Nave robótica - Robotic spacecraft

Uma interpretação artística da espaçonave MESSENGER em Mercúrio

Uma espaçonave robótica é uma espaçonave sem rosca , geralmente sob controle telerobótico . Uma espaçonave robótica projetada para fazer medições em pesquisas científicas é freqüentemente chamada de sonda espacial . Muitas missões espaciais são mais adequadas para operação telerobótica do que tripulada , devido ao custo mais baixo e fatores de risco mais baixos. Além disso, alguns destinos planetários como Vênus ou os arredores de Júpiter são muito hostis para a sobrevivência humana, dada a tecnologia atual. Planetas externos como Saturno , Urano e Netuno estão muito distantes para serem alcançados com a atual tecnologia de espaçonaves tripuladas, então as sondas telerobóticas são a única maneira de explorá-los.

Muitos satélites artificiais são espaçonaves robóticas, assim como muitos landers e rovers .

História

Uma réplica do Sputnik 1 no Museu Nacional do Ar e Espaço dos EUA
Uma réplica do Explorer 1

A primeira espaçonave robótica foi lançada pela União Soviética (URSS) em 22 de julho de 1951, um voo suborbital que transportava dois cães Dezik e Tsygan. Quatro outros voos semelhantes foram feitos até o outono de 1951.

O primeiro satélite artificial , Sputnik 1 , foi colocado em uma órbita terrestre de 215 por 939 quilômetros (116 por 507 nm) pela URSS em 4 de outubro de 1957. Em 3 de novembro de 1957, a URSS orbitou o Sputnik 2 . Pesando 113 kg (249 lb), o Sputnik 2 carregou o primeiro animal vivo em órbita, a cadela Laika . Como o satélite não foi projetado para se desprender do estágio superior de seu veículo de lançamento , a massa total em órbita era de 508,3 kg (1.121 lb).

Em uma disputa acirrada com os soviéticos , os Estados Unidos lançaram seu primeiro satélite artificial, o Explorer 1 , em uma órbita de 193 por 1.373 milhas náuticas (357 por 2.543 km) em 31 de janeiro de 1958. O Explorer I tinha 80,75 polegadas (205,1 cm) de comprimento por cilindro de 6,00 polegadas (15,2 cm) de diâmetro pesando 30,8 libras (14,0 kg), em comparação com o Sputnik 1, uma esfera de 58 centímetros (23 pol.) Que pesava 83,6 quilogramas (184 lb). O Explorer 1 carregava sensores que confirmavam a existência dos cinturões de Van Allen, uma grande descoberta científica na época, enquanto o Sputnik 1 não carregava sensores científicos. Em 17 de março de 1958, os EUA orbitaram seu segundo satélite, Vanguard 1 , que era do tamanho de uma toranja, e permanece em uma órbita de 360 ​​por 2.080 milhas náuticas (670 por 3.850 km) em 2016.

Nove outros países lançaram satélites com sucesso usando seus próprios veículos de lançamento: França (1965), Japão e China (1970), Reino Unido (1971), Índia (1980), Israel (1988), Irã (2009), Coreia do Norte ( 2012) e Nova Zelândia (2018).

Projeto

No projeto de espaçonaves, a Força Aérea dos Estados Unidos considera um veículo composto pela carga útil da missão e o ônibus (ou plataforma). O ônibus oferece estrutura física, controle térmico, energia elétrica, controle de atitude e telemetria, rastreamento e comando.

O JPL divide o "sistema de vôo" de uma espaçonave em subsistemas. Esses incluem:

Estrutura

Uma ilustração da nave espacial Orion planejada da NASA se aproximando de um veículo robótico de captura de asteróide

Esta é a estrutura física do backbone. Isto:

  • fornece integridade mecânica geral da espaçonave
  • garante que os componentes da espaçonave sejam suportados e possam suportar cargas de lançamento

Tratamento de dados

Isso às vezes é chamado de subsistema de comando e dados. Muitas vezes é responsável por:

  • armazenamento de sequência de comando
  • manter o relógio da nave espacial
  • coletar e relatar dados de telemetria de espaçonaves (por exemplo, saúde da espaçonave)
  • coletar e relatar dados da missão (por exemplo, imagens fotográficas)

Determinação e controle de atitude

Este sistema é o principal responsável pela orientação correta da espaçonave no espaço (atitude), apesar dos efeitos de gradiente de gravidade de perturbação externa, torques de campo magnético, radiação solar e arrasto aerodinâmico; além disso, pode ser necessário reposicionar peças móveis, como antenas e painéis solares.

