Projeto de nave espacial

O projeto de espaçonaves abrange uma ampla área, incluindo o projeto de espaçonaves robóticas ( satélites e sondas planetárias ) e espaçonaves para voos espaciais humanos ( naves espaciais e estações espaciais ).

Origem

O design de naves espaciais nasceu como uma disciplina nas décadas de 1950 e 1960 com o advento dos programas de exploração espacial americanos e soviéticos . Desde então, progrediu, embora tipicamente menos do que as tecnologias terrestres comparáveis. Isso se deve em grande parte ao ambiente espacial desafiador, mas também à falta de P&D básico e a outros fatores culturais dentro da comunidade de design. Por outro lado, outra razão para o design de aplicativos de viagens espaciais lentas é o alto custo de energia e a baixa eficiência para alcançar a órbita. Esse custo pode ser visto como um "custo inicial" muito alto. ^{[ citação necessária ]}

Áreas de engenharia envolvidas

O projeto de naves espaciais reúne aspectos de várias disciplinas, a saber: ^{[ citação necessária ]}

• Astronáutica para projeto de missão e derivação dos requisitos de projeto,
• Engenharia de sistemas para manter a linha de base do projeto e derivação dos requisitos do subsistema ,
• Engenharia de comunicações para o projeto dos subsistemas que se comunicam com o solo (por exemplo, telemetria ) e realizam o alcance .
• Engenharia informática para a concepção dos computadores de bordo e dos barramentos informáticos . Este subsistema é baseado principalmente em tecnologias terrestres, mas ao contrário da maioria delas, ele deve: lidar com o ambiente espacial, ser altamente autônomo e fornecer maior tolerância a falhas.
  • Pode incorporar componentes endurecidos por radiação com qualificação espacial.
• Engenharia de software para o software de bordoque executa todos os aplicativos de bordo, bem como o software de controle de baixo nível. Este subsistema é muito semelhante aos projetos de software embarcado e de tempo real terrestre,
• Engenharia elétrica para o projeto do subsistema de energia, que gera, armazena e distribui a energia elétrica para todos os equipamentos de bordo,
• Teoria de controle para o projeto do subsistema de controle de atitude e órbita , que aponta a espaçonave corretamente e mantém ou altera a órbita de acordo com o perfil da missão; o hardware usado para atuação e detecção no espaço é geralmente muito específico para naves espaciais,
• Engenharia térmica para o projeto do subsistema de controle térmico (incluindo radiadores, isolamento e aquecedores), que mantém condições ambientais compatíveis com as operações dos equipamentos da espaçonave; Este subsistema possui tecnologias muito específicas do espaço, uma vez que no espaço, a radiação e a condução geralmente dominam como efeitos térmicos, por oposição com a Terra onde a convecção é tipicamente a principal,
• Engenharia de propulsão para o projeto do subsistema de propulsão, que fornece meios de transportar a espaçonave de uma órbita para outra,
• Engenharia mecânica para o projeto das estruturas e mecanismos da espaçonave, bem como a seleção de materiais para uso em vácuo . Estes incluem vigas, painéis e apêndices implantáveis ​​ou dispositivos de separação (para separar do veículo lançador ).

Subsistemas de naves espaciais

Estrutura

O ônibus da espaçonave carrega a carga útil. Seus subsistemas suportam a carga útil e ajudam a apontar a carga útil corretamente. Ele coloca a carga na órbita certa e a mantém lá. Ele fornece funções de limpeza. Também fornece manutenção de órbita e atitude, energia elétrica, comando, telemetria e manuseio de dados, estrutura e rigidez, controle de temperatura, armazenamento e comunicação de dados, se necessário. A carga útil e o barramento da espaçonave podem ser unidades diferentes ou podem ser combinadas. O adaptador de reforço fornece a interface de transporte de carga com o veículo (carga útil e ônibus espacial juntos).

A espaçonave também pode ter uma carga propulsora, que é usada para dirigir ou empurrar o veículo para cima, e um estágio de propulsão. O propulsor comumente usado é um gás comprimido como nitrogênio, líquido como hidrazina monopropelente ou combustível sólido, que é usado para correções de velocidade e controle de atitude. Em um estágio de chute (também chamado de motor de apogeu, módulo de propulsão ou estágio de propulsão integral), um motor de foguete separado é usado para enviar a espaçonave em sua órbita de missão. Ao projetar uma espaçonave, a órbita que será usada deve ser considerada no ponto, pois afeta o controle de atitude, o projeto térmico e o subsistema de energia elétrica. Mas esses efeitos são secundários em comparação com o efeito causado na carga útil devido à órbita. Assim, ao projetar a missão; o projetista seleciona uma órbita que aumenta o desempenho da carga útil. O projetista até calcula as características de desempenho da espaçonave necessárias, como apontamento, controle térmico, quantidade de energia e ciclo de trabalho. A espaçonave é então feita, o que satisfaz todos os requisitos.^{[ citação necessária ]}

