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Sensoriamento e medição de temperatura em satélites e naves espaciais
Fatores essenciais de seleção e integração de sensores
Este documento tem como objetivo fornecer aos engenheiros uma visão abrangente dos desafios, critérios de seleção e integração de termistores NTC (Negative Temperature Coefficient) e RTDs (Resistance Temperature Devices) de platina no projeto de satélites. Exploraremos os desafios específicos da aplicação desses sensores de temperatura no espaço, descreveremos os critérios para selecionar o sensor apropriado para várias aplicações e discutiremos as práticas recomendadas para sua integração e colocação. Ilustraremos aplicações reais de sensores de temperatura em vários programas conhecidos de todo o mundo. Por fim, examinaremos as tendências futuras, como miniaturização, aprendizado de máquina e sensoriamento adaptativo, avaliando suas possíveis vantagens e desvantagens em aplicações espaciais.
TE Connectivity
Sensores de Temperatura
Sensores qualificados internacionalmente: Por quase cinco décadas, a TE forneceu sensores de temperatura para a NASA e a ESA, seguindo os rigorosos padrões GSFC (Goddard Space Flight Center) S-311-P-18 exigidos pela NASA e também os requisitos da ESA.
Desempenho comprovado: Nossos sensores foram incluídos em missões espaciais históricas, como a espaçonave Pioneer 10, lançada em 1972, e a missão Juno de 2011 a Júpiter, além de muitas outras missões exploratórias. Nossa profunda experiência e compromisso com a inovação confirmam que nossos sensores de temperatura atendem às rigorosas demandas das missões espaciais, proporcionando desempenho confiável e contribuindo para o sucesso de vários projetos aeroespaciais.
INTRODUÇÃO
No passado, a NASA, a ESA e várias agências espaciais nacionais eram os principais usuários de componentes de espaçonaves. Os fornecedores customizaram e produziram componentes para essas agências em quantidades relativamente pequenas. Entretanto, a comercialização do setor espacial mudou radicalmente o projeto, o desenvolvimento e a implementação de sensores e outros componentes projetados para as condições extremas do espaço.
Em 2023, o setor implantou mais de 2.800 satélites, a maioria dos quais em Low Earth Orbit (LEO). Aproveitando a ampla experiência com agências espaciais nacionais, oferecemos sensores de temperatura econômicos para o mercado comercial que rivalizam com a precisão e a confiabilidade dos sensores projetados para naves espaciais antigas. O foco permanece em inovações e aplicações futuras para dar suporte a esse mercado em expansão.
Embora sensores como os de infravermelho térmico e de micro-ondas sejam implantados em satélites para coletar dados externos, vamos nos concentrar nos sensores de temperatura destinados a aplicações dentro de espaçonaves. Esses sensores internos são essenciais para a operação robusta de instrumentos e mecanismos dentro dos satélites.
Exploraremos os desafios associados à aplicação de sensores de temperatura NTC (coeficiente de temperatura negativo) e RTD (detector de temperatura por resistência) em ambientes espaciais extremos. Examinaremos os fatores que influenciam a seleção do sensor, além de fornecer orientações para a integração e o posicionamento do sensor.
Após analisar estudos de caso gerais de aplicações específicas de sensores de temperatura, o documento considera possíveis inovações e tendências futuras no setor de sensores de temperatura e discute as vantagens e desvantagens associadas à sua implementação.
DESAFIOS DE DESIGN
Desafios de projeto para sensores de temperatura em naves espaciais
Os sensores de temperatura são componentes essenciais em todos os tipos de espaçonaves. Monitorando as temperaturas internas e externas, eles fornecem dados essenciais para a confiabilidade, segurança e eficiência da embarcação. Esses instrumentos desempenham funções importantes, como
Manutenção da integridade estrutural
Os sensores de temperatura rastreiam a temperatura dentro e fora do casco da espaçonave, confirmando que os sistemas para manter a resistência e a durabilidade do casco estão dentro da tolerância.
Supervisão do sistema de energia
O monitoramento da temperatura dos painéis solares e das baterias e a implementação de sistemas de gerenciamento térmico confirmam que a espaçonave tem a energia necessária para concluir sua missão.
Gerenciamento ambiental
Os sensores de temperatura ajudam a regular os ambientes internos, ajudando a manter as condições necessárias para a tripulação e/ou os equipamentos.
Calibração de instrumentos
A calibração precisa de toda a instrumentação depende de temperaturas de referência precisas fornecidas por esses sensores.
Substituições de emergência
Os sensores de temperatura são usados para ativar alarmes, procedimentos de recuperação automática ou sistemas de desligamento de emergência.
