A série de demonstrações de tecnologia TechEdSat da NASA visa trazer pequenas cargas úteis de volta à Terra ou à superfície de Marte – enquanto impulsiona o estado da arte em uma variedade de tecnologias e experimentos CubeSat.
TechEdSat é uma série de projetos e missões colaborativas que une estudantes universitários e pesquisadores da NASA para avaliar novas tecnologias para uso em pequenos satélites, ou CubeSats . Os alunos fazem o trabalho prático – projetando, construindo e testando os sistemas da espaçonave CubeSat e analisando os resultados – para cada missão de voo, sob a orientação de engenheiros do Centro de Pesquisa Ames da NASA, no Vale do Silício, na Califórnia.
As tecnologias CubeSat permitem o uso eficiente de pequenos satélites para uma variedade de pesquisas e propósitos tecnológicos, e o foco da missão da série TechEdSat é trazer pequenas cargas úteis da órbita de volta à Terra. O avanço dos sistemas de entrada, descida e pouso, ou EDL, para CubeSats – e o compartilhamento de novas tecnologias com a comunidade de voos espaciais – permitirá que mais pesquisadores tenham acesso a oportunidades de voo econômicas, levando a mais testes de tecnologia e ciência no espaço.
Por exemplo, ser capaz de enviar CubeSats da órbita para a Terra pode fornecer amostras ou hardware sob demanda da Estação Espacial Internacional ou de futuras plataformas espaciais. Essa tecnologia também pode permitir que futuras pequenas missões de espaçonaves alcancem a superfície de Marte ou outros mundos em nosso sistema solar.
Alguns dos sistemas usados para controlar o EDL de uma espaçonave são como dirigir um carro: eles usam sistemas de frenagem, direção e navegação para chegar em casa. Exclusivo para voos espaciais é a necessidade de mitigar o intenso aquecimento que vem da velocidade pela atmosfera.
Até agora, todas as espaçonaves TechEdSat foram intencionalmente queimadas na atmosfera da Terra no final de suas missões. Essas missões iniciais executam testes em altitudes de até 250 milhas acima da Terra, trabalhando as dobras das primeiras fases dos sistemas EDL para garantir que os sistemas funcionem e sejam seguros. O objetivo final é desenvolver um sistema EDL completo e, eventualmente, pousar um CubeSat em um local definido na Terra.
Uma ilustração do exo-freio da NASA conectado a um CubeSat com a Estação Espacial Internacional ao fundo. O exo-brake é um dispositivo de frenagem flexível baseado em tensão, semelhante a um pára-quedas cruzado que se desdobra na parte traseira de um satélite para aumentar o arrasto. É usado como um dispositivo de órbita que substitui sistemas mais complicados.
Créditos: NASA
Uma variedade de tecnologias são desenvolvidas através das missões TechEdSat, incluindo o exo-brake. Essa nova tecnologia é uma "asa" que pode desacelerar uma espaçonave e, eventualmente, permitir que ela retorne à Terra, ou potencialmente a outros mundos como Marte, de maneira controlada. Construções de folha, usando materiais plásticos e metálicos, dobradas em origami em projetos que podem se expandir, remodelar e ser controlados por comandos enviados por meio de links de comunicação espaço-espaço. Para facilitar isso, a série TechEdSat também está avançando em soluções inovadoras para comunicações em órbita baixa da Terra.
Os métodos de comunicação atuais são caros e muito volumosos para os CubeSats, e as novas tecnologias podem permitir que os pesquisadores estendam esses conceitos para missões lunares e planetárias, estendendo as capacidades de pequenos satélites além da órbita baixa da Terra. Além disso, inovações recentes permitiram um poder de processamento integrado muito maior. O uso de unidades de processador gráfico que usam circuitos analógicos elétricos para imitar o sistema nervoso humano, conhecidos como processadores neuromórficos, adiciona muito mais capacidade de "pensamento" nessas pequenas caixas.
A próxima evolução do projeto TechEdSat é a plataforma Nano-Orbital Workshop, ou NOW, que inclui a colaboração da indústria e de outras organizações governamentais, todas trabalhando juntas em um ritmo acelerado com a capacidade de ter uma alta cadência de missões de voo.
A capacidade de testar essas novas tecnologias no espaço a um custo tão baixo é possibilitada pelos sistemas padronizados inerentes ao conceito CubeSat, incluindo o sistema que as ejeta para o espaço de espaçonaves maiores. A plataforma CubeSat possui tamanhos padrão para ambos os satélites e suas interfaces com mecanismos de implantação, como plugue e soquete doméstico. Dispensadores especiais ajudam os CubeSats a se encaixarem no implantador na estação espacial e em outros veículos. CubeSats vêm em vários tamanhos, com a unidade básica em um cubo, aproximadamente do tamanho de uma caixa de lenços quadrada e capaz de caber na sua mão. CubeSats usam um esquema de dimensionamento padrão, onde cada cubo de 10 centímetros é considerado uma unidade, ou U. A primeira missão do TechEdSat foi de 1U de tamanho, com missões recentes expandindo até 6U.
