Aerobot - Aerobot
Um aerobot é um robô aéreo , geralmente usado no contexto de uma sonda espacial não tripulada ou veículo aéreo não tripulado .
Embora o trabalho tenha sido feito desde 1960 em robôs " rovers " para explorar a Lua e outros mundos no sistema solar , essas máquinas têm limitações. Eles tendem a ser caros e têm alcance limitado e, devido aos atrasos no tempo de comunicação nas distâncias interplanetárias, eles precisam ser inteligentes o suficiente para navegar sem se desabilitar.
Para planetas com atmosferas de qualquer substância, entretanto, há uma alternativa: um robô voador autônomo, ou "aerobot". A maioria dos conceitos de aerobô é baseada em aeróstatos , principalmente balões , mas ocasionalmente aeronaves . Voando acima de obstruções nos ventos, um balão poderia explorar grandes regiões de um planeta em detalhes por um custo relativamente baixo. Aviões para exploração planetária também foram propostos.
Noções básicas de balões
Embora a ideia de enviar um balão para outro planeta pareça estranha no início, os balões têm uma série de vantagens para a exploração planetária. Eles podem ser leves e são potencialmente relativamente baratos. Eles podem cobrir uma grande quantidade de solo, e sua visão de uma altura lhes dá a capacidade de examinar amplas faixas de terreno com muito mais detalhes do que seria possível em um satélite em órbita . Para missões exploratórias, sua relativa falta de controle direcional não é um grande obstáculo, pois geralmente não há necessidade de direcioná-los para um local específico.
Projetos de balões para possíveis missões planetárias envolveram alguns conceitos incomuns. Um é o Montgolfiere solar ou infravermelho (IR) . Este é um balão de ar quente em que o envelope é feito de um material que retém o calor da luz solar ou do calor irradiado de uma superfície planetária. O preto é a melhor cor para absorver o calor, mas outros fatores estão envolvidos e o material pode não ser necessariamente preto.
Os Montgolfieres solares têm várias vantagens para a exploração planetária, pois podem ser mais fáceis de implantar do que um balão de gás leve, não requerem necessariamente um tanque de gás leve para inflar e são relativamente tolerantes com pequenos vazamentos. Eles têm a desvantagem de estarem no ar apenas durante o dia.
O outro é um balão de "fluido reversível". Esse tipo de balão consiste em um envelope conectado a um reservatório, sendo que o reservatório contém um fluido que é facilmente vaporizado . O balão pode ser elevado pela vaporização do fluido em gás e pode ser feito afundar condensando o gás de volta ao fluido. Existem várias maneiras diferentes de implementar este esquema, mas o princípio físico é o mesmo em todos os casos.
Um balão projetado para exploração planetária carregará uma pequena gôndola contendo uma carga útil de instrumento. A gôndola também carregará subsistemas de energia, controle e comunicações. Devido às restrições de peso e fonte de alimentação, o subsistema de comunicação geralmente será pequeno e de baixa potência, e as comunicações interplanetárias serão realizadas por meio de uma sonda planetária orbital atuando como um relé.
Um Montgolfiere solar afundará à noite e terá uma corda-guia presa ao fundo da gôndola que se enrolará no solo e ancorará o balão durante as horas de escuridão. O cabo-guia será feito de materiais de baixo atrito para evitar que prenda ou se enrosque nas características do solo.
Alternativamente, um balão pode carregar uma "cobra" instrumentada mais espessa no lugar da gôndola e do guiderope, combinando as funções dos dois. Este é um esquema conveniente para fazer medições diretas de superfície.
Um balão também pode ser ancorado para ficar em um lugar para fazer observações atmosféricas. Esse balão estático é conhecido como " aeróstato ".
Um dos aspectos mais complicados das operações com balões planetários é colocá-los em operação. Normalmente, o balão entra na atmosfera planetária em um "aeroshell", um escudo térmico na forma de um cone achatado. Após a entrada atmosférica , um pára - quedas extrairá o conjunto do balão do aeroshell, que se desprenderá. O conjunto do balão então se desdobra e infla.
