Sonda espacial
Uma nave espacial é uma nave espacial não tripulada lançada no espaço para estudar em maior ou menor distância diferentes objetos celestes : o sol , os planetas , planetas anões e pequenos corpos , seus satélites , o meio interplanetário ou o meio interestelar . Uma sonda espacial se distingue de outras espaçonaves não tripuladas que permanecem na órbita da Terra . As sondas espaciais podem assumir um grande número de formas para cumprir sua missão: um orbitador colocado em órbita ao redor do corpo celeste observado, uma sonda que explora o solo do planeta alvo in situ , um impactador , etc. Uma sonda pode carregar dispositivos autônomos para aumentar seu campo de investigação: sub-satélite , impactador , rover , balão .
Uma sonda espacial tem que viajar grandes distâncias e operar longe da Terra e do Sol , o que requer equipamentos específicos. Deve ter energia suficiente para operar em regiões onde a radiação solar fornece apenas uma potência limitada, ter grande autonomia de decisão porque a distância do centro de controle não permite mais que os operadores humanos reajam. Em tempo real aos eventos, resolva problemas de telecomunicações dificultados por distâncias que reduzem as taxas de dados e resistem à radiação e temperaturas extremas que abusam da eletrônica e dos mecanismos de bordo . Finalmente, para chegar ao seu destino a um custo aceitável e dentro de prazos aceitáveis, a sonda espacial tem que usar métodos sofisticados de navegação e propulsão: assistência gravitacional , frenagem aérea , propulsão iônica .
As primeiras sondas espaciais foram as sondas Luna lançadas à Lua pela União Soviética em 1959 . Em 1961 , a União Soviética lançou a Venera , a primeira sonda a estudar um planeta diferente da Terra , neste caso Vênus . O russo , que liderava no início da era espacial, tem papel mais ativo desde 1988 e deixou o posto nos Estados Unidos . A Agência Espacial Europeia ( Mars Express , Venus Express , Rosetta , participação na sonda Cassini-Huygens ) e o Japão ( Hayabusa , SELENE ) também ocupam um lugar crescente. Por fim, a China e a Índia também realizam sondas espaciais desde o final dos anos 2000 . Para compensar um alto custo de desenvolvimento (um valor que pode ultrapassar um bilhão de euros ), a realização de sondas espaciais é hoje frequentemente objeto de cooperação internacional.
Definição
Uma sonda espacial é um veículo espacial lançado sem uma tripulação humana cujo objetivo é explorar um ou mais corpos celestes - planeta , lua , cometa , asteróide - ou o meio interplanetário ou interestelar . Sua carga útil é composta por instrumentos científicos de diversos tipos - câmeras operando ou não em luz visível, espectrômetros , radiômetros , magnetômetros, etc. - que permitem a coleta de dados in situ ou remotamente que são transmitidos à Terra. Se, em sua arquitetura geral, uma sonda espacial costuma estar perto de um satélite artificial orbitando a Terra, várias características a tornam dispositivos especiais:
- a distância entre os operadores no terreno e a máquina, que requer grande autonomia e um sistema de comunicação potente e preciso;
- a complexidade das tarefas a serem vinculadas: aterrissagem em objetos celestes com atmosfera ou de baixíssima gravidade, direcionamento preciso dos instrumentos em alvos em movimento em alta velocidade, coleta de amostras, procedimentos de backup em caso de falha;
- a precisão e complexidade da navegação;
- exposição a raios cósmicos ;
- a sofisticação da instrumentação científica ligada à necessidade de aliviar a carga útil e o desempenho requerido;
- o baixo nível de energia solar disponível se a sonda for destinada aos planetas exteriores;
- temperaturas muito mais extremas quando a sonda é enviada aos planetas exteriores ou abaixo da órbita de Mercúrio ;
- a duração da missão, que pode começar após um trânsito de até dez anos.
Desenho de uma missão
Como qualquer projeto espacial, o desenvolvimento e, em seguida, a gestão operacional de uma sonda espacial é dividido em várias fases, cujas características (entradas, resultados) são comuns às várias agências espaciais.
