Como se orienta uma nave no espaço

Os avanços tecnológicos tornaram os sistemas de orientação pequenos, baratos e acessíveis. Até mesmo um microssatélite estudantil agora possui um sistema de orientação com o qual os pioneiros da astronáutica do passado só podiam sonhar. As possibilidades tecnológicas limitadas deram origem a soluções engenhosas.

Resposta assimétrica: sem orientação

Os primeiros satélites e até estações interplanetárias voaram sem direção. A transmissão de dados para a Terra era realizada por meio de um canal de rádio, por várias antenas, para que o satélite se comunicasse em qualquer posição e mesmo se estivesse a dar cambalhotas, pesava muito menos que um sistema de ativo de orientação.

Luna 2, a primeira estação a alcançar a superfície lunar. Quatro antenas nas laterais possibilitavam comunicação em qualquer posição em relação à Terra.

Mesmo hoje, às vezes é mais fácil cobrir toda a superfície de um satélite com painéis solares e instalar várias antenas do que criar um sistema de orientação. Além disso, algumas tarefas não exigem orientação – por exemplo, os raios cósmicos podem ser registrados em qualquer posição do satélite.

Vantagens:

Simplicidade e confiabilidade máximas. Um sistema de orientação ausente não pode quebrar.

Desvantagens:

É adequado agora, principalmente, para microssatélites que resolvem tarefas relativamente simples. Os satélites maiores não podem passar sem um sistema de orientação.

Sensor solar

Em meados do século 20, as células fotovoltaicas se tornaram uma coisa familiar e dominada, então não há nada de surpreendente que elas tenham ido para o espaço. O Sol se tornou o farol óbvio para esses sensores. Sua luz forte atingindo o elemento fotossensível tornou possível determinar a direção:

Vários esquemas de operação de sensores solares modernos; abaixo uma matriz fotossensível

Sensores solares modernos

Vantagens:

Simplicidade.
Preço.
Quanto mais alta a órbita, menor a área de sombra e mais tempo o sensor pode trabalhar.
A precisão é de aproximadamente um minuto de arco.

Desvantagens:

Orientação ao longo de apenas um eixo.
Não trabalha na sombra da Terra ou de outro corpo celeste.
Pode estar sujeito a interferência da Terra, Lua, etc.

Apenas um eixo ao longo do qual os sensores solares podem estabilizar o aparelho não interfere em seu uso ativo. Primeiro, o sensor solar pode ser complementado com outros sensores. Em segundo lugar, para espaçonaves com baterias solares, o sensor solar permite que se organize facilmente um modo de rotação alinhado ao Sol, quando a espaçonave gira em sua direção, e as baterias solares operam nas condições mais confortáveis.
A espaçonave Vostok usou um sensor solar: o eixo do sol foi usado para traçar a orientação para frear a nave. Além disso, os sensores solares tinham grande demanda nas estações interplanetárias, porque muitos outros tipos de sensores não podiam funcionar fora da órbita da Terra.
Devido à sua simplicidade e baixo custo, os sensores solares agora são muito comuns na tecnologia espacial.

Infravermelho vertical (IKV)

Os dispositivos que voam na órbita terrestre geralmente precisam determinar a vertical local – a direção para o centro da Terra. Fotocélulas da faixa visível não são muito adequadas para isso – no lado noturno, a Terra é muito pior iluminada. Mas, na faixa do infravermelho, a Terra quente brilha quase da mesma forma nos hemisférios diurno e noturno. Em órbitas baixas, os sensores determinam a posição do horizonte, em órbitas altas, eles fazem a varredura do espaço em busca do círculo quente da Terra.
Estruturalmente, como regra, os sensores verticais infravermelhos contêm um sistema de espelhos ou um espelho de varredura:

infravermelho vertical montado com um ‘volante’. A unidade foi projetada para uma orientação precisa da Terra para satélites geoestacionários. O espelho de varredura é visível

Exemplo do campo de visão do infravermelho vertical. O círculo preto é a Terra

Sensores infravermelhos russos produzidas pela JSC VNIIEM

Vantagens:

Eles são capazes de detectar a vertical local em qualquer parte da órbita.
Geralmente alta confiabilidade.
Boa precisão

Desvantagens:

Orientação ao longo de apenas um eixo.
Para órbitas baixas, algumas estruturas são necessárias, para órbitas altas, outras.
Dimensões e peso comparativamente grandes.
Apenas para a órbita terrestre.