Uma vez operacional, o aerobô estará em grande parte por conta própria e terá que conduzir sua missão de forma autônoma, aceitando apenas comandos gerais sobre sua longa ligação com a Terra. O aerobô terá que navegar em três dimensões, adquirir e armazenar dados científicos, realizar o controle de voo variando sua altitude e, possivelmente, fazer pousos em locais específicos para fornecer uma investigação de perto.
Os balões Venus Vega
A primeira, e até agora única, missão de balão planetário foi realizada pelo Instituto de Pesquisa Espacial da Academia Soviética de Ciências em cooperação com a agência espacial francesa CNES em 1985. Um pequeno balão, semelhante em aparência aos balões meteorológicos terrestres , era carregado em cada um das duas sondas soviéticas Vega Venus , lançadas em 1984.
O primeiro balão foi inserido na atmosfera de Vênus em 11 de junho de 1985, seguido pelo segundo balão em 15 de junho de 1985. O primeiro balão falhou depois de apenas 56 minutos, mas o segundo operou por pouco menos de dois dias terrestres até que suas baterias se esgotaram .
Os balões Venus Vega foram ideia de Jacques Blamont , cientista-chefe do CNES e pai da exploração de balões planetários. Ele promoveu energicamente o conceito e conseguiu apoio internacional para o pequeno projeto.
Os resultados científicos das sondas Venus VEGA foram modestos. Mais importante, o experimento simples e inteligente demonstrou a validade do uso de balões para exploração planetária.
O esforço do aerobô de Marte
Após o sucesso dos balões Venus VEGA, Blamont se concentrou em uma missão de balão mais ambiciosa a Marte, a ser transportada em uma sonda espacial soviética.
A pressão atmosférica em Marte é cerca de 150 vezes menor que a da Terra. Em uma atmosfera tão fina, um balão com um volume de 5.000 a 10.000 metros cúbicos (178.500 a 357.000 pés cúbicos) poderia carregar uma carga útil de 20 quilogramas (44 libras), enquanto um balão com um volume de 100.000 metros cúbicos (3.600.000 pés cúbicos) ) poderia transportar 200 quilogramas (440 libras).
Os franceses já haviam realizado experimentos extensivos com Montgolfieres solares, realizando mais de 30 voos do final da década de 1970 até o início da década de 1990. O Montgolfieres voou a uma altitude de 35 quilômetros, onde a atmosfera era tão fina e fria como seria em Marte, e um deles passou 69 dias no ar, circulando a Terra duas vezes.
Os primeiros conceitos para o balão de Marte apresentavam um sistema de "balão duplo", com um balão selado de hidrogênio ou hélio amarrado a um Montgolfiere solar. O balão de gás leve foi projetado para manter o Montgolfiere fora do solo à noite. Durante o dia, o Sol aquecia o Montgolfiere, fazendo com que a montagem do balão subisse.
Eventualmente, o grupo decidiu por um balão de hélio selado cilíndrico feito de filme PET aluminizado , e com um volume de 5.500 metros cúbicos (196.000 pés cúbicos). O balão subia quando aquecido durante o dia e afundava quando esfriava à noite.
A massa total do conjunto do balão era de 65 kg (143 libras), com uma gôndola de 15 kg (33 libras) e uma guiderope instrumentada de 13,5 kg (30 libras). O balão deveria operar por dez dias. Infelizmente, embora um considerável trabalho de desenvolvimento tenha sido executado no balão e seus subsistemas, as dificuldades financeiras russas empurraram a sonda Marte para fora de 1992, depois para 1994 e depois para 1996. O balão Marte foi retirado do projeto devido ao custo.
Experimentos JPL aerobot
Nessa época, o Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos (NASA) se interessou pela ideia de aerobôs planetários e, na verdade, uma equipe comandada por Jim Cutts do JPL estava trabalhando em conceitos para aerobôs planetários por vários anos, além de realizar experimentos para validar a tecnologia de aerobot.
