BR112020010900A2 - método para o lançamento seguro de satélites artificiais na órbita da terra - Google Patents
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Abstract
A invenção se refere a um método para o lançamento Seguro de satélite artificial 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 pluralidade de PODs (11) para lançamento de satélites (12) transportados pelo veículo espacial para transporte orbital (1), alojamento do dito veículo espacial para transporte orbital (1) em um lançador espacial (100) configurado para atingir uma altitude orbital; geração de um sinal de lançamento e transmissão deste ao veículo espacial para transporte orbital (1) para lançamento do veículo espacial para transporte orbital (1) a partir do lançador espacial (100), em caso de insucesso de lançamento do veículo espacial para transporte orbital (1) ou em caso de quebra do veículo espacial para transporte orbital (1) após lançamento a partir do lançador espacial (100), ativação de um subsistema de segurança (21) do veículo espacial para transporte orbital (1) para gerar uma sequência de ativação de POD (11) para lançamento dos satélites (12).
Description
[001] A presente invenção se refere a um método para o lançamento seguro 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 lançador 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] 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.
[011] Em particular, os CubeSats são alojados em PODs (Implantador Orbital de Picossatélite), que são interligados diretamente com o lançador para o lançamento dos CubeSats assim que o lançador tiver atingido a órbita estabelecida. Por meio de um temporizador simples, ativado pelo lançador, os PODs abrem uma porta de lançamento para lançar os CubeSats alojados dentro deles.
[012] Conforme declarado, como o lançador é dispostos para lançar o satélite principal e o POD para os CubeSats constitui uma carga secundária, muito frequentemente as especificações da missão do lançador não proveem um lançamento seguro e garantido dos CubeSats, mas, de forma mais simples, proveem apenas os sistemas do lançador para envio de um sinal de lançamento aos diversos PODs. Portanto, a tarefa dos PODs é garantir um lançamento eficaz dos CubeSats.
[013] No caso de insucessos dos PODs, os CubeSats não são, portanto, lançados, com problemas evidentes para os clientes.
[014] Neste contexto, a presente invenção propõe disponibilizar um método para o lançamento seguro de satélites artificiais na órbita da Terra que seja isento das questões críticas supracitadas.
[015] Em particular, a presente invenção se refere a um método para o lançamento seguro de satélites artificiais na órbita da Terra, compreendendo:
[016] provisão de um veículo espacial para transporte orbital capaz de se mover em altitude orbital e compreendendo uma pluralidade de PODs para lançamento de satélites transportados pelo veículo espacial para transporte orbital;
[017] alojamento do dito veículo espacial para transporte orbital em um lançador espacial configurado para atingir uma altitude orbital;
[018] geração de um sinal de lançamento e transmissão deste ao veículo espacial para transporte orbital para lançar o veículo espacial para transporte orbital a partir do lançador espacial;
[019] em caso de insucesso de lançamento do veículo espacial para transporte orbital ou em caso de quebra do veículo espacial para transporte orbital após lançamento a partir do lançador espacial, ativação de um subsistema de segurança do veículo espacial para transporte orbital para gerar uma sequência de ativação de POD para lançamento dos satélites.
[020] Preferencialmente, a ativação de um subsistema de segurança compreende a determinação de um primeiro momento representativo do momento decorrido desde a última comunicação ocorrida entre o veículo espacial para transporte orbital e uma estação de transmissão remota, comparando o dito primeiro momento com um momento de referência indicativo de um tempo de espera máximo, ativando os membros do acionador para o lançamento de um satélite quando o primeiro momento é maior que o momento de referência.
[021] Preferencialmente, a ativação dos membros do acionador compreende a abertura de uma porta de lançamento de um POD, travando da porta de lançamento na posição aberta, exercendo um impulso de separação sobre o satélite a ser lançado.
[022] Preferencialmente, a ativação dos membros do acionador é seguida pela espera de um tempo de espera e ativação dos membros do acionador de um POD adicional para lançar um satélite adicional.
[023] Preferencialmente, o dito subsistema de segurança do dito veículo espacial para transporte orbital compreende uma unidade de comando e controle a bordo do dito veículo espacial para transporte orbital ou a bordo de cada POD alimentado por uma fonte de energia elétrica a bordo do dito veículo espacial para transporte orbital.
[024] Preferencialmente, a dita sequência de ativação é implementada pela dita unidade de comando e controle.
[025] Preferencialmente, a dita unidade de comando e controle é completamente autônoma e independente de outros subsistemas do veículo espacial para transporte orbital.
[026] Preferencialmente, os ditos satélites são lançados de acordo com um padrão de lançamento predeterminado.
[027] Preferencialmente, o impulso de separação exercido sobre cada satélite é calculado como uma função da órbita a ser atingida pelo satélite.
[028] Preferencialmente, a dita fonte de energia elétrica é uma bateria dedicada à unidade de comando e controle ou é uma bateria compartilhada com subsistemas de uma plataforma de satélite do veículo espacial para transporte orbital, ou é painéis fotovoltaicos.