| Estágio | Intitulado | Metas | Entregável | Revisão de fim de fase | Observações |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | Identificação de necessidades | Identificar necessidades Conceitos de pesquisa Avaliar custos e prazos |
Revisão da definição da missão | ||
| NO | Viabilidade | Refinar necessidades Avaliar conceitos |
Selecionando uma solução | Revisão dos requisitos preliminares | |
| B | Definição preliminar | Confirme a viabilidade Realize uma definição preliminar |
Revisão dos requisitos do sistema Revisão das definições preliminares |
||
| VS | Definição detalhada | Definição detalhada | Especificações para fabricação | Revisão crítica da definição | |
| D | Produção / qualificação de solo | Fabricação, teste | Entrega de nave espacial | Revisão de qualificação Revisão de aceitação |
|
| E | usar | Verifique a prontidão operacional, opere a máquina | Operacional prontidão revisão vôo revisão de prontidão Análise operacional |
Esta fase começa com o lançamento da sonda espacial | |
| F | Retirada do serviço | Retire do serviço operacional sem perturbar o meio ambiente | Fim da vida |
Seleção de projeto
As missões de exploração do sistema solar são caras e, portanto, raras (algumas missões por ano, todas as agências espaciais combinadas), enquanto os temas de estudo se multiplicam conforme os avanços científicos. O processo de seleção é, portanto, rigoroso e muito supervisionado. As principais agências espaciais dependem para determinar a sua estratégia de exploração do espaço em documentos produzidos pelas principais autoridades científicas. Para a NASA, esta é a Pesquisa decadal da Ciência Planetária produzida a cada dez anos, enquanto a Agência Espacial Europeia produziu um documento semelhante para seu programa científico Visão Cósmica , criado em 2004 para projetos que levem até 2015-2025. O CNES francês, embora tenha um orçamento de investigação que não lhe permite realizar por conta própria máquinas de exploração do sistema solar, está a fazer o mesmo. Neste contexto, um convite à apresentação de ideias puramente prospectivo pode ser lançado pela agência espacial, seguido de um convite à apresentação de propostas (AO). Este último normalmente leva à seleção e, em seguida, ao desenvolvimento de uma missão. É lançado dentro de um quadro orçamental pré-estabelecido. Na NASA esta linha de orçamento para um tipo de missão está disponível periodicamente como no caso de Novas Fronteiras ou Descoberta, que permitem o desenvolvimento de 2 e 4/5 missões por década, respectivamente. A ESA, que tem apenas uma fração do orçamento da NASA, seleciona missões muito antes de serem lançadas. A data de lançamento costuma ser adiada para lidar com as restrições orçamentárias. As equipas que respondem aos concursos incluem engenheiros e cientistas. Eles apresentam propostas detalhando objetivos científicos, características técnicas e aspectos financeiros. A escolha é feita por comitês científicos que levam em consideração a estratégia científica de longo prazo definida pelos documentos produzidos pelas autoridades acadêmicas no início desse processo.
Fases de design
Produção
Tipos de missões de exploração
O método de exploração adotado para uma sonda espacial é essencialmente determinado pelos objetivos científicos perseguidos e pelas restrições de custo. Se este é, por exemplo, o primeiro estudo de um planeta, o ideal é colocar a sonda espacial em órbita ao seu redor para fazer observações em todo o planeta durante longos períodos de tempo. Mas colocá-lo em órbita exige o acréscimo de uma propulsão carregada de frenagem, o que representa um grande custo. Por este motivo, podemos optar por realizar um sobrevoo simples do objetivo, otimizando a trajetória para que os instrumentos científicos coletem o máximo de dados. Por fim, a escolha de um método de exploração está condicionada ao nível de especialização da nação ou do grupo de nações que está desenvolvendo a sonda espacial. O nível de dificuldade mais baixo está voando sobre um planeta interno do sistema solar. A remoção de um rover parcialmente autônomo no planeta Marte, caracterizado por alta gravidade e uma atmosfera, só foi realizada em 2013 pela NASA.
Dependendo do método de exploração usado, as sondas espaciais podem ser classificadas em 9 categorias principais. Algumas sondas espaciais pertencem a várias categorias ao mesmo tempo, por exemplo, quando combinam um orbitador e um módulo de pouso ( Viking ).
Sonda realizando um sobrevôo
As sondas espaciais podem ser projetadas para realizar um sobrevôo simples do objeto celeste a ser estudado. Nos casos mais simples, essas sondas devem ser colocadas apenas em uma trajetória precisa da Terra para realizar suas missões ao custo de algumas pequenas correções durante o trânsito. As primeiras sondas interplanetárias como a Mariner 4 eram desse tipo. Os objetivos que podem ser alcançados por este tipo de missão são, no entanto, limitados: o tempo de observação é muito curto porque a sonda está voando a uma velocidade de vários km / s, muitas vezes apenas um lado do corpo celeste é visível no momento de o voo e as condições de iluminação não são as ideais. Este método de observação pode ser o único que pode ser usado para os objetos celestes mais distantes (visão geral de Plutão por Novos Horizontes ). Também é usado para missões de reconhecimento sofisticadas cujo objetivo é vincular o estudo de vários planetas ou luas (sondas Voyager ). Finalmente, esta pode ser a única maneira de estudar objetos menores - cometas e asteróides - cuja velocidade relativa é muito alta para permitir que eles sejam colocados em órbita (missão Stardust ).
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A sonda Vega .
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Modelo das sondas Voyager .
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A sonda New Horizons
Orbiter
Um orbitador é uma sonda espacial que, após passar pelo seu objetivo, orbita o corpo celeste a ser estudado. Esta é a segunda maior categoria de sondas espaciais junto com aquelas que realizam um sobrevôo. Para poder entrar em órbita, a sonda espacial deve reduzir muito sua velocidade ao chegar perto de seu objetivo. Os propelentes usados para esta operação de frenagem podem representar uma fração significativa da massa total da máquina (normalmente cerca de 50% para Marte). O orbitador torna possível fazer observações regulares de quase toda a superfície do corpo celeste por vários anos. O orbitador é a etapa que segue logicamente o envio de uma sonda realizando um sobrevôo simples. A órbita da sonda espacial é escolhida em função dos objetivos perseguidos, mas também das restrições de massa. Missões com orçamento restrito como o Mars Express escolherão uma órbita elíptica que é menos eficiente, mas menos cara em propelentes do que uma órbita circular baixa escolhida para a maioria dos orbitadores marcianos da NASA.
