Como a NASA está prestes a pegar e reabastecer um satélite em baixa órbita terrestre

Em 2022, a sonda robótica da NASA atenderá ao satélite Landsat 7

Num futuro próximo, o acesso ao espaço continuará extremamente caro. Mesmo ao usar truques como foguetes reutilizáveis ​​ou lançar balões e aviões gigantes, o custo de colocar um quilograma de carga em uma órbita baixa da Terra ainda é de vários milhares de dólares. E assim que você coloca algo em órbita, ele (com algumas exceções) acaba sendo deixado por conta própria, e resta apenas esperar que ele complete sua tarefa antes de ficar sem combustível. Depois disso, a maioria dos satélites é inútil.

Em geral, esse sistema parece extremamente ineficiente. A NASA gostaria de mudar isso, e considera uma ótima idéia colocar oficinas de reparo e postos de gasolina no espaço. Vários programas de manutenção de satélites estão em vários estágios de desenvolvimento e, este ano, a equipe da revista IEEE Spectrum visitou o Centro de Tecnologia Robótica de Tecnologia Espacial Goddard da NASA para saber mais.

RSGS

Este ano, o projeto de robótica de serviço de satélite geossíncrono (RSGS) do Departamento de Defesa de Projetos de Pesquisa Avançada (DARPA) foi suspenso quando o contratante principal, Maxar Technologies, se recusou a construir equipamentos para ele. A DARPA estava procurando novos parceiros para o projeto e espera poder anunciar novos acordos antes do final deste ano e lançar o projeto RSGS em 2023. O RSGS é uma espaçonave semiautomática com dois manipuladores robóticos, que terão que servir os satélites geossíncronos e reparar seus problemas para prolongar a vida útil. O vídeo mostra um conceito de quão valiosa essa tecnologia pode ser - um painel solar preso pode apagar a existência de um satélite completamente novo, enquanto resolver esse problema (e economizar centenas de milhões de dólares) pode ser tão simples quanto dar um pequeno empurrão na direção certa.

Rrm

O RSGS se concentra principalmente na correção de satélites, mas há outra grande oportunidade de trabalhar em órbita - é o reabastecimento; porque a vida útil da maioria dos satélites é determinada pela quantidade de combustível que eles têm em estoque. Vários projetos de reabastecimento robótico da NASA enviaram equipamentos de teste à ISS para determinar a melhor maneira de reabastecer satélites cujo projeto não incluía tais ações. Esses satélites (de fato, todos os satélites) na Terra estão bem embrulhados, as válvulas de gás estão bem embrulhadas, fixadas com fios e cobertas com isolamento térmico. Para reabastecer os satélites, você terá que remover completamente tudo isso e de uma maneira completamente anormal.

As missões de reabastecimento robótico da NASA (RRMs) começaram em 2011 e enviaram equipamentos de teste do tamanho de um pequeno refrigerador para a ISS. Usando cópias de válvulas de satélite, combustível real e um conjunto de ferramentas que um braço robótico é capaz de controlar na estação, a NASA testou as missões RRM e estabeleceu um conjunto de procedimentos para o reabastecimento prático de satélites em órbita. A mais recente missão RRM3 foi lançada em dezembro de 2018 para verificar a transferência de combustível criogênico; ele precisa ser armazenado sob forma refrigerada, mas potencialmente é muito mais poderoso que o monocombustível hidrazina, usado nos motores da maioria dos satélites. Em abril deste ano, o RRM3 perdeu sua capacidade de esfriar combustível, e teve que ser jogado no espaço, mas a NASA ainda conseguiu verificar todas as ferramentas e procedimentos para a transferência de combustível, mesmo sem o combustível nos tanques.

Restore-l

O projeto Restore-L combina funções de serviço e reabastecimento - e, no momento, este é o projeto de serviço via satélite mais interessante. O Restore-L se tornará uma espaçonave robótica que implementa tudo o que a NASA aprendeu sobre manutenção e reabastecimento. Ele visitará o Landsat 7, um satélite de sensoriamento remoto do governo dos EUA localizado na órbita baixa da Terra em 1999 e capaz de trabalhar com o combustível disponível até 2021. A missão é ambiciosa, mas tem enormes benefícios: o Landsat 7 custa mais de meio bilhão de dólares e será ótimo se pudermos reabastecer e deixar ele e outros satélites em serviço.