Os primeiros desses experimentos focaram em uma série de balões de fluido reversível, sob o nome de projeto ALICE, para "Experimento de Controle de Altitude". O primeiro desses balões, ALICE 1, voou em 1993, com outros voos através do ALICE 8 em 1997.
Trabalhos relacionados incluíram a caracterização de materiais para um envelope de balão de Vênus e dois voos de balão em 1996 para testar cargas úteis de instrumentos sob o nome BARBE, para "Balloon Assisted Radiation Budget Equipment".
Em 1996, o JPL estava trabalhando em um experimento completo de aerobô chamado PAT, para "Planetary Aerobot Testbed", que pretendia demonstrar um aerobot planetário completo por meio de voos na atmosfera da Terra. Os conceitos do PAT previam um balão de fluido reversível com uma carga útil de 10 quilogramas que incluiria sistemas de navegação e câmera e, eventualmente, operaria sob controle autônomo. O projeto revelou-se muito ambicioso e foi cancelado em 1997. O JPL continuou a trabalhar em experimentos mais focados e de baixo custo para levar a um aerobô de Marte, sob o nome de MABVAP, para "Programa de Validação de Aerobô de Marte". Os experimentos MABVAP incluíram sistemas de queda de balões de balões de ar quente e helicópteros para validar a fase de implantação complicada de uma missão aerobot planetária e desenvolvimento de envelopes para balões de superpressão com materiais e estruturas adequadas para uma missão de longa duração a Marte.
O JPL também forneceu um conjunto de sensores atmosféricos e de navegação para voos de balão tripulado ao redor do mundo da Solo Spirit, tanto para apoiar as missões de balão quanto para validar tecnologias para aerobôs planetários.
Embora estes testes e experiências foram acontecendo, JPL realizada uma série de estudos especulativos para missões aerobot planetários para Marte , Vénus , Saturn lua de Titan , e os planetas exteriores .
Marte
Os experimentos da tecnologia MABVAP do JPL tinham como objetivo conduzir a uma missão real de aerobô a Marte, chamada MABTEX, para "Mars Aerobot Technology Experiment". Como o próprio nome indica, MABTEX foi planejado principalmente para ser um experimento de tecnologia operacional como um precursor de esforços mais ambiciosos. O MABTEX foi concebido como um pequeno balão de superpressão , levado a Marte em uma "microssonda" pesando não mais do que 40 quilogramas (88 lb). Uma vez inserido, o balão operacional teria uma massa total de no máximo 10 kg (22 lb) e permaneceria operacional por uma semana. A pequena gôndola teria eletrônica de navegação e controle, além de sistema de imagem estéreo , espectrômetro e magnetômetro .
Os planos previam uma continuação do MABTEX como um aerobô muito mais sofisticado chamado MGA, para "Mars Geoscience Aerobot". Os conceitos de design para a MGA previram um sistema de balão de superpressão muito parecido com o da MABTEX, mas muito maior. O MGA carregaria uma carga dez vezes maior do que o MABTEX e permaneceria no ar por até três meses, circulando Marte mais de 25 vezes e cobrindo mais de 500.000 quilômetros (310.000 mi). A carga útil incluiria equipamentos sofisticados, como um gerador de imagens estéreo de resolução ultra-alta, junto com recursos de imagem oblíqua; uma sonda de radar para procurar água subterrânea ; um sistema de espectroscopia de infravermelho para pesquisa de minerais importantes; um magnetômetro; e instrumentos meteorológicos e atmosféricos. MABTEX pode ser seguido por um pequeno dirigível movido a energia solar chamado MASEPA, para "Mars Solar Electric Propelled Aerobot".
