BR112020010890A2 - método de lançamento de satélites artificiais na órbita da terra - Google Patents
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Abstract
A invenção se refere a um método de lançamento de satélites artificiais na órbita da Terra compreendendo a provisão de um veículo espacial para transporte orbital (1) capaz de se mover em altitude orbital e compreendendo uma área de carga (12a), preensão de uma pluralidade de satélites (12) na dita área de carga (12a), alojamento do dito veículo espacial para transporte orbital em um lançador espacial (100) configurado para atingir uma altitude orbital, lançamento do dito veículo espacial para transporte orbital (1) em altitude orbital, quando o dito lançador espacial
(100) atinge altitude orbital, ao transmitir um impulso de separação ao dito veículo espacial para transporte orbital (1), lançando satélites (12) em sequência a partir da área de carga (12a). O lançamento de cada satélite (12) a partir da área de carga (12a) ocorre em uma respectiva direção
predeterminada e após o veículo espacial para transporte orbital (1) ter atingido uma respectiva posição predeterminada.
Description
[001] A presente invenção se refere a um método de lançamento de satélites artificiais na órbita da Terra, preferencialmente de pequenos satélites ou nanossatélites.
[002] Na última década, a evolução tecnológica levou à rápida obsolescência tecnológica de dispositivos de consumo e tempos de rotatividade tecnológica da ordem de alguns anos. Nesse sentido, pode-se considerar o setor de telefonia móvel como um exemplo.
[003] No setor de satélites espaciais artificiais, o desenvolvimento tecnológico, pelo contrário, tende a avançar em um ritmo muito lento, contando com a capacidade de os satélites artificiais durarem muito tempo, mais de 15 anos em alguns casos. Os custos para acessar este setor espacial podem ser, portanto, sustentados apenas pelas agências governamentais e por algumas grandes empresas, as únicas capazes de suportar os enormes custos de desenvolvimento de satélites artificiais e de sua colocação em vigor.
[004] No entanto, as necessidades de pesquisa científica de centros e universidades de pesquisas levaram a novas tentativas de usar o espaço por meio de satélites extremamente pequenos, que podem ser construídos a um custo relativamente baixo usando a tecnologia eletrônica miniaturizada disponível no mercado livre.
[005] Nesse sentido, a partir de 1999, as universidades Cal Poly e Stanford começaram a desenvolver e propor como um padrão um novo satélite, denominado “Cubesat” devido à sua forma cúbica particular, de tamanho 10x10x10 cm.
Este tipo de satélite (que corresponde à definição convencional de pequeno satélite, e mais especificamente nanossatélite) é um satélite modular e permite acomodar todos os subsistemas típicos de um satélite grande, abdicando, no entanto, do desempenho dos satélites maiores e mais caros.
[006] Os pequenos satélites e nanossatélites, e em particular sua versão padronizada no formato CubeSat, tornaram-se muito popular e inicialmente usados principalmente pelas universidades para permitir que estudantes e pesquisadores enviem componentes e projetos de pesquisas para o espaço.
[007] No entanto, os satélites deste tipo foram rapidamente valorizados para fins comerciais, e um número crescente de empresas privadas intuiu o valor de ser capaz de lançar constelações de CubeSats para prestar serviços na Terra, mitigando os baixos níveis intrínsecos de desempenho destes satélites com seu número elevado em órbita (até várias centenas de amostras) e com seu voo em formação ou constelação.
[008] Apesar de nos últimos 60 anos aproximadamente 6.000 satélites artificiais terem sido lançados, atualmente centenas de novas empresas privadas, apoiadas pelo capital privado, são criadas e esperam lançar mais de 23.000 satélites artificiais nos próximos 5 a 10 anos.
[009] Os CubeSats são transportados para o espaço como qualquer outro satélite de classe superior com um veículo de lançamento espacial. No entanto, seu pequeno tamanho torna seu lançamento dedicado não rentável; por este motivo, eles são sempre colocados em órbita como carga útil secundária de outros satélites maiores. Um lançador geralmente é vendido por 60 a 100 milhões de dólares, por isso é difícil para uma um pequeno satélite, custando geralmente menos de um milhão de Euro, ter acesso a uma capacidade de lançamento dedicada.