Determinação e Controle de Atitudes

O subsistema de determinação e controle de atitude (ADCS) é usado para alterar a atitude (orientação) da espaçonave. Existem alguns torques externos atuando na espaçonave ao longo do eixo que passa pelo seu centro de gravidadeque pode reorientar a espaçonave em qualquer direção ou dar um giro. O ADCS anula esses torques aplicando torques iguais e opostos usando a propulsão e a navegação. O momento de inércia da carroceria deve ser calculado para determinar os torques externos, o que também requer a determinação da atitude absoluta do veículo por meio de sensores. A propriedade chamada 'rigidez giroscópica' é usada para reduzir o efeito de fiação. A espaçonave mais simples consegue o controle girando ou interagindo com os campos magnéticos ou gravitacionais da Terra. Às vezes, eles são descontrolados. As naves espaciais podem ter vários corpos ou estão ligadas a peças importantes, como painéis solares ou antenas de comunicação que precisam de apontamento de atitude individual. Para controlar a atitude do apêndice, os atuadores são frequentemente usados, com sensores e controladores separados. Os vários tipos de técnicas de controle usadas são:^{[ citação necessária ]}

• Técnicas de Controle Passivo.
• Técnicas de Controle de Spin.
• Técnicas de controle de três eixos.

Telemetria, rastreamento e comando

Telemetria, rastreamento e comando (TT&C) é usado para comunicação entre a espaçonave e os sistemas terrestres. As funções do subsistema são:

• Controle da nave espacial pelo operador na Terra
• Receba os comandos de uplink, processe-os e envie-os para outros subsistemas para implicação.
• Receba os comandos de downlink dos subsistemas, processe-os e transmita-os à Terra.
• Informe constantemente sobre a posição da espaçonave.

Comunicação

O processo de envio de informações para a espaçonave é chamado de uplink ou link direto e o processo oposto é chamado de downlink ou link de retorno. O uplink consiste em comandos e tons de alcance, enquanto o downlink consiste em telemetria de status, tons de alcance e até pode incluir dados de carga útil. Receptor, transmissor e uma antena grande angular (hemisférica ou omnidirecional) são os principais componentes de um subsistema básico de comunicação. Sistemas com altas taxas de dados podem até usar uma antena direcional, se necessário. O subsistema pode nos fornecer a coerência entre os sinais de uplink e downlink, com a ajuda do qual podemos medir os deslocamentos Doppler da taxa de alcance. O subsistema de comunicação é dimensionado por taxa de dados, taxa de erro permitida, comprimento do caminho de comunicação e frequência de RF.

A grande maioria das naves espaciais se comunicam usando antenas de rádio – comunicação por satélite . ^{[ carece de fontes ]} Algumas naves espaciais se comunicam usando lasers — tanto diretamente para o solo quanto com o LADEE ; ou entre satélites como com OICETS , Artemis , Alphabus e o Sistema Europeu de Retransmissão de Dados .

Potência

O subsistema de energia elétrica (EPS) consiste em 4 subunidades:

• Fonte de energia (bateria, célula solar, células de combustível, par termoelétrico)
• Unidade de armazenamento (Nº de baterias em série)
• Distribuição de energia (cabeamento, comutação, proteção contra choques)
• Regulação e controle de energia (para evitar sobrecarga e superaquecimento da bateria)

Térmico

O subsistema de controle térmico (TCS) é usado para manter a temperatura de todos os componentes da espaçonave dentro de certos limites. Os limites superior e inferior são definidos para cada componente. Existem dois limites, a saber, operacional (em condições de trabalho) e de sobrevivência (em condições de não trabalho). A temperatura é controlada usando isoladores, radiadores, aquecedores, persianas e dando um acabamento superficial adequado aos componentes. ^{[ citação necessária ]}

Propulsão

A principal função do subsistema de propulsão é fornecer impulso para alterar a velocidade de translação da espaçonave ou aplicar torques para alterar seu momento angular. Não há exigência de empuxo e, portanto, não há necessidade de equipamento de propulsão em uma espaçonave mais simples. Mas muitos deles precisam de um empuxo controlado em seu sistema, então seu projeto inclui alguma forma de propulsão medida (um sistema de propulsão que pode ser ligado e desligado em pequenos incrementos). O empuxo é usado para os seguintes propósitos: para alterar os parâmetros orbitais, para controlar a atitude durante o empuxo, corrigir erros de velocidade, manobra, forças de contra-perturbação (por exemplo, arrasto) e controlar e corrigir o momento angular. O subsistema de propulsão inclui um propulsor, tanque, sistema de distribuição, controles de pressão e propulsor.

Um exemplo de arquitetura de meados da década de 2010 de uma missão de voo espacial humano a Marte, conforme previsto pela agência espacial dos Estados Unidos, NASA.

Arquitetura da missão espacial

O projeto da nave espacial é sempre informado pela arquitetura da missão particular do voo espacial em consideração. Normalmente, uma variedade de arquiteturas de missão pode ser imaginada para atingir o objetivo geral do voo, sejam esses objetivos coletar dados científicos ou simplesmente transportar carga pelo ambiente espacial para atender a qualquer variedade de propósitos, governamentais ou econômicos. ^[1]

As arquiteturas de missão de voo espacial especificarão se uma espaçonave deve ser autônoma ou telerrobótica , ou mesmo tripulada para lidar com exigências ou objetivos específicos da missão. Outras considerações incluem trajetórias rápidas ou lentas, composição e capacidade de carga útil, duração da missão ou o nível de redundância do sistema para que o voo possa atingir vários graus de tolerância a falhas . ^[1]

Referências

• "Velas solares voam da ficção científica para a realidade" . Mecânica Popular .