[029] As características e vantagens adicionais da presente invenção ficarão mais claras 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 satélites dentro do componente da Figura 3; e - A Figura 7 é um diagrama em blocos de acordo com o método da presente invenção.
[030] 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 lançador espacial do tipo com decolagem vertical que, a partir da superfície terrestre, é capaz de atingir um órbita em torno da Terra ou um veículo que, lançado de uma aeronave, é capaz de atingir uma órbita em torno da Terra.
[031] 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.
[032] O lançador 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.
[033] A dita carga útil pode compreender, por exemplo, um satélite principal 103 e uma pluralidade de satélites secundários 104.
[034] Pelo menos um veículo espacial para transporte orbital 1 encontra espaço de armazenamento e é alojado dentro do compartimento de alojamento 102.
[035] 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.
[036] 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.
[037] O veículo espacial para transporte orbital 1 compreende uma plataforma de satélite 2, que contém 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.
[038] Como mostrado esquematicamente na Figura 5, um subsistema de segurança 21 compreendendo uma unidade de comando e controle 3 alimentada por uma fonte de eletricidade 4 (por exemplo, uma bateria) preferencialmente dedicada ao módulo de comando e controle 3.
[039] A unidade 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.
[040] A unidade de comando e controle 3 compreende ainda um temporizador 7 e uma pluralidade de placas de circuito operadoras 8 configuradas para gerar e enviar sinais operadores SP 8 aos membros do acionador 15.
[041] Todos os dispositivos do subsistema de segurança 21 são redundantes, de modo a aumentar a confiabilidade do subsistema.
[042] 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.
[043] 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.
[044] O veículo espacial para transporte orbital 1 compreende 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.
[045] 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.
[046] 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.
[047] 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.
[048] 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 empurradores 16 para expelir os CubeSats transportados, dando-lhes um impulso predeterminado.
[049] Os ditos membros empurradores 16 podem ser, por exemplo, molas pré-carregadas de acordo com o impulso a ser transmitido ao CubeSat no momento do lançamento.
[050] Os membros do acionador 15 atuam sobre cada POD 11 e, em particular, sobre a porta de abertura 14 e sobre os membros empurradores 15, como indicado esquematicamente na Figura 4.
[051] 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 mostrado na Figura 3.
[052] O veículo espacial para transporte orbital 1 é equipado com os satélites 12 inseridos nos PODs 11 e, então, alojados no lançador espacial 100.
[053] O lançador espacial 100 é colocado em órbita em torno da Terra. A altitude orbital e a posição atingida pelo lançador espacial 100 é, por exemplo, 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.
[054] Durante uma missão de lançamento que não se depara com problemas, 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).
[055] O veículo espacial para transporte orbital 1 então lança, de acordo com uma sequência predeterminada, os satélites 12 que estão posicionados nas órbitas selecionadas.
[056] Se o veículo espacial para transporte orbital 1 não é lançado pelo lançador espacial 100 por qualquer motivo (por exemplo, devido ao mau funcionamento de um acionador de lançamento do veículo espacial para transporte 1 ou devido ao mau funcionamento dos subsistemas da plataforma de satélite 2 do veículo espacial para transporte orbital 1), o subsistema de segurança 21 do veículo espacial para transporte orbital 1 é ativado para ativar uma sequência de ativação dos PODs 11.
[057] O subsistema de segurança 21 do veículo espacial para transporte 1 também ativa a sequência de ativação dos PODs 11 inclusive se o veículo espacial para transporte 1 for lançado corretamente pelo lançador espacial 100, mas, subsequentemente, sofre uma quebra, por qualquer motivo, que compromete a capacidade de completar a missão para o lançamento dos satélites 12.
[058] O subsistema de segurança 21 é independente e separado dos demais subsistemas da plataforma de satélite 2, de modo que uma falha em qualquer subsistema da plataforma de satélite 2 não comprometa a operação do subsistema de segurança 21.
[059] O subsistema de segurança 21 gera uma sequência de ativação dos PODs 11 para lançar os satélites 12 também caso o veículo espacial para transporte orbital 1 ainda esteja no lançador espacial 100.
[060] Em particular, como mostrado esquematicamente na Figura 7, o temporizador 7 gera um sinal ST1 representativo de um primeiro momento decorrido desde a última comunicação entre o veículo espacial para transporte orbital 1 e uma estação de transmissão remota (por exemplo, na Terra). Caso o veículo espacial para transporte orbital 1 não tenha sido lançado pelo lançador espacial 100 (ou sofrido uma quebra após o lançamento pelo lançador espacial 100) e, consequentemente, não envie nenhum sinal à estação de transmissão remota (por exemplo, devido à avaria dos subsistemas da plataforma de satélite 2), o sinal ausente é indicativo da impossibilidade de o veículo espacial para transporte orbital 1 concluir a missão para o lançamento dos satélites 12.