Sonda Atmosférica
Uma sonda atmosférica é uma sonda espacial que atravessa a atmosfera de um planeta para estudá-la. Sua missão é relativamente curta, pois geralmente dura o tempo de sua descida (não propelida) até o solo. Durante esta fase, ele só precisa de uma quantidade limitada de energia e, portanto, extrai essa energia das baterias. A sonda atmosférica é geralmente transportada para o planeta explorado por uma nave-mãe. O planeta Vênus foi estudado em particular por este método com a série de sondas soviéticas do programa Venera . Outras sondas atmosféricas notáveis são Huygens, que estudou a atmosfera de Titã , a sonda atmosférica de Galileu que mergulhou nas camadas superiores do planeta gigante gasoso Júpiter . A atmosfera muito densa de Vênus permitiu a implementação dos balões do programa Soviético Vega, que eram capazes de transmitir dados por várias dezenas de horas.
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Sonda atmosférica de Galileu .
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Sondas atmosféricas Pioneer Venus
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A sonda Huygens .
Lander
Um módulo de pouso é um tipo de espaçonave projetada para sobreviver ao pousar no solo de um planeta ou lua e, em seguida, usar seus instrumentos científicos para coletar dados na superfície que são transmitidos à Terra, direta ou indiretamente (por meio de outra espaçonave em órbita). A Lua e o planeta Marte foram explorados em particular por espaçonaves deste tipo com, por exemplo, as sondas do programa Surveyor , as duas sondas do programa Viking ou a sonda Phoenix . O pouso suave é a principal dificuldade enfrentada pelos projetistas desse tipo de embarcação. O uso de um pára-quedas, implementado por exemplo por Huygens em Titã, requer a presença de uma atmosfera suficientemente espessa e, portanto, não é adequado em Marte. Com massa e custo reduzidos em relação a outros métodos, o pára-quedas não permite uma aterrissagem totalmente controlada. Para pousar em corpos celestes desprovidos de atmosfera, é necessário recorrer a motores de foguetes que reduzem gradativamente a velocidade da espaçonave. No entanto, eles requerem o transporte de uma grande quantidade de combustível. Para Marte, a NASA desenvolveu técnicas de pouso específicas: os airbags implementados pela primeira vez pela Mars Pathfinder e um sistema muito sofisticado de queda no solo por um piso atuando como um "guindaste voador" implementado em 2012 pelo Mars Science Laboratory sonda .
Rover / rover
Um rover ou rover após pousar no chão de um corpo celeste se move para estudos in situ em vários pontos de interesse científico. Podem ser necessários pequenos laboratórios reais para analisar as amostras coletadas, como o Mars Science Laboratory . Sua energia pode ser produzida por painéis solares ou RTGs (gerador elétrico nuclear). É controlado remotamente se a distância não for muito grande (Lua). No entanto, a distância é muito grande para os rovers marcianos, implicando em atrasos de comunicação significativos. Eles têm, portanto, certa autonomia para seus movimentos, que se baseia em programas de análise de campo. No entanto, as viagens de um dia não ultrapassam os cem metros. A Lua e Marte são atualmente os únicos dois corpos para onde os rovers foram enviados.
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O rover lunar soviético Lunokhod.
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O veículo espacial MER Spirit .
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O rover Curiosity .
Aerobot
Um aerobot (contração aeronave-robô) é uma sonda planetária semelhante a uma aeronave . Até agora, muitas vezes eram do tipo aeróstato , mas também podem ser do tipo aeródino ou aerogiro, como as futuras sondas espaciais do novo tipo: " Dragonfly " e " Mars Helicopter Scout ".
Em termos técnicos, é um veículo robótico de exploração planetária aeronáutica, ou uma aeronave de exploração planetária autônoma.
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Técnico em modelo de aerogiro durante a fase de testes em câmara de vácuo do JPL, no âmbito do projeto de voo do minicelicóptero Ingenuity (voou em 19/04/21).
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Balão de ar quente carregando instrumentos que estudam a atmosfera de Titã proposto como parte do projeto Titan Saturn System Mission .
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Projeto ARES de um planador voando na atmosfera de Marte estudado como parte do programa Mars Scout (visão do artista).
Missão de retorno de amostra
O objetivo de uma missão de retorno de amostra é trazer de volta à Terra para análise amostras de outro corpo celeste - planeta , cometa , asteróide - ou partículas interplanetárias ou interestelares. Comparado a um estudo realizado in loco por instrumentos de um robô como o rover Curiosity marciano , o retorno de uma amostra de solo à Terra permite realizar análises com muito maior precisão, manipular a amostra e modificar as condições experimentais. à medida que a tecnologia e o conhecimento avançam. Este tipo de missão envolve grandes dificuldades: dependendo do alvo, é necessário capturar partículas que se deslocam a vários km / s, para conseguir uma aterragem automática sobre um corpo praticamente desprovido de gravidade ou, pelo contrário, para poder aterrar e descolar novamente de um poço de gravidade significativa e, em todos os casos, reentrar na atmosfera da Terra em alta velocidade e com grande precisão. O retorno à Terra de amostras de solo marciano, que em 2016 constitui um dos objetivos mais importantes para o estudo do sistema solar , ainda não se concretizou por razões financeiras e tecnológicas.
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Modelo do módulo lunar Luna 16 com seu sistema de coleta e no topo o foguete / cápsula carregado com o retorno à Terra.