Desenho do artista: Restore-L (em baixo) está prestes a capturar e reparar o Landsat 7

Os componentes mais importantes do Restore-L estão sendo desenvolvidos no Centro de Vôos Espaciais Goddard (GSFC) da NASA, enquanto Maxar trabalha no equipamento de ônibus e braço robótico do navio. Nós nos encontramos com Brent Robertson, gerente de projetos da Restore-L, em um centro de operações robóticas de parede preta, tipo caverna, onde eles verificam o hardware e o software da Restore-L. No final do projeto, haverá um par de grandes braços robóticos capazes de capturar satélites, com um conjunto de ferramentas e um monte de sensores que permitem controlar remotamente a partir da Terra e funcionar completamente de forma autônoma.

A missão de reabastecimento Landsat 7 incluirá um procedimento complexo típico de reabastecimento de qualquer satélite. O Restore-L precisará:

• Capturar autonomamente o Landsat 7.
• Por meio de um controle remoto com uma ferramenta, corte as tampas de isolamento que protegem as válvulas de enchimento e descarga.
• Usando outra ferramenta, corte os fios nas válvulas.
• Desaparafusar as tampas das válvulas.
• Conecte uma porta de desconexão rápida à válvula de enchimento.
• Transferir 115 kg de hidrazina para o satélite.
• Mais uma vez, feche tudo com isolamento térmico e verifique se nada escapou ao espaço.

"O Landsat 7 foi escolhido porque este satélite é representativo o suficiente", diz Robertson. Como a maioria dos satélites. Ele possui um anel Marman, um componente estrutural que o conectou ao estágio superior do foguete e agora fornece um ponto de aderência padrão e conveniente para o braço robótico Restore-L. Diferentes satélites podem ter válvulas de enchimento diferentes, e o Restore-L terá ferramentas projetadas para o Landsat 7, mas, em geral, o procedimento deve ser mais ou menos o mesmo, e as ferramentas podem ser substituídas, se necessário.


É importante ressaltar que o Landsat 7 é representativo por não ter sido planejado reabastecer, diz Robertson. “Quando lançaram o Landsat 7, não planejavam reabastecê-lo. Ninguém pensou que seria possível. E seremos os primeiros a mostrar isso. ”

A parte mais difícil da missão começará, provavelmente, após o Restore-L alcançar o Landsat 7 e iniciar uma manobra para captura. Ele não pode ser controlado remotamente, porque mesmo um atraso de um ou dois segundos será muito longo para uma operação tão delicada - em condições de microgravidade, uma falha pode fazer o Restore-L e o Landsat 7 girarem incontrolavelmente ou até danificar o Landsat 7. A captura deve ocorrer de forma autônoma e no Restore Serão instaladas câmeras L para o espectro visível, câmeras infravermelhas e um lidar para o espaço, desenvolvido na GSFC. Bem, se algo der errado, o navio deve ser inteligente o suficiente para voltar.


Modelo Landsat 7 parcial instalado em uma instalação robótica simulada por microgravidade

O GSFC testa exaustivamente o equipamento na Terra, preparando-se para essa captura autônoma em órbita. O centro robótico operacional abriga um modelo em escala real da parte inferior do Landsat 7, montado em um robô de seis pernas, cujas pernas simulam os seis graus de liberdade de movimento experimentados pelo Landsat 7 em voo.


Um dos manipuladores Restore-L

A garra Restore-L, que tem sete graus de liberdade, é longa o suficiente para agarrar o Landsat 7 a uma distância de um metro, e os motores das engrenagens onduladas nas articulações da garra garantem uma operação precisa com folga mínima. Os sensores de torção da garra permitem avaliar autonomamente a força de preensão do alvo.

