Prevenção de colisão (nave espacial) - Collision avoidance (spacecraft)

A prevenção de colisão de espaçonaves é a implementação e estudo de processos que minimizam a chance de espaçonaves em órbita colidirem inadvertidamente com outros objetos em órbita. O assunto mais comum de pesquisa e desenvolvimento de prevenção de colisão de espaçonaves é para satélites feitos pelo homem em órbitas geocêntricas . O assunto inclui procedimentos projetados para prevenir o acúmulo de detritos espaciais em órbita, métodos analíticos para prever prováveis ​​colisões e procedimentos de prevenção para manobrar espaçonaves ofensivas para longe do perigo.

As velocidades orbitais em torno de corpos grandes (como a Terra ) são rápidas, resultando em energia cinética significativa sendo envolvida em colisões em órbita. Por exemplo, na velocidade orbital média da Terra Baixa de ~ 7,8 km / s, duas espaçonaves em colisão perpendicular teriam uma velocidade de impacto relativa combinada de ~ 12,2 km / s. Quase nenhum material estruturalmente sólido conhecido é capaz de resistir a um impacto tão energético, a maioria dos quais seria instantaneamente vaporizado pela colisão e se quebraria em uma miríade de pedaços ejetados com força em todas as direções. Por causa disso, é extremamente provável que qualquer espaçonave colidindo com outro objeto em órbita seja gravemente danificada ou completamente destruída pelo impacto.

Necessidade

Uma série de colisões em cascata entre satélites em órbita e outros objetos pode ocorrer se uma massa crítica de detritos espaciais se acumular na órbita da Terra, chamada de síndrome de Kessler . Essas colisões criariam novos fragmentos menores que aumentariam drasticamente a chance de novas colisões e criariam um ciclo de feedback positivo . Isso criaria regiões fora dos limites em órbita por causa do risco elevado de colisão e, eventualmente, bloquearia completamente o acesso ao espaço devido à ascensão arriscada através de órbitas cheias de destroços durante o lançamento.

Muito poucos de todos os satélites elevados por veículos de lançamento feitos pelo homem que permanecem na órbita da Terra hoje ainda estão funcionais. Em setembro de 2021, o Escritório de Detritos Espaciais da ESA estima que pouco mais da metade dos satélites no espaço ainda estão operacionais.

Números de quantidade estimada em satélites lançados por humanos, fornecidos pelo Escritório de Detritos Espaciais da ESA
Satélites colocados em órbita terrestre Ainda no espaço Ainda funcional
~ 12.070 ~ 7.500 ~ 4.700

Embora o número de satélites lançados em órbita seja relativamente baixo em comparação com a quantidade de espaço disponível em órbita ao redor da Terra, quase-acidentes arriscados e colisões ocasionais acontecem. A colisão do satélite de 2009 obliterou totalmente ambas as espaçonaves e resultou na criação de cerca de 1.000 novos pedaços de detritos espaciais maiores que 10 cm (4 pol.) E muitos outros menores.

Existem outros pedaços menores de material em órbita ao redor da Terra que também podem causar danos significativos aos satélites. Esses são objetos relativamente pequenos, como micro meteoróides , resquícios de colisões de satélites ou pequenos satélites naturais.

Números de quantidade estimada em estimativas de detritos espaciais, fornecidos pelo Escritório de Detritos Espaciais da ESA
Objetos de detritos rastreados regularmente Eventos que resultam em fragmentação Objetos de destroços estimados em órbita
> 10 cm 1-10 cm 1 mm - 1 cm
~ 22.300 > 500 > 34.000 ~ 900.000 > 128 milhões

Esses objetos parecem inócuos, mas mesmo partículas minúsculas, como manchas de tinta perdidas, podem danificar a espaçonave. Manchas de tinta causaram substituições de janelas necessárias após muitos voos do ônibus espacial .

Muitas empresas estão lançando grandes constelações de satélites para fornecer comunicações de alta velocidade e acesso à Internet a partir de órbita baixa da Terra , ou seja, SpaceX 's Starlink e Amazon planejado Projeto de Kuiper constelações. Cada um desses sistemas está planejado para usar dezenas de milhares de satélites, o que aumentará enormemente o número total de satélites e agravará os problemas de detritos espaciais.