As espaçonaves apresentam desafios de projeto exclusivos para a integração de termistores e RTDs. As temperaturas podem variar de quase zero absoluto na sombra a 250°C, enquanto a ausência de ar no vácuo do espaço impede a transferência de calor por convecção para o controle da temperatura. A radiação pode degradar os materiais, causando problemas com a precisão do sensor. Os engenheiros devem levar em conta as tensões mecânicas de diversas fontes para evitar leituras incorretas ou falhas no sensor.
Os compostos voláteis emitidos pela desgaseificação de materiais em condições de vácuo podem se depositar nas superfícies, interferindo no desempenho de sensores e outros equipamentos sensíveis. Por fim, há restrições de energia formidáveis nas espaçonaves, o que destaca a importância de orçar as demandas de energia. Seu fornecedor de sensores de confiança pode oferecer orientação para situações específicas; no entanto, os parágrafos a seguir discutem desafios comuns e métodos para resolvê-los.
Variações térmicas
O gerenciamento das variações térmicas é uma aplicação essencial para os sensores de temperatura e um desafio significativo para a implementação. As naves espaciais sofrem variações extremas de temperatura, de -270°C a +250°C, dependendo do lado que está voltado para o sol. Essas temperaturas extremas podem afetar a funcionalidade e o desempenho de muitos componentes em toda a embarcação, por isso é importante implementar o gerenciamento térmico para limitar a exposição dos sensores a ciclos térmicos extremos. Os projetistas devem selecionar sensores projetados para suportar as faixas de temperatura esperadas nos sensores e, ao mesmo tempo, considerar as falhas do equipamento que podem levar a excursões.
Ausência de transferência de calor por convecção
As condições térmicas exclusivas exigem uma consideração cuidadosa ao aplicar sensores de temperatura em espaçonaves. Os modos de transmissão radiante e condutiva substituem a convecção como o principal modo de transferência de calor devido à ausência de uma atmosfera. Isso pode levar a temperaturas irregulares que afetam a precisão do sensor. Portanto, os engenheiros devem localizar os sensores estrategicamente para compensar e escolher os materiais apropriados para os sensores, o hardware e os métodos de montagem. O uso de controle térmico ativo, como aquecedores e resfriadores, ajudará a manter as melhores condições de operação.
Radiação
A presença de radiação de raios gama, prótons e íons pesados pode causar a degradação dos materiais usados nos instrumentos e sensores, provocando leituras imprecisas. Esses erros podem comprometer a operação e a segurança do satélite.
Para enfrentar esse desafio, especifique sensores de temperatura resistentes à radiação e inclua materiais robustos, como o senhor, no projeto do sensor. Utilize sensores redundantes juntamente com autocalibração periódica e considere algoritmos para compensar os erros induzidos por radiação.
Estresses mecânicos
As naves espaciais sofrem vibrações e choques que podem afetar os sensores de temperatura durante o lançamento, as manobras orbitais e a reentrada. O ciclo térmico também pode causar estresse nos sensores. Essas tensões podem fazer com que a precisão dos sensores de temperatura se desvie se os materiais não forem especificados. Sempre que possível, monte sensores discretos em um invólucro robusto ou use um conjunto completo de sondas para proteger contra choques e vibrações e/ou inclua técnicas de montagem flexíveis. O emprego de algoritmos de calibração e compensação também pode abordar a precisão. Além disso, os sensores redundantes oferecem um backup para sinalizar problemas com as leituras.
Emissões de gases do material
Condições de vácuo e altas temperaturas podem fazer com que os materiais emitam compostos voláteis que revestem as superfícies. Com o tempo, esses revestimentos podem afetar significativamente a operação de outros equipamentos de bordo. Para evitar esse problema, materiais projetados para minimizar a liberação de gases devem ser usados em toda a espaçonave. Quando as mudanças de material não forem viáveis, use revestimentos de nível espacial para evitar esse problema. A realização de um cozimento térmico a vácuo dos componentes e materiais antes da instalação também ajuda a evitar esse problema.
Restrições de energia
As naves espaciais têm orçamentos de energia limitados devido ao tamanho e à eficiência de seus painéis solares e à capacidade de seus sistemas de bateria. Os sensores que exigem energia contínua para operação podem reduzir a energia disponível para outros sistemas. Para reduzir a demanda de energia, utilize sensores de baixa potência, como termistores ou RTDs, sempre que possível. Implementar o gerenciamento inteligente de energia para priorizar a alocação. Otimizar o isolamento para reduzir os requisitos de gerenciamento térmico ativo.