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Vento solar coletor de partículas de Genesis
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Coletor de partículas de poeira da cauda do cometa composto de blocos de aerogel a bordo da Stardust .
Penetrador
Um penetrador é uma pequena espaçonave projetada para penetrar no solo de um corpo celeste (planeta, lua, asteróide ou cometa) em alta velocidade, sofrendo uma desaceleração de várias centenas de g. As informações coletadas por instrumentos científicos de bordo são convencionalmente transmitidas por um pequeno transmissor para a nave-mãe em órbita que, por sua vez, as retransmite para estações na Terra. O conceito de penetrador torna possível evitar o transporte de pára-quedas e foguetes necessários para um pouso suave e, assim, aliviar significativamente o peso do módulo de pouso. Mas deve ser capaz de suportar o impacto que, por sua vez, cria muitas restrições em sua massa, estrutura e desenho de sua carga útil. Vários projetos de penetradores não foram além da fase de estudo e, em 2013, apenas duas missões implementaram penetradores sem resultados devido à perda das naves-mãe: dois penetradores Deep Space 2 estavam a bordo do Mars Polar Lander e dois outros a bordo do Mars 96 .
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Penetrador Deep Space 2 .
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Penetrator March 96 .
Satélites de telecomunicações
Um satélite de telecomunicações é responsável por retransmitir as comunicações entre a superfície de um corpo celeste onde um módulo de pouso ou rover está localizado e a Terra. Até agora, essas máquinas sempre orbitaram com seus próprios objetivos científicos, como o Mars Odyssey 2001 ou o Mars Reconnaissance Orbiter . Algumas sondas espaciais se enquadram em várias categorias, como as sondas Viking, que possuem uma sonda e um orbitador.
Demonstrador tecnológico
Um demonstrador tecnológico é uma espaçonave cujo objetivo é validar uma nova técnica. Por exemplo, Deep Space 1, cujo objetivo principal era validar o uso de propulsão iônica para missões interplanetárias.
Energia
Para funcionar, uma sonda espacial precisa de energia constante. Dispositivos recém-desenvolvidos devem ter uma potência elétrica entre 300 e 2.500 watts para alimentar computadores de bordo, transceptores de rádio, motores, instrumentos científicos, radiadores e muitos outros equipamentos. Existem apenas três fontes possíveis de energia para uma espaçonave interplanetária: painéis solares , RTGs , as únicas soluções para planetas externos muito distantes do Sol e baterias . Este último pode ser uma fonte de energia carregada antes do lançamento ou ser utilizado como sistema de armazenamento temporário da energia produzida pelos painéis solares, permitindo fazer face a períodos de eclipse, por exemplo.
Painéis solares
Os painéis solares são constituídos por um conjunto de células fotovoltaicas, cada uma das quais transforma a energia solar por efeito fotoelétrico em corrente elétrica direta . Cada célula solar é feita de um material semicondutor conectado por links elétricos. Vários tipos de materiais podem ser usados, como silício ou GaAs, mais eficientes, porém mais caros. As células mais eficientes são feitas de várias camadas muito finas de materiais semicondutores, cada uma capaz de converter uma grande parte do espectro da energia solar, que, combinada com outros dispositivos, atinge uma eficiência de 47% (47% da energia do Sol é transformada em corrente elétrica). A eficiência das células solares dos primeiros satélites da década de 1960 era de 6%. Ao conectar as células solares em série (o pólo positivo de uma célula é conectado ao pólo negativo de outra célula), a voltagem da corrente produzida é aumentada, enquanto conectando-as em paralelo (todos os pólos positivos estão ligados entre si e todos os pólos negativos são conectados juntos) a intensidade da corrente é aumentada. O painel solar atua como um suporte físico para as células solares, tem os circuitos elétricos conectando as células e mantém as células dentro de uma faixa de temperatura aceitável. Vários painéis solares podem ser ligados entre si para formar uma "asa". Normalmente os painéis solares são articulados e sua orientação pode ser alterada com um ou dois graus de liberdade . Geralmente modificando constantemente a inclinação dos painéis solares, pretende-se obter o máximo de energia, consoante o caso, desde que tenhamos atenção para que os raios solares incidam no painel perpendicularmente. Mas esta facilidade também pode ser usada para reduzir o ângulo de incidência dos raios solares a fim de limitar o aumento da temperatura ou para adaptar a produção de corrente a uma demanda mais baixa (a energia elétrica produzida diminui à medida que o cosseno do ângulo de incidência de raios solares). Em uma sonda espinhosa , os painéis solares alinham o corpo de forma cilíndrica e metade fica na sombra, enquanto a maioria das células não recebe o Sol em um ângulo ideal.
Ao nível da órbita da Terra, a energia elétrica teoricamente disponível é de 1,371 W / m 2 , 50% da qual pode ser transformada em energia elétrica com as células solares mais avançadas. Abundante nos planetas interiores, a quantidade de energia disponível é inversamente proporcional ao quadrado da distância do sol. É assim que uma sonda como a Juno, enviada à órbita de Júpiter, cinco vezes mais longe do Sol do que a Terra, recebe 25 (5 × 5) vezes menos energia solar do que ao nível da Terra. A NASA, no entanto, optou por equipar esta sonda com painéis solares que, graças à sua superfície (45 m 2 de células solares) e à sua tecnologia avançada, conseguem nestas condições fornecer 428 watts (e 15 kW ao nível da órbita terrestre) .). Mas a esta distância do Sol, o uso de RTG é mais frequente.