Métodos de mitigação de risco

Diversas práticas recomendadas são usadas para minimizar o número de objetos lançados se tornando lixo espacial incontrolável, variando a técnica dependendo da órbita do objeto. A maioria das medidas de proteção garante que os satélites e outros objetos artificiais permaneçam em suas órbitas operacionais enquanto estiverem funcionais e controláveis. Essas responsabilidades recaem sobre o operador de satélite, que é vinculado por acordos internacionais sobre como descartar objetos em órbita.

Trajetórias suborbitais

Objetos lançados em trajetórias suborbitais serão rapidamente desorbitados pelo arrasto atmosférico. Isso inclui coisas como satélites lançados em foguetes de sondagem projetados para retornar rapidamente da órbita e estágios de impulsionador de foguetes que gastam seu propelente antes de atingir a velocidade orbital. Os satélites em trajetórias suborbitais geralmente não requerem nenhum cuidado intencional por parte do operador para garantir a reentrada e o descarte.

O tanque externo do Ônibus Espacial foi projetado para se desfazer rapidamente após o lançamento. O grande tanque externo permanece ligado ao orbitador do ônibus espacial desde a decolagem até quando ele e o orbitador estão viajando logo abaixo da velocidade orbital e têm uma altitude de aproximadamente 113 km (70 mi), ponto em que ele se desconecta e segue uma trajetória balística rapidamente reentrando na atmosfera. A maior parte do tanque externo se desintegra devido ao calor da reentrada, enquanto o orbitador usa propulsores de controle de reação para completar sua inserção orbital.

Órbita terrestre baixa

A grande maioria dos satélites artificiais e estações espaciais orbita em órbitas da Terra Baixa (LEO), com altitudes médias inferiores a 2.000 km (1.200 mi). Os satélites LEO estão próximos das partes mais espessas da atmosfera, onde a reentrada segura é prática porque o Delta-v necessário para desacelerar do LEO é pequeno. A maioria dos satélites LEO usa o resto do combustível de manutenção da estação a bordo (usado para manter a órbita do satélite contra forças como o arrasto atmosférico que gradualmente perturba a órbita) para executar queimaduras de órbita e se desfazerem de si mesmos.

A facilidade de acesso para tirar a órbita dos satélites LEO em fim de vida o torna um método bem-sucedido para controlar o risco de detritos espaciais no LEO.

Órbita terrestre média e superior

Órbitas com altitudes médias superiores a LEO (como órbitas terrestres médias (MEO), órbita geosíncrona / órbita geoestacionária (GSO / GEO) e outras espécies) estão longe das partes mais densas da atmosfera, tornando as queimaduras de órbita total significativamente mais impraticável. Poucos projetos de satélite têm margens de combustível suficientes para permitir tal manobra no final de suas vidas.

Os satélites em altitudes em relação ao limite inferior do MEO podem usar a "regra dos 25 anos" para desacelerar com a propulsão a bordo de modo que saia de órbita dentro de 25 anos, mas esta disposição só é permitida se os operadores de satélite puderem provar por análise estatística que há menos de 1 / 10.000 de chance de que a reentrada atmosférica cause ferimentos ou danos materiais. Os satélites dispostos desta forma reentram na atmosfera em uma área do Oceano Pacífico Sul, longe de áreas habitadas, chamada de cemitério de espaçonaves .

Órbitas do cemitério

As naves espaciais orbitando em altitudes mais elevadas entre LEO e a órbita da Terra Alta (HEO), mais comumente no GSO / GEO altamente específico e lotado, estão muito longe para fazer uso da "regra dos 25 anos". GSO e GEO exigem que o plano orbital seja quase perfeitamente equatorial e a altitude seja o mais próximo de 35.786 km perfeitamente circulares (22.236 mi), o que significa que o espaço é limitado e os satélites não podem permanecer além de sua vida útil. Em vez de desacelerar para a reentrada, a maioria dos satélites nessas altitudes acelera ligeiramente para as órbitas mais altas do cemitério, onde permanecerão para sempre fora do caminho de interação com os satélites operacionais.

Estágios de foguetes vazios restantes em órbita

Historicamente, muitos projetos de lançadores de múltiplos estágios gastaram completamente seu combustível para entrar em órbita e deixaram seus estágios de foguetes gastos em órbita, como na antiga família de foguetes Zenit soviética . Esses estágios superiores são grandes satélites artificiais, que dependendo da órbita podem levar muitos anos para entrar novamente.