Com uma longa experiência na implementação de tecnologia de sensores para espaçonaves, a TE Connectivity está posicionada para aproveitar sua ampla base de conhecimento para complementar seus recursos de engenharia. A seguir, continuaremos a explorar os tópicos de aplicação de sensores com a seleção de sensores.
CRITÉRIOS DE SELEÇÃO
Critérios de seleção para sensores de temperatura em naves espaciais
A seleção de sensores de temperatura para voos espaciais exige uma consideração cuidadosa dos ambientes térmicos extremos que as naves espaciais encontram. Durante o lançamento, as temperaturas variam de -40°C a +250°C. Na órbita terrestre baixa (LEO), elas podem variar entre -100°C e +250°C. As temperaturas no espaço profundo podem cair até quase o zero absoluto (-270°C), enquanto a reentrada atmosférica pode expor a espaçonave a mais de 1.650°C. Esta seção explora os critérios para a escolha de termistores NTC e RTDs de platina, com exemplos de suas aplicações. Fornecedores experientes de sensores podem fornecer informações valiosas e acesso a sensores que foram rigorosamente testados para condições específicas; no entanto, o que se segue fornece informações gerais sobre os critérios de seleção.
| TERMISTORES NTC | PLATINUM RTDS | |
|---|---|---|
| Precisão e estabilidade |
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| Tempo de resposta |
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| Consumo de energia |
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| Tamanho e peso |
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| Econômica |
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| Faixa de Temperatura |
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NTC - A faixa de temperatura operacional é de -60°C a +160°C. A faixa de temperatura de armazenamento é de -60°C a +160°C.
RTD - A faixa de temperatura operacional é de -170°C a +170°C. A faixa de temperatura de armazenamento é de -170°C a +170°C.
INTEGRAÇÃO E COLOCAÇÃO
Integração e colocação de sensores de temperatura em naves espaciais
A seleção de sensores de temperatura para voos espaciais exige uma consideração cuidadosa dos ambientes térmicos extremos que as naves espaciais encontram. Durante o lançamento, as temperaturas variam de -40°C a +250°C. Na órbita terrestre baixa (LEO), elas podem variar entre -100°C e +250°C. As temperaturas no espaço profundo podem cair até quase o zero absoluto (-270°C), enquanto a reentrada atmosférica pode expor a espaçonave a mais de 1.650°C.
Esta seção explora os critérios para a escolha de termistores NTC e RTDs de platina, com exemplos de suas aplicações. Fornecedores experientes de sensores podem fornecer informações valiosas e acesso a sensores que foram rigorosamente testados para condições específicas; no entanto, o que se segue fornece informações gerais sobre os critérios de seleção.
Termistores NTC
Posicione os termistores o mais próximo possível dos componentes críticos que estão sendo monitorados para confirmar leituras precisas de painéis solares, baterias, componentes eletrônicos e componentes do sistema de propulsão. Use adesivos ou fixadores mecânicos termicamente condutivos (com o mínimo de liberação de gases) que possam suportar as condições esperadas, incluindo choques, vibrações e flutuações de temperatura. Certifique-se de que haja um bom contato térmico entre o termistor e a superfície que está sendo medida. Sempre que possível, use graxa térmica compatível com o ambiente (emissão mínima de gases) para melhorar a transferência de calor condutivo. Proteja os termistores contra radiação e interferência eletromagnética (EMI) com materiais de blindagem ou colocando-os em um gabinete blindado.
RTDs de platina
Para ambientes de alta temperatura, use RTDs projetados especificamente para suportar temperaturas extremas. Implemente pontes térmicas ou isolamento para reduzir a exposição dos RTDs a altas temperaturas e, ao mesmo tempo, fornecer medições precisas. A calibração regular é fundamental para evitar o desvio do sensor. As rotinas de software de calibração automática devem ser consideradas para missões de longa duração. Instale vários RTDs em áreas críticas para proporcionar redundância.
Recomendações gerais
Escolha um fornecedor de sensores com um histórico comprovado de fornecimento de sensores para missões espaciais. Testes completos, incluindo ciclo térmico, choque, vibração, desgaseificação e exposição à radiação, são essenciais para confirmar que os projetos de sensores são qualificados para o espaço antes da integração. Integrar os dados do sensor ao sistema de gerenciamento térmico da espaçonave para monitoramento e controle em tempo real. Manter uma documentação detalhada da colocação do sensor, dos procedimentos de calibração e dos resultados dos testes para solução de problemas e referência em missões futuras.
ESTUDO DE CASO
Programa Landsat [EUA]
Objetivo: Observação da Terra a longo prazo para monitorar o uso da terra, o desmatamento, a urbanização e os desastres naturais. Gerenciada pela NASA e pelo USGS, a série Landsat vem fornecendo dados contínuos desde 1972.