[010] Portanto, os operadores destes pequenos satélites pegaram “carona” para a órbita junto a satélites maiores, a um custo de algumas centenas de milhares de dólares, aceitando a incapacidade de escolher quando lançar, ou quando lançá-los em órbita. Estas decisões são de prerrogativa exclusiva do satélite principal, para o qual a maior parte do custo do lançador é paga.
[011] Os CubeSats geralmente são lançados praticamente em uníssono logo após o lançamento do satélite principal, constituindo uma espécie de nuvem que é lentamente dispersa no espaço.
[012] Os CubeSats assim liberados levam meses para se dispersar, uma vez que só podem explorar a variação do campo gravitacional da Terra e do vento solar para mudar de posição em órbita e derivam até atingir a posição desejada.
[013] Alternativamente, os CubeSats são colocados em órbita por meio da Estação Espacial Internacional usando o módulo Kibo e um braço robótico. Usar o braço robótico possibilita ao operador escolher o momento para a extração do satélite e prover a capacidade de lançar o Cubesat com diferentes posicionamentos e força.
[014] A partir da estação espacial, também é possível usar o sistema comercial operado pela empresa Nanoracks para expelir satélites da Estação Espacial Internacional, com uma abordagem similar àquela aplicada ao afastamento dos CubeSats dos veículos lançadores.
[015] De qualquer forma, o número de satélites que pode ser lançado a partir da Estação Espacial Internacional é extremamente limitado e a órbita de lançamento é aquela da Estação Espacial, portanto, a aproximadamente 400 km de altitude e 51,54 graus de inclinação.
[016] Esse é um problema grave, já que a maioria destes pequenos satélites não possuem capacidade de propulsão a bordo.
[017] Os operadores que desejam condições de lançamento particulares para seus CubeSats têm que aguardar um longo tempo, em média de um a dois anos, antes de encontrar o lançamento com os parâmetros orbitais adequados às suas necessidades, criando incertezas e atrasos que podem prejudicar seus negócios.
[018] Além disso, quem opera as constelações de CubeSats deve garantir que seus satélites estejam tão distanciados quanto possível, para permitir uma cobertura mais eficaz da Terra e prover a seus clientes um serviço de maior qualidade. Atualmente, uma constelação de CubeSats lançados durante o mesmo lançamento leva de 6 a 10 meses para se dispersar total e uniformemente ao longo da órbita.
[019] Considerando que a durabilidade média de um CubeSat em órbita é de um ano e dificilmente pode exceder dois anos (devido à degradação gradual em direção à Terra em decorrência das forças naturais que causam sua reentrada), é facilmente evidente que gastar mais da metade da vida operacional apenas para a dispersão da constelação seja uma questão crítica de importância primária entre os operadores do CubeSat.
[020] Neste contexto, a presente invenção propõe disponibilizar um método de lançamento de satélites artificiais na órbita da Terra que solucione as questões críticas supracitadas.
[021] Em particular, a presente invenção se refere a um método de lançamento de satélites artificiais na órbita da Terra compreendendo:
[022] provisão de um veículo espacial para transporte orbital capaz de mover em altitude orbital e compreendendo uma área de carga;
[023] preensão de uma pluralidade de satélites na dita área de carga;
[024] alojamento do dito veículo espacial para transporte orbital em um lançador espacial configurado para atingir uma altitude orbital;
[025] lançamento do dito veículo espacial para transporte orbital em altitude orbital, quando o dito lançador espacial atinge a altitude orbital, ao transmitir um impulso de separação ao dito veículo espacial para transporte orbital;
[026] lançamento dos satélites a partir da área de carga em sequência;
[027] em que o lançamento de cada satélite a partir da área de carga ocorre em uma respectiva direção predeterminada e após o veículo espacial para transporte orbital ter atingido uma respectiva posição predeterminada.
[028] Preferencialmente, o posicionamento do dito veículo espacial para transporte orbital é ajustado antes do lançamento de cada satélite.