A maioria dos projetos modernos inclui margens de combustível suficientes para queimas fora de órbita após injetar carga útil em órbita. O Falcon 9 da SpaceX é um veículo de lançamento projetado para minimizar o efeito de seu estágio superior nos detritos espaciais. O foguete é composto por dois estágios, sendo o primeiro suborbital. Ele volta a entrar minutos após o lançamento, usando intencionalmente combustível reservado para recuperação de estágio para pousar para reutilização ou é deixado para continuar em sua trajetória balística e se desintegra na reentrada na atmosfera.

Os segundos estágios do Falcon 9 são tratados usando diferentes técnicas, dependendo da órbita. Para as órbitas da Terra Baixa , o segundo estágio usa o combustível restante para realizar uma queima de desorbitação e se desintegrar na atmosfera. Estágios encalhados em órbitas médias da Terra , como órbitas de transferência geoestacionária (GTO) e órbita geoestacionária (GEO), geralmente não têm combustível suficiente para se desorbitarem. As trajetórias GTO são projetadas de forma que a órbita do segundo estágio decaia naturalmente e reentre na atmosfera depois de alguns meses, enquanto os estágios de missões visando a inserção direta no GEO permanecerão por muito mais tempo.

Métodos de previsão de colisão

A maioria das previsões de risco de impacto são calculadas usando bancos de dados de objetos em órbita com parâmetros de órbita como posição e velocidade medidas por observações baseadas no solo. A Rede de Vigilância Espacial do Departamento de Defesa dos Estados Unidos mantém um catálogo de todos os objetos em órbita conhecidos aproximadamente do mesmo tamanho ou maior do que uma bola de softball . As informações sobre artigos menores de detritos espaciais são menos precisas ou desconhecidas.

Uma vez que a órbita exata de um objeto é conhecida com precisão, o SSN do DoD publica parâmetros conhecidos para análise pública no space-track.org do DoD e no Arquivo Coordenado de Dados de Ciência Espacial da NASA . A órbita do objeto pode então ser projetada no futuro, estimando onde ele estará localizado e a chance de ter um encontro próximo com outro objeto em órbita. As projeções de órbita de longo prazo têm grandes barras de erro devido a efeitos gravitacionais complicados que perturbam gradualmente a órbita (semelhantes aos do problema dos Três corpos ) e os erros de medição do equipamento de rastreamento do solo. Por essas razões, métodos para medições e estimativas mais precisas são um campo ativo de pesquisa.

A NASA conduz projeções orbitais e avalia o risco de colisão para objetos conhecidos maiores que 4 polegadas (10 cm). Para ativos críticos como a Estação Espacial Internacional , as avaliações são feitas para o risco de que qualquer objeto atravesse dentro de uma região retangular meia milha (1,25 km) acima / abaixo e 15 milhas (25 km) à frente / atrás em órbita e para ambos os lados da nave espacial. Essa zona de alto risco é conhecida como “caixa de pizza” devido ao formato que tem.

Métodos de prevenção de colisão

As técnicas de prevenção atuais dependem de uma pequena mudança na órbita para minimizar o risco de colisão e, em seguida, retornar a espaçonave à sua órbita anterior após o evento de risco ter passado. O método exato usado para fazer ajustes orbitais difere com base nos controles disponíveis na espaçonave. As manobras para evitar colisões também são chamadas de Manobras para evitar detritos (DAMs), quando o objeto agressor é um artigo de detritos espaciais.

Nave espacial com propulsão a bordo

A NASA usa manobras de evasão se o risco de colisão for identificado com antecedência suficiente e o risco for alto. A política da NASA para espaçonaves com tripulação, que têm propulsão a bordo, como o Ônibus Espacial e a Estação Espacial Internacional (acordado por todos os parceiros internacionais), requer planejamento para manobras de prevenção se a probabilidade de colisão for

  • > 1 / 100.000 e a manobra não entraria em conflito com os objetivos da missão
  • > 1 / 10.000 e a manobra não colocaria ainda mais a tripulação em perigo

Em agosto de 2020, a ISS realizou 27 manobras para evitar colisões desde seu lançamento inicial em 1999 e está aumentando com o tempo. A classe de detritos mais perigosa para o segmento orbital dos Estados Unidos são aqueles entre 1 e 10 cm. A população de detritos nesta faixa de tamanho é significativa e difícil de rastrear com precisão com os métodos atuais, merecendo mais pesquisas.

