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WORKSHOP HANDS-ON: DINÂMICA ORBITAL
Os pequenos satélites, especialmente os CubeSats, representam uma das inovações que transformaram o setor de satélites, integrando serviços de satélites para diferentes objetivos e abrindo horizontes para novos negócios. O número de missões de pequenos satélites propostas ou lançadas aumentou significativamente nos últimos anos, devido ao crescimento das oportunidades de lançamento, aos avanços tecnológicos e à criação de padrões dedicados que contribuíram para a criação de um novo mercado mundial de desenvolvedores e clientes. Por exemplo, recentemente, o nanossatélite Alfa Crux desenvolvido pela Universidade de Brasília (UnB) com recursos da FAP DF, foi lançado ao espaço para cumprir sua missão inovadora no nível nacional com objetivo de desenvolver um sistema de comunicação via rádio para áreas remotas do país e testar tecnologias de pesquisa e monitoramento climático.
O objetivo principal desse workshop é mostrar como a aplicação da análise de viabilidade de missões espaciais usando ferramentas de simulação do Ansys contribui no desenvolvimento de projetos de engenharia aeroespacial, promovendo a capacitação completa de uma nova geração de profissionais para o mercado e em uma busca de proveitos para além da universidade. O workshop consiste de duas partes: o curso teórico e o curso de prática (hands-on).
A primeira parte de 3,5 – 4 horas é ofertada pela professora Maria Cecília França de Paula Santos Zanardi (Professor adjunto aposentado da UNESP – Campus de Guaratinguetá). Nesta parte é discutida a dinâmica do movimento rotacional de satélites artificiais, através das equações do movimento, destacando a representação da atitude através dos quatérnios e ângulos de Euler, a modelagem dos principais torques ambientais atuantes no satélite e a estimação de atitude através do método TRIAD (Triaxial Attitude Determination). São considerados os torques de gradiente de gravidade, magnéticos, aerodinâmico e de radiação solar. Aplicações são realizadas para os Satélites de Coleta de Dados Brasileiros, SCD1 e SCD2, que se caracterizam por serem satélites estabilizados por rotação, com o eixo de rotação coincidente com o eixo de maior momento de inércia. Os resultados são obtidos por um propagador numérico que utiliza o método de Runge Kutta de 4ª ordem, fazendo a comparação dos resultados numéricos obtidos com os dados reais fornecidos pelo INPE e com os obtidos por uma solução analítica das equações do movimento. São analisados o ângulo de ascensão reta e declinação do eixo de rotação, o módulo da velocidade de rotação e o erro de apontamento. Os resultados obtidos comprovam a validade da teoria desenvolvida. O método de estimação de atitude TRIAD é um método determinístico muito utilizado no início da exploração espacial, que aceita apenas uma quantidade mínima de dados e é de fácil implementação numérica. A discussão desse método é importante para o aprendizado inicial da estimação de atitude, antes de se utilizar métodos mais refinados, tais como Método dos Mínimos Quadrados, Filtro de Kalman, algoritmo QUEST (QUaternio ESTimation) dentre outros. O curso teórico será realizado na localização principal do congresso.
O curso de prática tem por foco possibilitar que os participantes possam aplicar na prática, por meio de simulação computacional permitida pelo STK, os conceitos de dinâmica orbital, dinâmica de atitude e os conceitos principais de desenvolvimento e análise de missões espaciais e de seus subsistemas de Engenharia Aeroespacial. Dessa forma, esse curso de prática abordará uma introdução de viabilidade de missões espaciais usando ferramentas de simulação do STK abordando os temas: a tecnologia cubesat e seus subsistemas, a engenharia de sistemas espaciais, conceitos de mecânica orbital, payloads óticos e análises de cobertura, introdução a ferramenta STK – Básico da ferramenta, projeto de design e tradeoffs de órbitas, orçamento energético e link de comunicação, geração de potência solar e análise de comunicação, introdução a ferramenta Ansys Mechanical para nanossatélites, Introdução a ferramenta Ansys Eletromag para nanossatélites. O curso de prática será realizado nas dependências da Universidade de Brasília, Faculdade de Ciências e Tecnologias em Engenharias, no Laboratório Computacional COSMOS (Computational Aerospace Simulations and Modeling Laboratory), prédio LDTEA. Esse laboratório computacional contém computadores com a licença do software STK. O responsável pelo curso de prática é professor William Reis da Engenharia Aeroespacial da Universidade de Brasília.
O workshop tem como resultado esperado o desenvolvimento e capacitação de futuros profissionais e desenvolvimento e validação de novas tecnologias e análise de missões espaciais aplicadas à Cubesats. A equipe de Gama Cube Design, formada por alunos da graduação de todas as engenharias da Faculdade do Gama da Universidade, dará apoio aos tópicos do workshop. Do ponto de vista acadêmico, são esperados a participação de alunos e da comunidade externa, onde serão apresentados os principais projetos da equipe para integração e divulgação científica.
Referências para a parte teorica do Workshop:
[1] Pisacane, V. L.; Moore, R. C. Fundamentals of Space System. Oxford University Press, New York, 1994.
[2] Wertz, J. R. Spacecraft Attitude Determination and Control. D. Reidel, Dordrecht, Holanda, 1978.
[3] Zanardi, M. C.; Real, F. F. Environmental Torques Acting on a Low Earth Orbiter Cylindrical Spacecraft. Adv. in Sp. Res., Vol. 31, No. 8, pp. 1981-1986, Elsevier Ltd., 2003.
[4] Zanardi, M. C. F. P. S. Dinâmica do Voo Espacial. Editora UFABC, Santo André/SP, 2018.
[5] Zanardi, M. C. e Mota, V. Influence of geomagnetic field models on analytical propagator for SPIN stabilized satellites. Braz. J. of Develop. Curitiba, v. 6, n 3, p 15648-15663, 2020.