Assim que o Restore-L agarra o alvo corretamente, ele abre muitas possibilidades, diz Robertson. “O Restore-L tem muitas habilidades, podemos fazer muito mais do que apenas reabastecer o Landsat 7. Cortar, desaparafusar e reabastecer é difícil. No entanto, temos uma ampla variedade de recursos de captura e movimentação de satélites. ”

Um dos problemas é que o Restore-L nem sempre tem as ferramentas necessárias para reabastecer consigo. Como os satélites foram projetados sem manutenção, não havia sentido em padronizar as válvulas de enchimento ou facilitar o acesso a elas. A GSFC desenvolveu válvulas compatíveis com robôs que facilitarão esse trabalho e tem o prazer de licenciar essa tecnologia para todos, mas até agora essas válvulas não estão nos satélites. "A situação é semelhante ao problema de frango e ovos", diz Robertson. - Ninguém estava envolvido na manutenção robótica; portanto, até que eles o mostrem, os operadores relutam em investir em manutenção - até verem que isso é possível. Acho que quando realmente mostrarmos tudo no Landsat 7, você verá como a indústria apreciará a oportunidade. ”


Apenas alguns dos muitos revestimentos, válvulas e acessórios de isolamento térmico com os quais a Restore-L deve lidar

Após nossa visita ao Robotics Operations Center, fizemos várias perguntas a Robertson sobre a manutenção futura dos satélites.

Espectro IEEE: Agora há uma tendência para reduzir o tamanho e o custo, e aumentar o número de satélites. O que os grandes satélites podem oferecer para tornar seu serviço útil a longo prazo?

O poder da computação que pode ser enviado para o espaço em satélites sempre decrescentes está em constante crescimento. No entanto, algumas coisas ainda exigem grandes aberturas, como antenas ou espelhos. Alguns estudos são realizados por pessoas. Se vamos à lua e a Marte, precisaremos de robôs coletando várias coisas. E essa não é apenas uma opção mais econômica, mas também necessária.

Além de prolongar a vida útil dos satélites antigos, reabastecendo-os, sua tecnologia pode criar novas oportunidades para esses satélites que eles não teriam?

Sim Nossa principal missão é reabastecer o Landsat 7, no entanto, temos muitas habilidades adicionais. Até agora, o tamanho dos satélites é limitado pelo volume útil de foguetes que os colocam em órbita, e isso limita tudo, desde o tamanho do espelho do telescópio até o tamanho da antena dos satélites de comunicação. No entanto, quando temos um robô no espaço, isso nos permitirá afastar-nos desse paradigma - será possível fazer vários lançamentos e depois mostrar a fabricação e montagem das coisas no espaço. E isso levará à criação de uma nova classe de missões.

É assim que devemos imaginar o Restore-L a longo prazo?

É assim que eu o imagino! Nós demonstramos muito. De muitas maneiras, seremos os primeiros, mas não seremos os últimos. Ninguém sabe como será o espaço em 30 anos, mas tenho certeza de que haverá muito mais robôs do que hoje. Todos esses satélites são extremamente caros - alguns deles valem mais de um bilhão de dólares. E se algo de repente não der certo, a missão será considerada malsucedida. Mas se houver robôs no espaço, você terá a oportunidade de descolar peças, pegar peças, mover peças. Potencialmente, quando a tecnologia se desenvolver suficientemente, será possível adicionar novos recursos aos satélites, aumentar a funcionalidade dos satélites, lançando no espaço não um satélite totalmente novo, mas apenas um detalhe.

Agora, no espaço, há um grande número de satélites mortos, muitos equipamentos. Você pode começar a pensar em salvar este equipamento com robôs. Será possível pegar esse estágio superior, que contém eletrônicos no valor de milhões de dólares, e usá-lo - falta apenas combustível. Tudo isso pode ser salvo. Ou você pode pegar dois dispositivos diferentes e combiná-los. Não ficarei surpreso se, em 20 a 30 anos, as pessoas capturarem satélites que não funcionam e os reconfigurarem para outros fins.

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O Restore-L está planejado para ser lançado antes de dezembro de 2022, a menos que, é claro, o sistema passe em todas as verificações e o financiamento continue. Se o serviço do Landsat 7 for bem-sucedido, 115 kg de combustível que o Restore-L pode injetar no Landsat 7 encherá o tanque deste último e prolongará sua operação por vários anos. E o Restore-L permanecerá em órbita, onde pode ajudar a NASA a desenvolver novas tecnologias para manutenção ou construção.