O desempenho dos painéis solares de uma sonda espacial se deteriora sob a ação de diversos fenômenos. A energia recebida pelo painel solar que não é convertida em energia elétrica é parcialmente refletida e parcialmente convertida em calor, o que aumenta a temperatura das células. Quando sua temperatura aumenta, a célula solar produz uma corrente de voltagem mais alta, mas a amperagem diminui, assim como a energia produzida (W = V × I). Essa diminuição no desempenho geral é de 1% por grau Celsius para células de silício e 0,5% para células GaAs. Além disso, algumas centenas de horas após sua implantação, o desempenho de um painel solar diminui em 1% devido às alterações químicas geradas pela luz. Por fim, o fator que mais causa danos é a ação das partículas energéticas produzidas pelo vento solar ou pelas tempestades solares que danificam progressivamente a estrutura cristalina. Assim, os painéis solares da sonda Magellan , colocados em órbita ao redor de Vênus , perderam dois terços de sua capacidade durante sua vida operacional. Esta degradação progressiva é levada em consideração no dimensionamento dos painéis solares quando a sonda espacial é projetada.
| Sonda espacial | Destino | Data de lançamento | Fonte de energia primária | Poder | Outras características | Observações |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cassini | Saturno | 1997 | 3 × geradores de radioisótopos | 885 watts | ||
| Huygens | Titã | 1997 | Baterias de lítioSO 2 | 1.600 watts-hora | Vida útil operacional de algumas horas | Embarcação-mãe: Cassini |
| Mars Global Surveyor | Março | 1996 | Painéis solares SiGaAs | 1000 watts | Ajustável com 2 graus de liberdade | |
| MENSAGEIRO | Mercúrio | 2004 | Painéis solares como Ga / Ge | 450 watts | Ajustável com 1 grau de liberdade 70% da superfície dos painéis solares cobertos com refletores |
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| Juno | Júpiter | 2011 | Painéis solares | 450 watts | Painel fixo, superfície da célula: 45 m 2 |
Quando a energia solar se torna muito fraca devido à distância do Sol, um ou mais geradores de radioisótopos termoelétricos substituem os painéis solares para a produção de eletricidade . Este gerador elétrico produz eletricidade a partir do calor liberado pela decomposição radioativa de materiais ricos em um ou mais radioisótopos , geralmente plutônio 238 na forma de dióxido de plutônio 238 PuO 2. O calor é convertido em eletricidade por meio de termopares . A eficiência energética é reduzida: menos de 10% do calor produzido é convertido em eletricidade e o restante deve ser evacuado por radiadores. Para melhorar esses desempenhos, a pesquisa atual é direcionada a conversores termiônicos e geradores de radioisótopos Stirling , que poderiam multiplicar a eficiência geral por quatro, mas exigiriam peças mecânicas móveis que podem travar com o tempo. O gerador termoelétrico de radioisótopos é particularmente adequado para produzir uma fonte de alimentação estável e de longo prazo necessária para instrumentos de bordo em sondas interplanetárias. Assim, o gerador a bordo da sonda New Horizons é capaz de fornecer uma fonte de alimentação estável de 200 W por mais de 50 anos. No entanto, a presença de plutônio-238 em um dispositivo susceptível de ser vítima de falha do lançador, suscita fortes temores na opinião pública, apesar dos dispositivos de proteção (blindagem) que se mostraram eficazes na prática.
As sondas espaciais lançadas em direção a Júpiter ou além, como a Voyager 1 , Cassini ou New Horizons, usam geradores termoelétricos de radioisótopos para seu fornecimento de energia. No entanto, graças ao aumento do rendimento das células solares, as duas últimas sondas espaciais desenvolvidas para a exploração de Júpiter - Juno e JUICE usam painéis solares que são, no entanto, muito grandes (60 m 2 para Juno). Esses geradores também foram usados em duas máquinas lançadas em direção à superfície de Marte - Viking 1 e 2 e o rover Curiosity, porque permitem superar o ciclo dia / noite e são insensíveis a depósitos de poeira. Geradores de fornecer energia modesta: 100 W (45 kg ) por curiosidade , 300 W (a 56 kg ) para o serviço de sonda americana no início do XXI th século . Para atender às suas necessidades elétricas, algumas sondas carregam até três geradores (Cassini, Voyager ).
Baterias
Controle de orientação
Propulsão
Para cumprir sua missão, a sonda espacial precisa de um sistema de propulsão. Este pode cumprir várias funções que dependem dos objetivos da missão e de certas escolhas de arquitetura da sonda espacial:
- Orbitando ao redor do planeta a ser estudado ( orbitador );
- Correções de caminho;
- A dessaturação das rodas de reação se a sonda espacial usar este sistema para controlar sua orientação ;
- Controle de orientação na ausência de rodas de reação;
- Controle vetorial de velocidade quando a propulsão principal é usada.
Esses diferentes tipos de uso requerem propulsores com características muito diferentes ( impulso , número de fogos, duração). Além disso, a sonda espacial geralmente tem vários tipos de propulsores para atender a essas necessidades. De uma maneira relativamente convencional, uma sonda espacial compreende um motor de foguete principal com um impulso de várias centenas de newtons para o lançamento em órbita, aglomerados de pequenos propulsores cujo impulso varia de alguns décimos a alguns N. para o controle de orientação e propulsores de algumas dezenas de newtons para correções de trajetória ou órbita.