[029] Preferencialmente, cada satélite é lançado com as respectivas velocidades de separação; cada velocidade de separação sendo predeterminada de modo que o satélite lançado atinja uma posição orbital predeterminada.
[030] Preferencialmente, cada satélite é lançado em uma direção oposta àquela do movimento do veículo espacial para transporte orbital.
[031] Preferencialmente, cada satélite é lançado em uma direção oposta àquela do lançamento de um satélite lançado imediatamente antes, em que a direção de lançamento do dito satélite lançado imediatamente antes é oposta à direção de movimento do veículo espacial para transporte orbital.
[032] Preferencialmente, a preensão de uma pluralidade de satélites na dita área de carga compreende prover uma pluralidade de sistemas de lançamento e prender cada satélite a um dos ditos sistemas de lançamento.
[033] Preferencialmente, a dita pluralidade de sistemas de lançamento compreende uma pluralidade de tubos de lançamento, cada um dos quais é configurada para lançar um ou mais satélites separadamente; os ditos tubos de lançamento sendo dispostos lado a lado de modo a formar uma matriz de tubo de lançamento.
[034] Preferencialmente, os ditos satélites são lançados de acordo com um padrão de lançamento predeterminado.
[035] Preferencialmente, um sistema de propulsão para o veículo espacial para transporte orbital é ativado para posicionar o veículo espacial para transporte orbital em posições orbitais predeterminadas e subsequentes toda vez que um satélite é lançado.
[036] Preferencialmente, o veículo espacial para transporte orbital é movido em uma trajetória de entrada atmosférica após ter lançado todos os satélites.
[037] Outras características e vantagens da presente invenção ficarão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir de algumas realizações preferidas desta, em referência aos desenhos anexos e providos por meio de exemplo indicativo e não limitante. Nestes desenhos: - A Figura 1 mostra esquematicamente um lançador espacial; - A Figura 2 mostra esquematicamente um veículo espacial para transporte orbital; - A Figura 3 mostra esquematicamente um primeiro componente do veículo espacial para transporte orbital da Figura 2; - A Figura 4 mostra um detalhe do componente da Figura 3; - A Figura 5 mostra esquematicamente um segundo componente do veículo espacial para transporte orbital da Figura 2; - A Figura 6 mostra esquematicamente a disposição de nanossatélites dentro do componente da Figura 3; e - as Figuras 7 e 8 mostram dois exemplos de posicionamento orbital de satélites de acordo com a presente invenção.
[038] Na Figura 1, o número 100 indica um lançador espacial capaz de atingir uma altitude orbital em torno da Terra. O lançador espacial 100 pode ser um veículo de lançamento espacial do tipo com decolagem vertical que, da superfície terrestre, é capaz de atingir uma órbita em torno da Terra ou um veículo que, lançado de uma aeronave, é capaz de atingir uma órbita em torno da Terra.
[039] Preferencialmente, a altitude orbital atingida é uma órbita terrestre baixa (LEO), ou seja, uma órbita circular em torno da Terra a uma altitude entre a atmosfera terrestre e o cinturão de Van Allen, entre 200 km e
2000 km da superfície da Terra.
[040] O veículo de lançamento espacial 100 compreende um sistema de propulsão 101 (por exemplo, um propulsor químico), sistemas de controle e orientação (não mostrados) e um compartimento de alojamento 102 para uma carga útil.
[041] A dita carga útil pode compreender, por exemplo, um satélite principal 103 e uma pluralidade de satélites secundários 104.
[042] Pelo menos um veículo espacial para transporte orbital 1 encontra espaço de armazenamento e é alojado dentro do compartimento de alojamento 102.
[043] O veículo espacial para transporte orbital 1 é conectado ao lançador espacial 100 através de um sistema de separação orbital convencional 105 configurado para lançar, com um impulso predeterminado, o veículo espacial para transporte orbital 1 assim que o lançador espacial 100 atinge uma altitude orbital predeterminada.
[044] Preferencialmente, a dita altitude orbital é aquela adaptada para o lançamento do satélite principal 103, ou seja, da carga útil principal do lançador espacial 100.