Papel de Ames
O Centro de Pesquisa Ames da NASA, no Vale do Silício, na Califórnia, abriga a equipe TechEdSat, encarregada de prototipar novas soluções para desafios técnicos de voos espaciais, fornecendo acesso ao espaço. Estudantes estagiários, jovens profissionais e voluntários fornecem mão de obra e engenhosidade e recebem uma experiência prática inestimável com hardware de voo espacial real. Ao aproveitar voos de baixo custo em balões, foguetes de sondagem e oportunidades orbitais para pequenos satélites, a série TechEdSat torna mais acessível o teste de tecnologia inovadora no espaço. Os satélites da série foram lançados diretamente de foguetes ou com escala na Estação Espacial Internacional.
Missões TechEdSat
TechEdSat-1
O TechEdSat-1 foi lançado no veículo japonês H-2 do Centro de Lançamento de Tanegashima em 21 de julho de 2012 e lançado da Estação Espacial Internacional em 4 de outubro de 2012. O 1U CubeSat foi o primeiro lançamento do CubeSat dos EUA a partir da estação espacial. A missão avaliou aviônicos plug-and-play espaciais, uma maneira de os pesquisadores usarem sistemas padronizados para facilitar a integração rápida de software. Os protocolos de segurança seguidos para o alijamento da estação espacial provaram ser inestimáveis para futuras missões e tornaram-se práticas padrão para a estação espacial como plataforma de lançamento. As comunicações foram realizadas usando receptores de ultra-alta frequência de banda amadora no solo. O CubeSat funcionou como planejado por aproximadamente seis meses antes da reentrada atmosférica em 5 de maio de 2013.
TechEdSat-2
A missão TechEdSat-2 foi lançada no primeiro voo do foguete Antares em 21 de abril de 2013 e implantada em um dia. Não era um satélite autônomo, lançado ao lado do primeiro PhoneSats de Ames . O experimento principal foi determinar a utilidade de usar a constelação de satélites Iridium como o principal link de comunicação para futuros nanossatélites, em vez de usar estações terrestres tradicionais. Provou que, usando as "estações terrestres no céu", os eventos de comando e controle para futuros nanossatélites poderiam ser muito melhorados. O experimento foi concluído com sucesso em 36 horas. Devido à órbita elíptica, o CubeSat reentrou na atmosfera pouco depois.
TechEdSat-3p
O TechEdSat-3p, pesando 11 libras, foi lançado em 3 de agosto de 2013, na missão de voo Kounotori 4 da Agência de Exploração Aeroespacial Japonesa. Foi o primeiro CubeSat 3U lançado da estação espacial em novembro de 2013. Esta missão realizou com sucesso o primeiro teste de voo passivo de um exo-freio. Esses dados reais podem agora ser comparados com modelos aerodinâmicos calculados para a termosfera de densidade muito baixa. Foi a primeira vez que um processador baseado em Arduino foi usado na série. O processador foi encontrado para funcionar muito bem no ambiente de radiação espacial. Além disso, mais dados foram adquiridos em diferentes altitudes para o link de comunicação bidirecional da constelação de satélites Iridium - aumentando assim a confiança deste protocolo para futuros CubeSats. A missão reentrou na atmosfera da Terra em 16 de janeiro de 2014.
TechEdSat-4
O TechEdSat-4 foi lançado em 13 de julho de 2014, pesando 11 libras e 3U de tamanho, e em 4 de março de 2015, foi o primeiro satélite da NASA a entrar em órbita da estação espacial através do NanoRacks CubeSat Deployer. A missão demonstrou comunicações aprimoradas de satélite para satélite e um sistema de freio exo atualizado – duas novas tecnologias baseadas em missões anteriores. Esses desenvolvimentos lançaram as bases para controlar um exo-freio em órbita e comunicações mais frequentes com o satélite, levando a previsões mais precisas de altitude e posição do satélite. A estrutura, aviônicos e carga útil do satélite foram projetados sob medida pela equipe TechEdSat-4 para utilizar seu volume de 3U. O hardware consistia principalmente de componentes prontos para uso, permitindo variações de voo futuras facilmente reproduzíveis. O satélite voltou a entrar na atmosfera da Terra em 3 de abril de
TechEdSat-5
O TechEdSat-5 foi lançado em 9 de dezembro de 2016 no veículo de transferência H-II do Japão do Centro Espacial Tanegashima no Japão. Ele foi implantado da estação espacial em 6 de março de 2017. Pesando 11 libras em 3,5 unidades, o TechEdsat-5 usou o primeiro exofreio modulado para atingir um ponto de reentrada predeterminado. O rádio atualizado e o hardware do sistema de posicionamento global substituíram as conexões com fio no satélite, operando como uma "encruzilhada de dados" sem fio entre os principais componentes do TechEdSat-5. Isso já havia sido verificado pela equipe durante um voo de teste suborbital, SOAREX-8, lançado do Wallops Flight Facility da NASA na Virgínia. Após quase cinco meses de operações bem-sucedidas, o satélite voltou a entrar na atmosfera da Terra em 29 de julho de 2017.