Geralmente são motores de propelente líquido monoergol que queimam hidrazina ou biergóis (geralmente hidrazina + peróxido de hidrogênio ) que têm a vantagem de serem armazenáveis por longos períodos e de serem hipergólicos (de queimar espontaneamente sem dispositivo de disparo). Esses propelentes são geralmente pressurizados pelo próprio hélio armazenado em tanques sob alta pressão. Pequenos propulsores de gás frio também são raramente encontrados (usados para evitar a poluição dos instrumentos ou amostras coletadas, motores iônicos ( Deep Space 1 demonstrator , Dawn ) que requerem uma arquitetura de missão adaptada e motores propelentes sólidos (para inserção em órbita) usados no início da era espacial (Landers lunares do programa Surveyor ).
| Tipo de propulsão | usar | Impulso | Impulso específico | Outro recurso | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Inserção em órbita | Correção de trajetória Correção de órbita |
Controle de atitude | ||||
| Propulsor de gás frio | X | 0,05 - 20 N. | 50-170 | |||
| Propelente sólido | X | 50- N. | 280-310 | Pode ser usado uma vez | ||
| Propulsão de propelente líquido | ||||||
| Monoergol hidrazina catalítico | X | X | 220 - 240 N. | 0,5-2500 | ||
| Monoergol de hidrazina superaquecido | X | X | 280 - 300 N. | 0,05-0,5 | ||
| Diergol ( monometilhidrazina e peróxido de nitrogênio ) | X | X | X | 220 - 240 N. | 5-500 | |
| Diergol (hidrazina e peróxido de nitrogênio) | X | X | X | 280 - 340 N. | 5-500 | |
Telecomunicações
O sistema de telecomunicações de uma sonda espacial é responsável pela troca de dados entre ela e as estações na Terra. Estes incluem, na sonda espacial - direção da Terra (downlink), dados de telemetria fornecidos periodicamente que permitem monitorar o estado da espaçonave, bem como os dados coletados por instrumentos científicos que materializam os resultados da missão. Na direção da sonda espacial (uplink), passe as instruções dadas à sonda, bem como quaisquer atualizações de software. As características do sistema de telecomunicações dependem da distância entre a sonda espacial e a Terra, da quantidade de energia disponível, da massa da sonda. O componente mais visível do sistema é a antena parabólica de grande ganho . Quanto maior o diâmetro dessa antena, mais concentrado será o feixe de rádio transmitido e a taxa de transferência, o que é vital quando a distância da Terra causa uma queda acentuada na taxa de transferência. A antena pode ser fixa ou orientável para permitir que seja apontada para a Terra independentemente da orientação escolhida para a sonda, muitas vezes limitada pela direção do Sol (produção de energia) ou em relação ao objeto estudado (câmeras ...).
Para que o link de rádio funcione, o feixe de rádio emitido pela antena de alto ganho deve ser apontado precisamente para a Terra. A sonda espacial também sempre tem antenas omnidirecionais de baixo ganho, que permitem apenas uma taxa de dados muito baixa, mas não exigem nenhum apontamento. Estas antenas são implementadas a uma curta distância da Terra mas, sobretudo, permitem manter a ligação de rádio em caso de falha do problema de apontamento da antena de alto ganho, por exemplo, quando a sonda espacial já não consegue manter a sua orientação em após uma falha de seu computador ou sistema de controle de atitude. Existem também antenas com características intermediárias chamadas de ganho médio, que emitem um feixe amplo de 20 a 30 ° com taxas de bits médias. O rádio transmissor transmite na banda S , X ou Ka .
Autonomia
Instrumentos científicos
O objetivo das sondas interplanetárias é realizar investigações científicas. Estes requerem o transporte de instrumentos científicos que constituem a carga útil da sonda.
Análise da radiação eletromagnética no cerne da instrumentação científica
A maioria dos instrumentos científicos a bordo de uma sonda espacial, em particular a bordo de um orbitador, baseiam-se na análise da radiação eletromagnética emitida pelos objetos observados. Esses instrumentos são, por exemplo, câmeras, espectrômetros e radares. Eles exploram o fato de que a matéria em todos os seus estados (gás, sólido, etc.) emite radiação que constitui uma assinatura que permite a identificação e quantificação de seus componentes ( moléculas ou, na falta disso, um tipo de átomo ). Na verdade, o espaço é permanentemente atravessado por radiação eletromagnética produzida por objetos celestes ( estrelas , planetas ), mas também resultante de eventos passados (explosão estelar, Big Bang, etc.). Essa radiação é mais ou menos energética (desde as ondas de rádio menos energéticas aos raios gama passando por microondas , infravermelho , luz visível , ultravioleta e raios X ) dependendo do fenômeno que a originou. A matéria interage com essa radiação: dependendo do comprimento de onda da radiação incidente, ela pode absorver essa radiação ( linhas de absorção ) ou pode reemitê-la com maior intensidade em outros comprimentos de onda ( linhas de emissão ). O fenômeno da fluorescência, no qual um material é atingido por radiação invisível e reemite em radiação visível, é o caso mais popular.