Vênus
O JPL também realizou estudos semelhantes em aerobôs de Vênus. Um Venus Aerobot Technology Experiment (VEBTEX) foi considerado um experimento de validação de tecnologia, mas o foco parece ter sido mais em missões operacionais completas. Um conceito de missão, o Venus Aerobot Multisonde (VAMS), prevê um aerobot operando em altitudes acima de 50 quilômetros (31 mi) que lançaria sondas de superfície, ou "sondas", em alvos de superfície específicos. O balão então retransmitiria informações das sondas diretamente para a Terra e também coletaria dados do campo magnético planetário e outras informações. O VAMS não exigiria nenhuma tecnologia fundamentalmente nova e pode ser apropriado para uma missão de ciência planetária Discovery de baixo custo da NASA .
Um trabalho significativo foi realizado em um conceito mais ambicioso, o Venus Geoscience Aerobot (VGA). Os projetos para o VGA prevêem um balão de fluido reversível relativamente grande, cheio de hélio e água, que poderia descer à superfície de Vênus para amostrar locais da superfície e, em seguida, subir novamente a grandes altitudes e esfriar.
O desenvolvimento de um aerobô que pode suportar as altas pressões e temperaturas (até 480 graus Celsius ou quase 900 graus Fahrenheit) na superfície de Vênus, bem como a passagem por nuvens de ácido sulfúrico, exigirá novas tecnologias. Em 2002, não se esperava que o VGA estivesse pronto até o final da década seguinte. Os protótipos de envelopes de balão foram fabricados em polibenzoxazol , um polímero que apresenta alta resistência, resistência ao calor e baixo vazamento para gases leves. Um revestimento de ouro é aplicado para permitir que o filme de polímero resista à corrosão de nuvens ácidas.
O trabalho também foi feito em uma gôndola VGA pesando cerca de 30 kg (66 lb). Neste projeto, a maioria dos instrumentos está contida em um vaso de pressão esférico com uma casca externa de titânio e uma casca interna de aço inoxidável . A embarcação contém uma câmera de estado sólido e outros instrumentos, bem como sistemas de comunicação e controle de vôo. O navio é projetado para tolerar pressões de até cem atmosferas e manter as temperaturas internas abaixo de 30 ° C (86 ° F), mesmo na superfície de Vênus. O recipiente é colocado no fundo de uma "cesta" hexagonal de painéis solares que, por sua vez, fornecem conexões de amarração para o sistema de balão acima, e é cercado por um anel de tubos que atua como um trocador de calor. Uma antena de comunicação de banda S é montada na borda da cesta, e uma antena de radar para estudos de superfície se estende para fora da embarcação em um mastro.
A Venus Atmospheric Maneuverable Platform (VAMP) é um conceito de missão das empresas aeroespaciais Northrop Grumman e LGarde para uma aeronave inflável motorizada, de longa duração e semi-flutuante que exploraria a atmosfera superior de Vênus para bioassinaturas , bem como para realizar medições atmosféricas.
Em abril de 2021, foi relatado que a NASA alocou trabalho para projetar e testar balões robóticos para futura exploração de Vênus .
Titã
Titã , a maior lua de Saturno , é um alvo atraente para a exploração de aerobôs, pois tem uma atmosfera de nitrogênio cinco vezes mais densa que a da Terra, que contém uma névoa de fotoquímicos orgânicos, escondendo a superfície da lua da vista por sensores visuais. Um aerobô seria capaz de penetrar nesta névoa para estudar a misteriosa superfície da lua e procurar por moléculas orgânicas complexas. A NASA descreveu uma série de diferentes conceitos de missão de aerobô para Titan, sob o nome geral de Titan Biologic Explorer.
Um conceito, conhecido como missão Titan Aerobot Multisite, envolve um balão de fluido reversível cheio de argônio que poderia descer de grandes altitudes até a superfície da lua, realizar medições e, em seguida, subir novamente a grandes altitudes para realizar medições e mover-se para um site diferente. Outro conceito, a missão Titan Aerobot Singlesite, usaria um balão de superpressão que selecionaria um único local, liberaria grande parte de seu gás e, então, inspecionaria aquele local em detalhes.