TechEdSat-6
O TechEdSat-6 foi lançado para a estação espacial em 12 de novembro de 2017, a bordo do oitavo voo de reabastecimento de carga Cygnus, de Wallops. Pesando 11 libras em 3,5 unidades, o TechEdSat-6 foi lançado em órbita baixa da Terra a partir da plataforma NanoRacks em 20 de novembro de 2017. O TechEdSat-6 testou um projeto de tecnologia destinado a um retorno sob demanda de pequenas cargas úteis à Terra. Com base em missões anteriores, o TechEdSat-6 usou software e projetos aprimorados, incluindo um exofreio atualizado e controle de modulação. Este é o quarto satélite TechEdSat que carrega uma versão do exo-brake para demonstrar ainda mais os elementos necessários para a reentrada guiada e controlada de um CubeSat. Em 14 de maio de 2018, o satélite reentrou com sucesso na atmosfera da Terra.
TechEdSat-7
A sétima missão da série foi lançada em 17 de janeiro de 2021 e testou várias tecnologias, incluindo um novo exofreio fixo. Ele foi projetado para compactar o maior arrasto no menor volume, principalmente para desorbitar rapidamente de grandes altitudes. No futuro, isso pode ser aplicado ao encontro com um pedaço de detritos e, em seguida, usar o exofreio para descartá-lo durante a reentrada. Uma das características únicas deste novo design são os suportes opostos do dispositivo de arrasto, que dependem da inflação interna para colocá-los na orientação adequada.
Além disso, o TechEdSat-7 foi o voo de teste de uma nova geração do Tardigrade omni-board que serve como um painel de energia, comunicações e controle para a série de missões TechEdSat. Essa placa abriga o microprocessador central e as funções críticas de comunicação, sendo esta última com maior tolerância à radiação. Em seguida, mais dados e estatísticas completas estão sendo coletados sobre a eficácia do uso da constelação de satélites Iridium como meio de comandar e controlar mais rapidamente os nanossatélites. Além disso, um experimento de rastreamento de comunicações de diodo/laser de alta potência ajuda a identificar o CubeSat, bem como permite que as estações terrestres ópticas pratiquem operações para os próximos sistemas de comunicação.
Esta missão fazia parte de um grupo de nanossatélites patrocinados pela NASA que voaram no primeiro lançamento comercial do sistema de foguetes lançado do ar Virgin Orbit.
TechEdSat-8
Uma visão isométrica do TechEdSat-8, estruturada de forma muito semelhante ao TechEdSat-10. O invólucro básico do exoesqueleto envolve as pilhas contendo energia, comunicações, microprocessadores e sistemas experimentais.
Créditos: NASA
O TechEdSat-8 foi lançado na estação espacial em 5 de dezembro de 2018, a bordo do 16º voo de reabastecimento de carga da SpaceX para a NASA e implantado da estação espacial em 31 de janeiro de 2019. O primeiro CubeSat 6U longo desenvolvido pela equipe, TechEdSat-8, foi projetado para caber em um único tubo de lançamento NanoRacks CubeSat Deployer. Não só foi a missão TechEdSat mais pesada com 13 libras, como também tinha mais funções e capacidades do que seus antecessores, introduzindo um sistema de energia de 150 watts-hora.
O CubeSat realizou experimentos de propulsão e sete transmissores, incluindo o rádio de Marte e experimentos de rádio lunar, testando a tecnologia de comunicação de rádio para destinos no espaço profundo. Ao usar também a Near Earth Network da NASA , as tecnologias de comunicação testadas durante o TechEdSat-8 podem fornecer mais oportunidades de comunicação ou um sistema de backup para as próximas missões cis-lunares. O exo-brake também foi projetado para ser maior, com mais capacidade de controle do que as missões anteriores. O satélite voltou a entrar na atmosfera em 20 de abril de 2020.