O fato de a orientação ser baseada em apenas um eixo não impede o uso generalizado de infravermelhos verticais. Eles são muito úteis para satélites geoestacionários que precisam apontar suas antenas para a Terra. Os IKV também são usados na exploração espacial tripulada, por exemplo, em modificações modernas da espaçonave Soyuz, a orientação de frenagem é realizada apenas de acordo com seus dados:

Espaçonave Soyuz. Sensores IKV duplicados são mostrados por setas

Sensor de íon

Foi uma ideia lógica complementar o infravermelho vertical com um sensor de íons. Nas órbitas baixas terrestres, encontram-se moléculas da atmosfera, que podem ser íons , que carregam carga elétrica. Ao instalar sensores que registram o fluxo de íons, pode-se determinar qual lado da nave está voando para a frente na órbita, pois lá o fluxo será máximo:

Equipamento para medir a concentração de íons positivos

O sensor de íons funciona mais rápido – leva quase uma volta inteira para fazer uma orientação com um giroscopio, e o sensor de íons foi capaz de determinar uma orientação em cerca de 10 minutos. Infelizmente, na região da América do Sul existe o chamado “poço iônico”, que torna o funcionamento do sensor iônico instável. E justamente é na região da América do Sul que as naves russas Soyuz precisam determinar sua orientação de frenagem para pousar na região do Cazaquistão. Os sensores iônicos estavam na primeira Soyuz, mas logo foram abandonados e agora não são usados .

Sensor DE estrelaS

Muitas vezes, um eixo no Sol não é suficiente. Para a navegação, pode ser necessário mais um objeto brilhante, cuja direção, junto com o eixo ao Sol, dará a orientação desejada. A estrela Canopus se tornou um desses objetos pois é a segunda mais brilhante no céu e está longe do Sol. A primeira espaçonave a usar a estrela para orientação foi a Mariner 4, lançada para Marte em 1964. A ideia acabou dando certo, embora o sensor de estrela exigisse muita energia ao determinar a orientação, ele visava as estrelas erradas e foi necessário “pular” de estrela em estrela por vários dias. Depois que o sensor finalmente avistou Canopus, ele começou a perdê-la constantemente – partículoas voando ao lado da sonda às vezes brilhavam intensamente e reiniciavam o algoritmo para encontrar a estrela.
Os primeiros sensores estelares eram fotocélulas de pequeno campo de visão que podiam ter como alvo apenas uma estrela brilhante. Apesar de suas capacidades limitadas, eles eram usados ativamente em estações interplanetárias. Hoje em dia, o progresso tecnológico criou, de fato, uma nova classe de dispositivos. Os sensores modernos de estrelas usam uma matriz de células fotoelétricas, trabalham em conjunto com um computador com um catálogo estelar e determinam a orientação do aparelho pelas estrelas que são visíveis em seu campo de visão. Esses sensores não precisam de determinação preliminar de uma orientação aproximada por outros dispositivos e são capazes de determinar a posição do aparelho independentemente da área do céu para a qual são direcionados.

Sensores estelares típicos

Quanto maior o campo de visão, mais fácil é navegar

Ilustração da operação do sensor, de acordo com a posição relativa das estrelas de acordo com os dados do catálogo, a direção da linha de visada é calculada

Vantagens:

A precisão máxima pode ser inferior a segundos de arco.
Não precisa de outros dispositivos, e pode determinar a posição exata por conta própria.
Eles funcionam em qualquer órbita.

Desvantagens:

Preço Alto.
Não trabalha quando a espaçonave estiver girando rapidamente.
Sensível à luz e interferências.

Agora, os sensores de estrelas são usados onde se precisa saber a posição do veículo espacial com muita precisão – em telescópios e outros satélites científicos.

Magnetômetro

Uma maneira de orientação é de acordo com o campo magnético da Terra. Os magnetômetros para medir o campo magnético eram freqüentemente instalados em estações interplanetárias, mas não eram usados para traçar sua orientação.

O campo magnético da Terra torna possível determinar orientação ao longo de todos os três eixos

Magnetômetro científico das sondas Pioneer-10 e -11

Magnetômetro digital. Este tipo equipou a estação Mir em 1998 e foi usado no módulo Philae da sonda Rosetta

Vantagens:

Simplicidade, baixo custo, confiabilidade, compactação.
Precisão média, de minutos de arco a vários segundos de arco.
Pode-se obter orientação ao longo de todos os três eixos.