Uma variação engenhosa deste esquema, o Titan Aerover, combina aerobot e rover. Este veículo possui uma estrutura triangular que conecta três balões, cada um com cerca de dois metros (6,6 pés) de diâmetro. Após a entrada na atmosfera de Titã, o aerador flutuaria até encontrar um local interessante, então liberaria o hélio para descer à superfície. Os três balões serviriam então como flutuadores ou rodas, conforme necessário. O JPL construiu um protótipo simples que se parece com três bolas de praia em uma estrutura tubular.
Não importa a forma que a missão Titan Biologic Explorer assuma, o sistema provavelmente exigirá um módulo gerador termoelétrico de radioisótopo atômico para energia. A energia solar não seria possível à distância de Saturno e sob a poluição de Titã, e as baterias não dariam a duração de missão adequada. O aerobô também carregaria um laboratório químico miniaturizado para procurar produtos químicos orgânicos complicados.
Fora do JPL, outros estudos de missão de conceitos de aerobô Titan incluíram estudos de dirigíveis pelo MIT e NASA Glenn, e um avião Titan proposto pela NASA Ames.
Júpiter
Finalmente, os aerobôs podem ser usados para explorar a atmosfera de Júpiter e possivelmente os outros planetas gasosos externos . Como a atmosfera desses planetas é composta em grande parte de hidrogênio, e como não há gás mais leve que o hidrogênio, esse aerobô teria que ser um Montgolfiere . Como a luz do sol é fraca nessas distâncias, o aerobô obteria a maior parte de seu aquecimento da energia infravermelha irradiada pelo planeta abaixo.
Um aerobô de Júpiter pode operar em altitudes onde a pressão do ar varia de uma a dez atmosferas, ocasionalmente caindo mais para estudos detalhados. Ele faria medições atmosféricas e retornaria imagens e sensoriamento remoto de fenômenos meteorológicos, como a Grande Mancha Vermelha de Júpiter . Um aerobô de Júpiter também pode lançar sondas nas profundezas da atmosfera e retransmitir seus dados para um orbitador até que as sondas sejam destruídas pela temperatura e pressão.
Aeronave planetária
Conceitos de aviões alados foram propostos para exploração robótica na atmosfera de Marte, Vênus, Titã e até mesmo Júpiter.
Os principais desafios técnicos de voar em Marte incluem:
- Compreender e modelar o baixo número de Reynolds e a aerodinâmica do alto número de Mach subsônico
- Construir projetos de fuselagem e aeroestruturas apropriados, muitas vezes não convencionais
- Dominar a dinâmica de implantação de um aeroshell de veículo de entrada descendente
- Integrar um subsistema de propulsão sem respiração aérea no sistema.
Um conceito de aeronave, o ARES foi selecionado para um estudo de projeto detalhado como um dos quatro finalistas para a oportunidade do Programa Mars Scout 2007 , mas acabou não sendo selecionado em favor da missão Phoenix . No estudo de projeto, as aeronaves em escala real e em meia escala foram testadas nas condições atmosféricas de Marte. (Veja também o avião de Marte .)
Helicóptero planetário
Em 2002, um artigo foi publicado sugerindo helicópteros robóticos autônomos para exploração de Marte, possíveis para o Programa de Escotismo de Marte . Uma série de vantagens de um projeto de helicóptero viável foi observada, incluindo a capacidade de passar sobre o terreno difícil de Marte e ainda visitar vários locais in situ . O salto curto feito pelo Lunar Surveyor 6 em 1967 foi apontado como um exemplo de salto para visitar outro local.
Ingenuidade , parte da NASA 's Mars 2020 missão, é um helicóptero robótico que demonstrou o primeiro vôo de helicópteros na atmosfera de Marte. A aeronave foi desdobrada do rover Perseverance e voou cinco vezes durante sua campanha de teste de 30 dias no início da missão. Cada vôo levará no máximo 110 segundos, em altitudes que variam de 3 a 10 metros (10 a 33 pés) do solo, e percorrem uma distância máxima de até 266 m (873 pés) por vôo. Usava controle autônomo e se comunicava com o Perseverance diretamente após cada pouso. Ele conseguiu o primeiro vôo motorizado em outro planeta.