics.com/Downloads/Handout.pdf >. Acessado em 2013.

4 – LEOPOLD, H. S. e ROSENTHAL, L. A. Investigation of techniques to reduce electrostatic discharge susceptibility of hermetically sealed EEDs. NSWC/WOL/TR 75-57, Naval SurfaceWeapons Center Tech. Rep. July 3, 1975. p. A-1, A-2, A-3 e A-4. Página da Internet. Disponível em < URL: http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a013595.pdf >. Acessado em 2013.

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About Dallapiazza

Este trabalho de pesquisa é destinado à Força Aérea Brasileira. Tem como objetivo principal orientar os atuais e futuros engenheiros, que trabalham ou pretendem trabalhar nestas atividades de lançamento de foguetes de sondagem ou veículos lançadores de satélites, sobre o projeto correto do circuito de segurança e atuação de solo, os riscos existentes e as medidas preventivas que devem ser adotadas na proteção do mesmo, a fim de torná-lo seguro e fornecer subsídios para o lançamento seguro do VLS-1 V04, bem como ser fonte de material didático sobre este assunto. É também uma homenagem ao meu tio, Brig Eng Roberto Della Piazza (1938-2013), T72 do ITA e Ex-Diretor da Diretoria de Material da Aeronáutica, cujo sobrenome correto do pai e do avô é Dallapiazza.
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