Essas manobras de evasão são quase sempre conduzidas pelo disparo de propulsores de controle de reação a bordo , embora alguns outros sistemas de orientação de satélites e espaçonaves como magnetorquers , rodas de reação e giroscópios de momento de controle possam estar envolvidos. A ISS também pode usar os motores principais de uma espaçonave de carga ancorada - geralmente uma espaçonave Progress ou um Veículo de Transferência Automatizado . As manobras alteram ligeiramente a trajetória orbital e geralmente são realizadas horas antes do evento de risco para permitir que os efeitos da alteração orbital tenham efeito.

Quando dois operadores de satélite são notificados de uma potencial colisão, um ou ambos os operadores podem decidir manobrar seu satélite, por exemplo. ESA & SpaceX em 2019.

Pesquisas recentes desenvolveram algoritmos para auxiliar os esforços de prevenção de colisões em grandes constelações de satélites, embora não se saiba se tais pesquisas foram implementadas em qualquer GNC de constelação ativa .

Docking aborts

Outro uso de uma manobra de prevenção de colisão é abortar uma docagem automatizada, e tal procedimento está embutido no software que controla a docagem de veículos de transferência automatizados para a ISS. Isso pode ser iniciado pela tripulação a bordo da estação espacial, como um controle de emergência, no caso de um problema durante a docagem. Esta manobra foi demonstrada logo após o lançamento do primeiro ATV, Júlio Verne , e posteriormente durante as aproximações de demonstração da estação que conduziu no final de março de 2008.

Nave espacial sem propulsão a bordo

A maioria dos satélites lançados por humanos sem propulsão a bordo são pequenos CubeSats que contam com dispositivos alternativos para controle de orientação. Na escala de pequenos objetos como CubeSats, as forças relacionadas à grande área de superfície relativa em proporção à massa tornam-se significativas. Os CubeSats são frequentemente lançados na órbita da Terra Baixa , onde a atmosfera ainda fornece uma pequena quantidade de resistência aerodinâmica.

O arrasto aerodinâmico em pequenos satélites na órbita da Terra Baixa pode ser usado para alterar as órbitas ligeiramente para evitar colisões de detritos, alterando a área da superfície exposta ao arrasto atmosférico, alternando entre configurações de baixo arrasto e alto arrasto para controlar a desaceleração.

Fatores complicadores

As tentativas de aliviar colisões potenciais são complicadas por fatores que incluem se

  • pelo menos um dos objetos ofensivos não tem capacidade de controle remoto devido a estar extinto
  • pelo menos um dos objetos agressores é um satélite natural, como um asteróide
  • o evento de risco não é previsto com tempo suficiente para agir

Todas essas ocorrências limitam as opções estratégicas para a redução do risco de colisão de diferentes maneiras. Muito pouco pode evitar a colisão projetada se ambos os objetos não tiverem recursos de controle. Se apenas um dos objetos fosse um satélite operacional, seria o único contribuinte para uma manobra de evasão, reduzindo significativamente ou consumindo totalmente as reservas de combustível restantes. O satélite também pode ter combustível insuficiente para completar a manobra corretamente, reduzindo sua eficácia.

As manobras para evitar colisões requerem um planejamento significativo e tempo de execução, o que pode ser um problema se o risco não for previsto com antecedência suficiente. A propulsão da espaçonave é freqüentemente fraca, dependendo de queimaduras longas para mudar suas órbitas, e a mudança de velocidade freqüentemente requer uma fração significativa de uma órbita completa para produzir o efeito desejado.

Por exemplo, as manobras comumente conduzidas pela Estação Espacial Internacional para evitar colisões freqüentemente requerem queimaduras de cerca de 150 segundos e perturbações significativas para as operações da tripulação por causa da reconfiguração lenta obrigatória dos painéis solares da estação para evitar danos por dispositivos de propulsão. A grosso modo, o tempo de reação mais rápido estimado da ISS da operação normal é de cerca de 5 horas e 20 minutos para contabilizar o período de configuração de ~ 3 horas de reconfiguração da estação e as ~ 2 horas de lead time pós-queima para permitir a mudança de velocidade para surtir efeito.

Efeitos nas janelas de inicialização

A prevenção de colisões é uma preocupação durante as janelas de lançamento de voos espaciais . Normalmente, uma Avaliação de Colisão no Lançamento (COLA) precisa ser realizada e aprovada antes do lançamento de um satélite. Diz-se que uma janela de lançamento tem um período de blecaute COLA durante os intervalos em que o veículo não pode decolar para garantir que sua trajetória não o leve muito para perto de outro objeto que já está no espaço.

Referências

links externos

Veja também