[061] A unidade de comando e controle 3, alimentada pela fonte de eletricidade 4, compara o sinal ST1 com um sinal STR indicativo de um tempo de espera máximo de referência.
[062] Caso o resultado do controle seja for tal que ST1>STR, então a unidade de comando e controle 3 gera um sinal de ativação SA e o envia para as placas operadoras 8 dos PODs 11.
[063] Caso o resultado do controle seja tal que ST1<STR, então o controle é realizado novamente após um período de tempo predeterminado.
[064] Quando as placas de circuito operadoras 8 recebem o sinal de ativação SA, geram o sinal condutor SP e o envia para os membros do acionador 15 que lançam um satélite predeterminado 12 a partir do POD 11 correspondente.
[065] Em particular, ao receber o sinal condutor SP, os membros do acionador 15 atuam sobre a porta de lançamento 14 abrindo-a e mantendo-a em condição aberta, e sobre os membros empurradores 15 que transmitem um impulso de lançamento para o satélite 12, movendo-o para longe do veículo espacial para transporte orbital 1. O impulso de lançamento, bem como a direção de lançamento, são calculados pela unidade de comando e controle 3 para direcionar o satélite 12 para a posição orbital selecionada.
[066] Após o decorrer de um determinado período, necessário para o satélite 12 se mover para longe do veículo espacial para transporte orbital 1 e/ou do lançador espacial 100, as placas de circuito operadoras 8 geram um sinal condutor adicional SP e o ciclo de lançamento de um novo satélite 12 é repetido, como mostrado esquematicamente na Figura 7.
[067] O ciclo é repetido sucessivamente até todos os satélites 12 serem lançados.
[068] Desta forma, mesmo se o lançamento do veículo espacial para transporte orbital 1 falhar ou se o veículo espacial para transporte orbital 1 sofrer uma quebra após o lançamento a partir do lançador espacial 100, todos os satélites 12 seriam posicionados corretamente em órbita.
[069] 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 PARA O LANÇAMENTO SEGURO DE SATÉLITES ARTIFICIAIS NA ÓRBITA DA TERRA, caracterizado por compreender: provisão de um veículo espacial para transporte orbital (1) capaz de se mover em altitude orbital e compreendendo uma pluralidade de PODs (11) para lançamento de satélites (12) transportados pelo veículo espacial para transporte orbital (1); alojamento do dito veículo espacial para transporte orbital (1) em um lançador espacial (100) configurado para atingir uma altitude orbital; geração de um sinal de lançamento e transmissão deste ao veículo espacial para transporte orbital (1) para lançar o veículo espacial para transporte orbital (1) a partir do lançador espacial (100); em caso de insucesso de lançamento do veículo espacial para transporte orbital (1) ou em caso de quebra do veículo espacial para transporte orbital (1) após lançamento do lançador espacial (100), ativação de um subsistema de segurança (21) do veículo espacial para transporte orbital (1) para gerar uma sequência de ativação de POD (11) para lançamento dos satélites (12).
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo a ativação de um subsistema de segurança (21) caracterizada por compreender a determinação de um primeiro momento (ST1) representativo do tempo decorrido desde a última comunicação ocorrida entre o veículo espacial para transporte orbital (1) e uma estação de transmissão remota, comparando o dito primeiro momento (ST1) com um momento de referência (STR)
indicativo de um tempo de espera máximo, ativando os membros do acionador (15) para o lançamento de um satélite (12) quando o primeiro momento (ST1) é maior que o tempo de referência (STR).
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, sendo a ativação dos membros do acionador (15) caracterizada por compreender a abertura de uma porta de lançamento (14) de um POD (11), travando a porta de lançamento (14) na posição aberta, exercendo um impulso de separação sobre o satélite (12) a ser lançado.
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela ativação dos membros do acionador (15) ser seguida pela espera de um tempo de espera e ativação dos membros do acionador (15) de um POD adicional (11) para lançar um satélite adicional (12).
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito subsistema de segurança (21) do dito veículo espacial para transporte orbital (1) compreender uma unidade de comando e controle (3) a bordo do dito veículo espacial para transporte orbital (1) ou a bordo de cada POD (11) alimentado por uma fonte de energia elétrica (4) a bordo do dito veículo espacial para transporte (1).
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 e 5, caracterizado pela dita sequência de ativação ser implementada pela dita unidade de comando e controle (3).
7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 e 6, caracterizado pela dita unidade de comando e controle (3) ser completamente autônoma e independente dos subsistemas adicionais do veículo espacial para transporte orbital (1).
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 3 e 4, caracterizado pelo impulso de lançamento exercido sobre cada satélite (12) ser calculado como uma função da órbita a ser atingida pelo satélite (12).
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela dita fonte de energia elétrica (4) ser uma bateria dedicada à unidade de comando e controle (3) ou ser uma bateria compartilhada com os subsistemas de uma plataforma de satélite (2) do veículo espacial para transporte orbital (1) ou ser painéis fotovoltaicos.
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