TechEdSat-10
O TechEdSat-10 foi lançado na Estação Espacial Internacional em 15 de fevereiro de 2020, a bordo do 13º voo de reabastecimento de carga Cygnus para a NASA, e implantado em 13 de julho de 2020. Com base na base fornecida pelo TechEdSat-8, esta missão levou muitas dessas mesmas tecnologias e os aprimorou, com nove processadores, uma unidade de processamento gráfico e muito mais. O TechEdSat-10 novamente usou um design longo de 6U e apresentou um sistema de energia aprimorado, tornando-o o CubeSat mais poderoso desse tamanho. Além disso, continha oito rádios, quatro câmeras – incluindo um experimento de câmera de realidade virtual – e a maior iteração de exo-brake até hoje. Ele também contou com o segundo voo de uma omni-board Tartigrada mais complexa.
TechEdSat-13
O TechEdSat-13 está planejado para ser lançado em órbita baixa da Terra em janeiro de 2022 e implantado a partir do LauncherOne da Virgin Orbit. Este CubeSat de 3 unidades, pesando 6,6 libras, está repleto de tecnologias para testar novos recursos em voo. Isso inclui um subsistema de Inteligência Artificial / Aprendizado de Máquina (AI/ML) com o processador neuromórfico Intel Loihi. Loihi é um chip de silício avançado que imita a função do cérebro humano. O TechEdSat-13 executará os primeiros testes de voo orbital deste chip e do subsistema AI/ML. Ele preparará o cenário para muitas aplicações científicas e de engenharia de IA/ML para plataformas espaciais no futuro.
O TechEdSat-13 também testará um núcleo de aviônicos aprimorado e um sistema de comunicação que será usado para apoiar os próximos experimentos de voo do TechEdSat. Isso inclui um teste inicial de um experimento – como parte do projeto Cognitive Communication no Glenn Research Center da NASA em Cleveland – tornando a transferência de dados órbita-terra mais eficiente. Esse recurso, chamado Serviço Iniciado pelo Usuário, ou UIS, permite que uma espaçonave agende serviços de comunicação sob demanda com uma estação terrestre ou relé espacial. O UIS reduz a carga dos operadores de missão e melhora o tempo de resposta do agendamento de serviço. Um protocolo de comunicação e um conjunto de sensores usando WiFi interno também serão testados, permitindo que conjuntos de dados maiores sejam adquiridos, processados e downlinks.
O TechEdSat-13 conduzirá um experimento óptico de rastreamento e identificação para melhor acompanhar os nano-satélites em órbita. Além disso, o TechEdSat-13 demonstrará um novo sistema de implantação de exo-freio para rápida desórbita e descarte para uso futuro para ajudar a mitigar as preocupações com detritos orbitais. Esse esforço também ajuda a preparar o terreno para a navegação autônoma para que os nano-satélites saiam da órbita e alcancem seu destino planejado na Terra.
Para TechEdSat-7, TechEdSat-8 e TechEdSat-10:
Os lançamentos foram apoiados pelo Lançamento Educacional de Nanossatélites da Iniciativa de Lançamento CubeSat da NASA , gerenciado pelo Programa de Serviços de Lançamento no Centro Espacial Kennedy da NASA, na Flórida.
Para TechEdSat-13:
O suporte é fornecido pelo projeto Cognitive Communication em Glenn, financiado pelo programa Space Communication and Navigation (SCaN) da NASA na sede da NASA.
Suporte adicional é fornecido pelo projeto Radiation Tolerant Neuromorphic Processor em Ames e pela Ames Exploration Technology Directorate.
A integração da nave espacial foi financiada pelo programa Small Spacecraft Technology da NASA.
O processador Loihi que será lançado ao espaço foi fornecido pela Diretoria de Informações do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL).
Exploration Institute, LLC de Cheyenne, Wyoming e Brisk Computing, LLC de Centerville, Ohio, forneceram software tanto para os experimentos de IA/ML quanto para a interface relacionada. O software das empresas foi desenvolvido com o apoio do programa NASA Small Business Innovation Research and Small Business Technology Transfer (SBIR/STTR) .
O lançamento é fornecido pelo Programa de Testes Espaciais do Departamento de Defesa dos EUA.
O TechEdSat conta com a participação de alunos das seguintes instituições:
Universidade Estadual Politécnica da Califórnia em San Luis Obispo, Califórnia
Universidade Estadual de San Jose na Califórnia
Universidade Espacial Internacional em Illkirch-Graffenstaden, França
Smith College em Northampton, Massachusetts
Universidade de Idaho em Moscou
Universidade da Califórnia, Davis
Universidade da Califórnia, Riverside
Universidade da Flórida em Gainesville
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