[045] O veículo espacial para transporte orbital 1 compreende uma plataforma de satélite 2, que contém todos os subsistemas necessários para o controle e gerenciamento de um satélite. Os ditos subsistemas (não mostrados ou descritos ainda devido ao fato de serem convencionais) são redundantes, ou seja, são duplicados para aumentar sua confiabilidade.
[046] Como mostrado esquematicamente na Figura 5, a plataforma de satélite 2 compreende ainda um módulo de comando e controle 3 alimentado por uma fonte de eletricidade
4 (por exemplo, uma bateria) preferencialmente dedicada ao módulo de comando e controle 3.
[047] O módulo de comando e controle 3 compreende um transmissor de sinal 5 capaz de enviar sinais na superfície terrestre e um receptor de sinal 6 capaz de receber sinais da superfície terrestre.
[048] O módulo de comando e controle 3 compreende ainda um temporizador 7 e uma pluralidade de placas operadoras 8 configuradas para gerar e enviar sinais operadores 8 aos membros do acionador 15.
[049] A plataforma de satélite 2 compreende ainda pelo menos um sistema de propulsão convencional 9 configurado para mover o veículo espacial para transporte orbital 1 ao longo de uma órbita ou movê-lo para uma órbita diferente. O sistema de propulsão 9 é configurado ainda para corrigir e/ou alterar o posicionamento do veículo espacial para transporte orbital 1.
[050] O veículo espacial para transporte orbital 1 compreende ainda uma interface mecânica 10 pela qual o veículo espacial para transporte orbital 1 é conectado ao lançador espacial 100.
[051] O veículo espacial para transporte orbital 1 compreende ainda uma pluralidade de sistemas de lançamento
20. Cada sistema de lançamento 20 compreende um POD (Implantador Orbital de Picossatélite) 11 dentro do qual são alojados um ou mais satélites 12. Os PODs servem como tubos de lançamento, com a função de armazenar, transportar e lançar os satélites 12 que precisam ser colocados em órbita e são alojados, preferencialmente, em uma área de carga 12a do veículo espacial para transporte orbital 1.
[052] Os PODs 11 são modulares e independentes entre si. Por meio de exemplo, o veículo espacial para transporte orbital 1 pode transportar 48 CubeSats cada um de 1 unidade (Cubesat de 1 unidade é definido por um volume de 10x10x10 cm), ou 16 CubeSats cada de 3 unidades ou ainda 8 CubeSats cada de 6 unidades, ou 4 CubeSats cada de 12 unidades, e configurações misturadas destes.
[053] A Figura 6 mostra um exemplo de configuração misturada de CubeSats transportados pelo veículo espacial para transporte orbital 1, no qual A1 e C1 representam os respectivos CubeSats de 6 unidades, A3, A4, B1, B2, C1, D1, D3, D4 representam as respectivas filas de três CubeSats de 1 unidade, B3 representa o Cubesat de 12 unidades.
[054] A Figura 3 mostra uma pluralidade de PODs 11 em que cada POD é capaz de alojar um Cubesat de 3 unidades. Os PODs 11 podem ser alimentados por painéis fotovoltaicos 11a instalados na estrutura dos próprios PODs, ou, mais preferencialmente, são alimentados pela plataforma de satélite 2 do veículo espacial para transporte orbital 1.
[055] Como mostrado na Figura 4 (que mostra um POD para o transporte e lançamento de um Cubesat de 3 unidades), cada POD é provido com um invólucro de contenção 13, uma porta de abertura 14 e membros do acionador 15 para expelir os CubeSats transportados, dando-lhes um impulso predeterminado.
[056] Os ditos membros do acionador 15 podem ser, por exemplo, molas pré-carregadas de acordo com o impulso a ser transmitido ao satélite no momento do lançamento.
[057] Os PODs 11 são dispostos mutuamente lado a lado para formar uma matriz de PODs na qual, preferencialmente,
todas as portas de aberturas 14 ficam com a mesma orientação e são coplanares, como mostrados na Figura 3.
[058] De acordo com o método da presente invenção, o veículo espacial para transporte orbital 1 é equipado com os satélites 12 inseridos nos PODs 11 e então alojados no lançador espacial 100.