Aterragem em terreno perigoso

Em missões de exploração planetária envolvendo espaçonaves robóticas, existem três partes principais nos processos de pouso na superfície do planeta para garantir um pouso seguro e bem-sucedido. Este processo inclui uma entrada no campo gravitacional planetário e na atmosfera, uma descida através dessa atmosfera em direção a uma região pretendida / visada de valor científico e um pouso seguro que garante a integridade da instrumentação na nave é preservada. Enquanto a espaçonave robótica está passando por essas partes, ela também deve ser capaz de estimar sua posição em comparação com a superfície para garantir um controle confiável de si mesma e sua capacidade de manobrar bem. A espaçonave robótica também deve realizar avaliações de perigo e ajustes de trajetória de maneira eficiente em tempo real para evitar perigos. Para conseguir isso, a espaçonave robótica requer conhecimento preciso de onde a espaçonave está localizada em relação à superfície (localização), o que pode representar perigos do terreno (avaliação de risco) e para onde a espaçonave deve ser dirigida no momento (prevenção de risco). Sem a capacidade de operações de localização, avaliação de perigo e prevenção, a espaçonave robótica torna-se insegura e pode facilmente entrar em situações perigosas, como colisões de superfície, níveis de consumo de combustível indesejáveis ​​e / ou manobras inseguras.

Entrada, descida e pouso

O sensoriamento integrado incorpora um algoritmo de transformação de imagem para interpretar os dados de terreno de imagens imediatas, realizar uma detecção em tempo real e evitar os perigos do terreno que podem impedir o pouso seguro e aumentar a precisão do pouso em um local de interesse desejado usando técnicas de localização de pontos de referência. O sensoriamento integrado completa essas tarefas, baseando-se em informações pré-gravadas e câmeras para entender sua localização e determinar sua posição e se está correta ou precisa fazer alguma correção (localização). As câmeras também são usadas para detectar qualquer perigo possível, seja o aumento do consumo de combustível ou um perigo físico, como um local de pouso ruim em uma cratera ou penhasco que tornaria o pouso muito não ideal (avaliação de risco).

Telecomunicações

Os componentes do subsistema de telecomunicações incluem antenas de rádio, transmissores e receptores. Eles podem ser usados ​​para se comunicar com estações terrestres na Terra ou com outras espaçonaves.

Energia elétrica

O fornecimento de energia elétrica em espaçonaves geralmente vem de células fotovoltaicas (solares) ou de um gerador termoelétrico de radioisótopo . Outros componentes do subsistema incluem baterias para armazenamento de energia e circuitos de distribuição que conectam os componentes às fontes de energia.

Controle de temperatura e proteção do meio ambiente

As naves espaciais são freqüentemente protegidas das flutuações de temperatura com isolamento. Algumas espaçonaves usam espelhos e guarda-sóis para proteção adicional do aquecimento solar. Freqüentemente, eles também precisam de proteção contra micrometeoróides e detritos orbitais.

Propulsão

A propulsão de uma espaçonave é um método que permite que uma espaçonave viaje através do espaço, gerando impulso para empurrá-la para frente. No entanto, não existe um sistema de propulsão usado universalmente: monopropelente, bipropelente, propulsão iônica, etc. Cada sistema de propulsão gera empuxo de maneiras ligeiramente diferentes, com cada sistema tendo suas próprias vantagens e desvantagens. Mas, a maior parte da propulsão de naves espaciais hoje é baseada em motores de foguetes . A ideia geral por trás dos motores de foguete é que, quando um oxidante encontra a fonte de combustível, há uma liberação explosiva de energia e calor em altas velocidades, o que impulsiona a espaçonave para a frente. Isso ocorre devido a um princípio básico conhecido como Terceira Lei de Newton . De acordo com Newton, "para cada ação há uma reação igual e oposta". À medida que a energia e o calor são liberados da parte de trás da espaçonave, partículas de gás são empurradas para permitir que a espaçonave avance. A principal razão por trás do uso do motor de foguete hoje é porque os foguetes são a forma mais poderosa de propulsão que existe.

Monopropelente

Para que um sistema de propulsão funcione, geralmente há uma linha de oxidante e uma linha de combustível. Dessa forma, a propulsão da espaçonave é controlada. Mas em uma propulsão monopropelente, não há necessidade de uma linha de oxidante e requer apenas a linha de combustível. Isso funciona porque o oxidante está quimicamente ligado à própria molécula do combustível. Mas para que o sistema de propulsão seja controlado, a combustão do combustível só pode ocorrer devido à presença de um catalisador . Isso é bastante vantajoso porque torna o motor de foguete mais leve e barato, fácil de controlar e mais confiável. Mas, a queda é que o produto químico é muito perigoso para fabricar, armazenar e transportar.

Bipropelente

Um sistema de propulsão bipropelente é um motor de foguete que usa um propelente líquido. Isso significa que o oxidante e a linha de combustível estão no estado líquido. Este sistema é único porque não requer sistema de ignição, os dois líquidos entrariam em combustão espontânea assim que entrassem em contato um com o outro e produziria a propulsão para empurrar a espaçonave para a frente. O principal benefício de se ter essa tecnologia é que esses tipos de líquidos têm densidade relativamente alta, o que permite que o volume do tanque propelente seja pequeno, aumentando a eficácia espacial. A desvantagem é a mesma do sistema de propulsão monopropelente: muito perigoso de fabricar, armazenar e transportar.