Métodos de observação
Os instrumentos são classificados em 4 categorias principais de acordo com o método de observação utilizado:
- Sensoriamento remoto / observação direta
- O sensoriamento remoto é a observação de um objeto remoto. As câmeras permitem obter por este método uma imagem de um objeto distante e um espectrômetro mede os comprimentos de onda da radiação emitida por esse objeto.
- A observação direta ou in situ é a medição de fenômenos em contato com os sensores do instrumento: um magnetômetro mede o campo magnético nas imediações do instrumento e um detector de poeira mede as partículas que atingem seu sensor diretamente.
- Instrumento passivo / ativo
- Um instrumento ativo utiliza energia para sondar um objeto: é por exemplo o caso de um radar que emite ondas de rádio que são refletidas pelo objeto estudado, sendo essas ondas então analisadas. Este também é o caso do espectrômetro de raios-X de partículas alfa, que emite partículas de alta energia de uma fonte radioativa. Este último atinge o objeto colocado em contato com ele (uma rocha) e o instrumento analisa os raios X retornados pelo objeto.
- Um instrumento passivo se contenta em observar o que já está lá, sem fornecer energia para sondar o objeto. Este é o caso de uma câmera, a menos que um ponto de luz ilumine o objeto (caso da câmera de bordo em Huygens ).
Categorias de instrumentos científicos
Câmeras e telescópios ... Radares de velocidade Radiômetro e Scaterômetro Espectrômetro, espectrógrafo e espectroscópio Espectrômetro de massaAlgumas moléculas , como nitrogênio ou argônio, interagem pouco com a radiação eletromagnética . Já as moléculas pesadas interagem de maneira complexa com as emissões distribuídas por toda a banda espectral, o que dificulta sua interpretação e identificação da molécula original. O espectrômetro de massa é um instrumento utilizado para identificar e quantificar moléculas desse tipo. É um instrumento adequado também para casos em que a densidade das moléculas é baixa. O espectrômetro de massas trabalha em contato com o material utilizado, o que limita seu uso a sondas atmosféricas e a máquinas que pousam na superfície dos objetos celestes estudados (lander, rover). Seu funcionamento é baseado na medição da massa das moléculas. Diferentes técnicas podem ser usadas. Depois de ionizado, o material a ser analisado passa por um detector que pode ser um analisador quadrupolo (análise da trajetória em um campo magnético) ou um sistema de medição de velocidade , etc.
Espectrômetro de raios x Magnetômetro Detector de ondas de rádio e plasma Detector de poeira Detector de partículas carregadasProgresso de uma missão
Lançar
Transito
Fase operacional
Sondas espaciais que deram origem a inovações tecnológicas ou científicas
A tabela de resumo abaixo é um resumo das missões de sondas espaciais que resultaram em um grande avanço técnico ou científico.
| Missão | Lançar | Modelo | Destino principal | Principais realizações |
|---|---|---|---|---|
| Luna 2 ou Lunik 2 | 1959 | Lua | Primeiro objeto feito pelo homem a colidir com outro corpo no Sistema Solar. | |
| Pioneer 1 | 1958 | Espaço interplanetário | Primeira sonda espacial americana a ter sucesso em sua missão | |
| Luna 3 | 1959 | Orbiter | Lua | Primeira sonda espacial soviética a concluir com sucesso sua missão. Primeiras fotos do outro lado da lua. |
| Marinar 2 | 1962 | Visão geral | Vênus | Primeira sonda espacial estabilizada de três eixos Primeiro vôo bem-sucedido sobre Vênus. |
| Marinar 4 | 1964 | Visão geral | Março | Primeiro vôo bem-sucedido sobre Marte. |
| Luna 9 | 1966 | Lander | Lua | Primeiro pouso suave em outro corpo celeste. |
| Venera 7 | 1970 | Orbiter | Vênus | Primeiro pouso suave no solo de Vênus. |
| Luna 16 | 1970 | Retorno de amostra | Lua | Primeira missão de devolução de amostra |
| Luna 17 | 1970 | Andarilho | Lua | Primeiro rover controlado remotamente no solo de outro corpo celeste |
| 03 de março | 1971 | Lander | Março | Primeiro pouso suave de uma sonda espacial em Marte |
| Marinar 10 | 1973 | Visão geral | Mercúrio | Primeiro sobrevôo bem-sucedido em Mercúrio. Primeiro uso da assistência gravitacional de um planeta para modificar a velocidade e a trajetória de uma sonda espacial. |
| Pioneer 10 | 1972 | Visão geral | Planetas exteriores | Primeiro cruzamento do cinturão de asteróides Primeiro vôo sobre Júpiter Primeiro uso de um gerador termoelétrico radioisótopo |
| Pioneer 11 | 1973 | Visão geral | Planetas exteriores | Primeiro vôo sobre Saturno |
| Viking 1 e 2 | 1975 | Lander | Março | Primeira análise detalhada in situ do solo marciano Primeira implementação de uma técnica de pouso controlada e precisa |