[059] O lançador espacial 100 é colocado em órbita em torno da Terra. A altitude orbital e a posição atingida pelo lançador espacial 100 geralmente é aquela especificamente prescrita para o lançamento do satélite principal 103, que representa a carga útil mais importante do lançador espacial e para o qual a missão espacial foi principalmente concebida.
[060] Neste ponto, o veículo espacial para transporte orbital 1 é lançado pelo lançador espacial 100. A etapa de lançamento ocorre transmitindo um impulso de separação ao veículo espacial para transporte orbital 1 capaz de remover o veículo espacial para transporte orbital 1 do lançador espacial 100. O dito impulso propicia ao veículo espacial para transporte 1 uma dinâmica que, dependendo dos regulamentos e/ou parâmetros da missão atuais, é capaz de mover o veículo espacial para transporte orbital 1 para a órbita atingida por um intervalo de tempo de alguns dias (geralmente 2 ou 3 dias).
[061] Observe que nesta etapa, o sistema de propulsão 9 do veículo espacial para transporte orbital 1 não está ativado.
[062] Alternativamente, se o veículo espacial para transporte orbital 1 tiver que atingir uma altitude orbital diferente ou caso seja necessário transmitir ao veículo espacial para transporte orbital 1 uma dinâmica maior que aquela transmitida pelo impulso de separação, o sistema de propulsão 9 é ativado.
[063] Em qualquer caso, o veículo espacial para transporte orbital 1 então se move para longe do lançador espacial 100.
[064] Quando o veículo espacial para transporte orbital 1 atinge uma primeira posição predeterminada, lança- se um primeiro satélite 12.
[065] A dita posição predeterminada é calculada de acordo com a posição na qual o satélite 12 deve ser colocado em órbita.
[066] O satélite 12 é lançado transmitindo um impulso de separação a este. O dito impulso de separação pode ser transmitido, por exemplo, pelos membros do acionador 15 do POD. O dito impulso de separação é preferencialmente predeterminado ao planejar a missão e então pré-definido. Alternativamente, o dito impulso de separação pode ser determinado no momento de lançamento do satélite 12 de acordo com a posição exata atingida pelo veículo espacial para transporte orbital 1 (que poderia diferir das posições especificadas ao planejar a missão).
[067] Em qualquer caso, o satélite 12 se move para longe do veículo espacial para transporte orbital 1 em uma direção pré-definida e pré-calculada, com uma velocidade de separação que garante a obtenção da posição desejada sem exigir manobras adicionais. Desta forma, o satélite 12 pode ser posicionado mesmo que não seja provido com um sistema de propulsão autônomo.
[068] Antes do lançamento do satélite 12, para garantir que o dito satélite se mova para longe na direção selecionada, o sistema de propulsão 9 do veículo espacial para transporte orbital 1 é ativado para corrigir o posicionamento do veículo espacial para transporte orbital 1.
[069] Na realização preferida da invenção, o satélite 12 é lançado em uma direção oposta àquela do movimento do veículo espacial para transporte orbital 1.
[070] Uma vez que o primeiro satélite é lançado, o veículo espacial para transporte orbital 1 atinge uma nova posição de lançamento e as operações para lançamento de um satélite adicional 12 são repetidas conforme descrito acima.
[071] Desta forma, garante-se o lançamento gradual dos satélites 12 em uma direção oposta àquela do movimento do veículo espacial para transporte orbital 1 ao longo da órbita, sem exigir manobras adicionais na parte dos satélites 12 (como mostrado esquematicamente na Figura 7). Isto permite ter um lançamento, por exemplo, de 16 satélites em aproximadamente 88 dias.
[072] A sequência de lançamento dos satélites 12 pode ser pré-definida ou decidida caso a caso, de acordo com as necessidades do operador dos satélites 12.
[073] Alternativamente, dois satélites 12 lançados de forma bem sucedida são lançados em direções opostas de forma substancialmente mútua. Cada lançamento segue as etapas descritas acima, com a diferença de que o segundo satélite 12 é lançado em uma direção que corresponde à direção orbital de avanço do veículo espacial para transporte orbital 1, após a reorientação do veículo espacial para transporte orbital 1, como mostrado esquematicamente na Figura 8.