Desvantagens:

Susceptível a interferências de equipamentos da espaçonave.
Não funciona acima de 10.000 km da Terra.

A simplicidade e o baixo custo dos magnetômetros os tornaram muito populares em microssatélites.

Plataforma giro-estabilizada

Historicamente, as espaçonaves costumam voar sem orientação ou em modo de rotação solar. Apenas na área do alvo da missão eles ativaram os sistemas ativos, construíram a orientação ao longo de três eixos e realizaram sua tarefa. Mas e se for preciso manter uma orientação arbitrária por muito tempo? Nesse caso, precisa-se “lembrar” a posição atual e registrar as manobras. E para isso, a humanidade não inventou nada melhor do que giroscópios (medem os ângulos de rotação) e acelerômetros (medem aceleração linear).
Giroscópios
A propriedade de um giroscópio é amplamente conhecida por se esforçar para manter sua posição no espaço:

Inicialmente, os giroscópios eram apenas mecânicos. Mas o progresso tecnológico levou ao surgimento de muitos outros tipos.
Giroscópios ópticos – Os ópticos – laser e fibra óptica – são caracterizados por uma precisão muito alta e pela ausência de partes móveis. Nesse caso, o efeito Sagnac é usado, com a mudança de fase das ondas em um interferômetro de anel giratório.

Giroscópio a laser

Giroscópio de onda de estado sólido – Neste caso, a precessão de uma onda estacionária de um sólido ressonante é medida. Eles não contêm peças móveis e são altamente precisos.

Giroscópios de vibração – O efeito Coriolis é usado para operação, onde as oscilações de uma parte do giroscópio ao girar desviam a parte sensível:

Os giroscópios de vibração são fabricados no design de MEMS, são baratos e muito pequenos em tamanho com uma precisão relativamente boa. São esses giroscópios que são encontrados em telefones celulares, quadricópteros e semelhantes. O giroscópio MEMS também pode operar no espaço e são instalados em microssatélites.

O tamanho e a precisão dos giroscópios são claros:

Acelerômetros
Estruturalmente, os acelerômetros são balanças – uma massa fixa muda seu peso sob a influência das acelerações, e o sensor converte esse peso em um valor de aceleração. Agora, além de versões grandes e caras, os acelerômetros adquiriram análogos MEMS:

Um exemplo de um acelerômetro de grande porte

Micrografia de um acelerômetro MEMS

A combinação de três acelerômetros e três giroscópios captura a rotação e a aceleração em todos os três eixos. Esse dispositivo é chamado de plataforma giroestabilizada. No início da astronáutica, eles só eram possíveis em um gimbal, eram muito complicados e caros.

Plataforma giro-estabilizada da nave Apollo. O cilindro azul em primeiro plano é um giroscópio.

O auge dos sistemas mecânicos eram os sistemas sem cartão, quando a plataforma ficava imóvel em fluxos de gás. Era de alta tecnologia, fruto do trabalho de grandes equipes, aparelhos muito caros e secretos.

Sistema de orientação do Peacekeeper ICBM: A esfera no centro é uma plataforma giroestabilizada.

Agora o desenvolvimento da electrônica levou ao fato de uma plataforma com uma precisão adequada a simples satélites caber na palma da mão, ser desenvolvida por alunos e até ter seu código-fonte publicado.

Uma inovação interessante é a plataforma MARG. Neles, os dados dos giroscópios e acelerômetros são complementados com sensores magnéticos, o que permite corrigir o erro acumulado dos giroscópios. O sensor MARG é provavelmente a opção mais adequada para microssatélites – é pequeno, simples, barato, não tem partes móveis, consome pouca energia e fornece orientação ao longo de três eixos com correção de erros.
Em sistemas complexos, os sensores em estrela são geralmente usados para corrigir os erros de orientação da plataforma giroestabilizada.
O erro de trajetória, via de regra, é corrigido por sistemas de monitoramento de rádio da órbita – as antenas da Terra, de acordo com os sinais do aparelho, podem determinar com muita precisão sua posição e velocidade. Em órbitas baixas, um analógico barato apareceu para isso, os sistema como os GPS e GLONASS.