| Voyager 1 e 2 | 1977 | Visão geral | Júpiter , Saturno , Urano e Netuno ( Voyager 2 ) | Primeira observação dos anéis de Júpiter Descoberta do vulcanismo de Io Descoberta da estrutura da superfície da Europa Composição da atmosfera de Titã Estrutura dos anéis de Saturno Primeiro vôo de Titã ( Voyager 1 ) Primeira (e somente em 2016) visão geral por Urano e Netuno ( Voyager 2 ) |
| Vega 1 e 2 | 1984 | Visão geral | Vênus | Primeiro uso de balões para sondar a atmosfera de outro planeta |
| Giotto | 1985 | Visão geral | Cometa Halley | Primeiro voo sobre o núcleo de um cometa Primeira missão interplanetária da Agência Espacial Europeia |
| Galileo | 1989 | Orbiter | Júpiter e seus satélites | Estudo da atmosfera de Júpiter Estudo do vulcanismo de Io Primeira sonda atmosférica na atmosfera de Júpiter Primeiro vôo sobre um asteróide Gaspra (1991) |
| Magalhães | 1989 | Orbiter | Vênus | Mapeamento detalhado da superfície de Vênus com alta resolução Primeiro uso de radar de abertura sintética para mapear um planeta |
| Hiten | 1990 | Demonstrador tecnológico | Meio interplanetário | Primeira sonda para usar a técnica de freio a ar |
| Mars Global Surveyor | 1996 | Orbiter | Março | Primeiro uso da técnica de freio a ar para entrar em órbita ao redor de outro planeta. |
| Cassini-Huygens | 1997 | Orbiter | Saturno e Titã | Análise das atmosferas de Titã e Saturno Estudo detalhado dos satélites de Saturno Estudo detalhado dos anéis de Saturno A Huygens realiza a primeira análise in situ da atmosfera da lua Titã e tira as primeiras fotos de seu solo. |
| poeira estelar | 1999 | Retorno de amostra | Cometa Selvagem | Primeiro retorno de uma amostra de um cometa à Terra (2011) |
| NEAR Shoemaker | 2000 | Orbiter | Asteróide Eros | Primeiro pouso suave em um asteróide |
| Odisséia de março de 2001 | 2001 | Orbiter | Março | Descoberta de grandes quantidades de água em Marte |
| Gênese | 2001 | Retorno de amostra | Ponto Lagrange L 1 do sistema Sol-Terra | Primeira amostra de vento solar Primeira sonda espacial que trouxe de volta uma amostra de matéria além da lua. |
| Espírito | 2003 | Andarilho | Março | Primeiro rover autônomo no solo de outro planeta. |
| Mensageiro | 2004 | Orbiter | Mercúrio | Colocado em órbita em torno de Mercúrio (2011) |
| Rosetta | 2004 | Orbiter e Lander | Cometa Churiumov-Guerassimenko | Primeira órbita ao redor de um cometa (2014) Primeira sonda no solo de um cometa |
| Impacto profundo | 2005 | Visão geral | Cometa Tempel 1 | Primeiro uso de um impactador para analisar o solo de outro corpo celeste. |
| Hayabusa | 2005 | Retorno de amostra | Asteróide Itokawa | Primeira amostra de solo de um asteróide trazido de volta à Terra |
| Novos horizontes | 2006 | Visão geral | Plutão e seu satélite Caronte | Primeira visão geral de Plutão e Caronte (2015) |
| Fénix | 2007 | Lander | Março | Primeira análise in situ do solo dos pólos marcianos |
| Chang'e 1 | 2007 | Orbiter | Lua | Orbiter. Primeira sonda espacial chinesa |
| Alvorecer | 2011 | Orbiter | Vesta e Ceres asteróides | Primeira sonda espacial a estudar Ceres e Vesta Primeiro uso de motores iônicos para uma missão científica interplanetária Primeira sonda espacial a ser inserida sucessivamente em torno de dois corpos celestes Registre a capacidade de propulsão (delta-V> 10 km / s ) |
| Chandrayaan-1 | 2008 | Orbiter | Lua | Orbiter. Primeira sonda espacial indiana |
| Juno | 2011 | Orbiter | Júpiter | Primeira sonda espacial para um planeta externo usando painéis solares |
| Mars Science Laboratory | 2011 | Andarilho | Março | Uso de uma técnica de pouso de alta precisão Grave a massa da instrumentação científica no solo de outro planeta Primeiro uso de um RTG em um rover |
| Chang'e 4 | 2018 | Lander e rover | Lua | Primeira aterrissagem no outro lado da lua |
Missões em andamento ou em desenvolvimento
Notas e referências
Notas
- Para lançar com sucesso uma sonda espacial em direção a um planeta externo, a velocidade inicial deve ser muito alta: você tem que se retirar quase completamente do poço gravitacional do sistema solar e tem que ir rapidamente para que o tempo de trânsito não seja demasiado longo. O lançador será tanto mais importante quanto a massa da sonda for reduzida. O propelente necessário para colocá-lo em órbita representa facilmente metade da massa de uma sonda. No caso de uma sonda lançada em direção a um planeta externo, ainda mais propelentes são necessários porque a velocidade de chegada é maior.
Referências
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Bibliografia
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Veja também
Artigos relacionados
links externos
- ( fr ) Apresentação educacional dos principais conceitos de uma missão interplanetária pelo centro JPL da NASA
- ( fr ) Resumo sobre o uso de painéis solares para a exploração dos planetas externos [PDF]
- (pt) Síntese sobre projetos de sonda interestelar (2000) [PDF]
- (pt) Ponto da situação: painéis solares e baterias (2015) [PDF]