[074] A Requerente calculou que, desta forma, é possível reduzir o tempo de lançamento total dos satélites 12 em 35%, em comparação a uma sequência de lançamento na qual as direções de remoção dos satélites sempre são direcionadas na direção oposta àquela do avanço do veículo espacial para transporte orbital 1.
[075] Os impulsos de separação e as velocidades de separação correlacionadas dos satélites 12 podem ser diferentes entre si e, como declarado, são selecionados para garantir o posicionamento correto dos satélites 12 no tempo mais curto possível.
[076] No término do posicionamento dos satélites 12, o veículo espacial para transporte orbital 1 é colocado em uma trajetória de entrada atmosférica, evitando que se torne um objeto perigoso e descontrolado na órbita.
[077] Esta operação pode ser realizada usando-se o propulsor residual e o sistema de propulsão usado para manobras em órbita, ou usando-se um sistema de propulsão dedicado configurado para realizar as operações de reentrada atmosférica.
[078] Obviamente, o técnico no assunto, para atender necessidades específicas e contingentes, pode realizar inúmeras modificações e variações à invenção descrita acima, sem, assim, desviar-se do escopo de proteção da presente invenção, como definido pelas reivindicações a seguir.
Claims (10)
1. MÉTODO DE LANÇAMENTO DE SATÉLITES ARTIFICIAIS NA ÓRBITA DA TERRA, caracterizado por compreender: provisão de um veículo espacial para transporte orbital (1) capaz de se mover na altitude orbital e compreendendo uma área de carga (12a); preensão de uma pluralidade de satélites (12) na dita área de carga (12a); alojamento do dito veículo espacial para transporte orbital (1) em um lançador espacial (100) configurado para atingir uma altitude orbital; lançamento do dito veículo espacial para transporte orbital (1) em altitude orbital, quando o dito lançador espacial (100) atinge altitude orbital, ao transmitir um impulso de separação ao dito veículo espacial para transporte orbital (1); lançamento de satélites (12) em sequência a partir da área de carga (12a); em que o lançamento de cada satélite (12) a partir da área de carga (12a) ocorre em uma respectiva direção predeterminada e após o veículo espacial para transporte orbital (1) ter atingido uma respectiva posição predeterminada.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo posicionamento do dito veículo espacial para transporte orbital ser ajustado antes do lançamento de cada satélite (12).
3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por cada satélite (12) ser lançado com as respectivas velocidades de separação; cada velocidade de separação sendo predeterminada de modo que o satélite (12) lançado atinja uma posição orbital predeterminada.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por cada satélite (12) ser lançado em uma direção oposta àquela do movimento do veículo espacial para transporte orbital (1).
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por cada satélite (12) ser lançado em uma direção oposta àquela do lançamento de um satélite (12) lançado imediatamente antes, em que a direção de lançamento do dito satélite (12) lançado imediatamente antes é oposta à direção de movimento do veículo espacial para transporte orbital (1).
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, sendo a preensão de uma pluralidade de satélites (12) na dita área de carga (12a) caracterizada por compreender a provisão de uma pluralidade de sistemas de lançamento (20) e preensão de cada satélite (12) a um dos ditos sistemas de lançamento (20).
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, sendo a dita pluralidade de sistemas de lançamento (20) caracterizada por compreender uma pluralidade de tubos de lançamento (11), cada um dos quais é configurado para lançar um ou mais satélites (12) separadamente; os ditos tubos de lançamento (11) sendo dispostos lado a lado de modo a formar uma matriz de tubo de lançamento (11).
8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelos ditos satélites (12) serem lançados de acordo com um padrão de lançamento predeterminado.
9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender ativação de um sistema de propulsão (9) para o veículo espacial para transporte orbital (1) para posicionar o veículo espacial para transporte orbital (1) em posições orbitais predeterminadas e subsequentes toda vez que um satélite (12) é lançado.
10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender o movimento do veículo espacial para transporte (1) em uma trajetória de entrada atmosférica após ter lançado todos os satélites.
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