Íon

Um sistema de propulsão iônica é um tipo de motor que gera empuxo por meio de bombardeio de elétrons ou aceleração de íons. Ao disparar elétrons de alta energia para um átomo propelente (com carga neutra), ele remove elétrons do átomo propelente e isso faz com que o átomo propelente se torne um átomo com carga positiva. Os íons carregados positivamente são guiados para passar por grades carregadas positivamente que contêm milhares de orifícios alinhados precisos que funcionam em altas tensões. Então, os íons carregados positivamente alinhados aceleram através de uma grade de acelerador carregada negativa que aumenta ainda mais a velocidade dos íons até 90.000 mph. O momento desses íons carregados positivamente fornece o impulso para impulsionar a espaçonave para a frente. A vantagem de ter esse tipo de propulsão é que ela é incrivelmente eficiente em manter a velocidade constante, necessária para viagens no espaço profundo. No entanto, a quantidade de empuxo produzida é extremamente baixa e precisa de muita energia elétrica para funcionar.

Dispositivos mecânicos

Os componentes mecânicos geralmente precisam ser movidos para implantação após o lançamento ou antes do pouso. Além do uso de motores, muitos movimentos únicos são controlados por dispositivos pirotécnicos .

Nave espacial robótica vs. sem rosca

As naves espaciais robóticas são sistemas projetados especificamente para um ambiente hostil específico. Devido às suas especificações para um ambiente específico, ele varia muito em complexidade e recursos. Enquanto uma espaçonave desenroscada é uma espaçonave sem pessoal ou tripulação e é operada por controle automático (prossegue com uma ação sem intervenção humana) ou controle remoto (com intervenção humana). O termo 'espaçonave desenroscada' não implica que a espaçonave seja robótica.

Ao controle

As espaçonaves robóticas usam a telemetria para transmitir por rádio os dados adquiridos da Terra e as informações sobre o status do veículo. Embora geralmente referida como "controlada remotamente" ou "telerobótica", as primeiras espaçonaves orbitais - como o Sputnik 1 e o Explorer 1 - não receberam sinais de controle da Terra. Logo após essas primeiras espaçonaves, sistemas de comando foram desenvolvidos para permitir o controle remoto do solo. Maior autonomia é importante para sondas distantes, onde o tempo de viagem da luz impede a decisão rápida e o controle da Terra. Sondas mais novas como Cassini – Huygens e os Mars Exploration Rovers são altamente autônomas e usam computadores de bordo para operar independentemente por longos períodos de tempo.

Sondas espaciais

Uma sonda espacial é uma espaçonave robótica que não orbita a Terra, mas, em vez disso, explora o espaço sideral. [1] Uma sonda espacial pode se aproximar da Lua; viajar através do espaço interplanetário; sobrevôo, órbita ou aterrissagem em outros corpos planetários; ou entrar no espaço interestelar.

SpaceX Dragon

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Um exemplo de espaçonave totalmente robótica no mundo moderno seria SpaceX Dragon. O SpaceX Dragon era uma espaçonave robótica projetada para enviar 6.000 kg (13.000 lb) de carga para a Estação Espacial Internacional . A altura total do SpaceX Dragon era de 7,2 m (24 pés) com um diâmetro de 3,7 m (12 pés). A massa máxima da carga útil de lançamento foi de 6.000 kg (13.000 lb) com uma massa máxima de retorno de 3.000 kg (6.600 lb), juntamente com um volume máximo de carga útil de lançamento de 25 m 3 (880 pés cúbicos) e um volume máximo de carga útil de retorno de 11 m 3 (390 pés cúbicos). A resistência máxima do Dragão no espaço foi de dois anos.

Em 2012, o SpaceX Dragon fez história ao se tornar a primeira espaçonave robótica comercial a entregar carga à Estação Espacial Internacional e a devolver a carga com segurança à Terra na mesma viagem, algo que antes era alcançado apenas por governos. Desde então, realizou 22 voos cargueiros, sendo que seu último voo foi o SpaceX CRS-20 . A nave espacial Dragon está sendo substituída pela variante de carga do SpaceX Dragon 2 a partir de 2020.

Veículos de serviço de espaçonaves robóticas

AERCam Sprint lançado da baía de carga útil do ônibus espacial Columbia
  • Veículo de extensão de missão é uma abordagem alternativa que não utiliza a transferência de combustível RCS no espaço . Em vez disso, ele se conectaria ao satélite alvo da mesma maneira que o MDA SIS, e então usaria "seus próprios propulsores para fornecer controle de atitude para o alvo".
  • OSAM-1 é a missão de teste de engenharia de manutenção, montagem e fabricação da NASA. O veículo tem duas cargas úteis robóticas com um total de três braços de robô e executa várias tarefas: reabastecer um satélite de Observação da Terra mais antigo ( Landsat 7 ), construir uma antena de comunicação a partir de segmentos e fabricar uma viga estrutural.

Veja também

Referências

links externos