Aplicações do termistor NTC no Landsat 8 (2013) e 9 (2021): Os termistores NTC são integrados aos sistemas de controle térmico para monitorar e regular a temperatura do Operational Land Imager (OLI) e do Thermal Infrared Sensor (TIRS). Ambos os instrumentos exigem um gerenciamento preciso da temperatura para coletar dados de alta qualidade. Os engenheiros projetaram esses termistores para operar de forma confiável em condições espaciais adversas, incluindo exposição à radiação, vácuo e flutuações extremas de temperatura.
Missões Sentinela do Copernicus [Europa]
Objetivo: Observação abrangente da Terra para monitoramento ambiental, mudanças climáticas e gerenciamento de desastres. Operados pela Agência Espacial Europeia (ESA), os satélites Sentinel fornecem imagens e dados de alta resolução para diversas aplicações. Esse programa foi implementado oficialmente em 2014.
Os satélites Sentinel-1 são equipados com instrumentos de radar de abertura sintética (SAR) que exigem um gerenciamento térmico preciso para garantir uma coleta de dados confiável. Os RTDs são usados para monitorar e controlar a temperatura desses instrumentos, o que é fundamental para manter medições precisas do radar. Vários RTDs são usados em pontos críticos para manter a confiabilidade do instrumento.
Galileo GNSS [Europa]
Objetivo: Fornecimento de serviços de navegação global de alta precisão. Operado pela ESA, o Galileo oferece serviços precisos de posicionamento e cronometragem para uso civil e comercial. Os primeiros satélites dessa missão foram lançados em 2005, com 30 satélites na constelação atual.
Os termistores NTC são incorporados às matrizes solares desses satélites, protegendo as células fotovoltaicas contra superaquecimento e, ao mesmo tempo, fornecendo feedback para otimização do desempenho. Os RTDs de platina são essenciais para manter o controle preciso da temperatura necessário para a operação precisa do relógio atômico. Esses relógios fornecem posicionamento e tempo globais altamente precisos.
Iridium NEXT [Global]
Objetivo: Rede global de comunicação por satélite. Essa constelação inclui 66 satélites ativos e sobressalentes adicionais para fornecer cobertura de voz e dados para telefones via satélite, pagers e transceptores integrados em todo o mundo.
Tanto os termistores NTC quanto os RTDs de platina monitoram as baterias do satélite. Os RTDs são altamente precisos, fornecendo medições estáveis em uma ampla faixa de temperatura. Os termistores NTC são sensíveis a mudanças rápidas de temperatura que acionam uma ação imediata para proteger as baterias do satélite. A combinação de RTDs de platina e termistores NTC confirma que as baterias operam dentro de sua faixa de temperatura ideal, evitando o superaquecimento e prolongando sua vida útil.
Telescópio espacial Hubble [EUA/Europa]
Objetivo: Observação de fenômenos astronômicos e do espaço profundo. Missão conjunta da NASA e da ESA, o Hubble tem fornecido dados inovadores sobre o universo desde 1990.
Uma combinação de termistores NTC qualificados pela NASA e medidores de tensão monitoram a integridade estrutural do Telescópio Espacial Hubble. Detectando mudanças rápidas de temperatura junto com a deformação do material, esses sensores colaboram para acionar rapidamente mitigações para confirmar a integridade estrutural do satélite. Nas três décadas entre essa missão e o mais recente Telescópio Espacial James Webb, os monitores de integridade estrutural viram novos desenvolvimentos em sensores de temperatura que melhoraram a sensibilidade e o alcance, além de aumentar a durabilidade e a confiabilidade.
Mars Reconnaissance Orbiter [EUA]
Objetivo: Estudar a atmosfera e o terreno de Marte. Lançado em 2005 e operado pela NASA, esse satélite retransmite imagens de alta resolução e dados sobre o clima e a geologia do planeta para os cientistas na Terra.
Os termistores NTC a bordo desse satélite fornecem sensibilidade crítica ao seu sistema de gerenciamento térmico. Quando chegou pela primeira vez, a MRO entrou em uma órbita altamente elíptica ao redor de Marte, que durou mais de 35 horas. Após cerca de seis meses de aerobraking, uma manobra que usa a atmosfera do planeta para corrigir sua órbita, a duração da órbita é de aproximadamente 112 minutos. Durante esse período, o sistema deve gerenciar padrões de temperatura extremamente variáveis. Além disso, na órbita de Marte, os sensores são expostos a mais radiação cósmica e solar. Além disso, devido à longa duração do voo inicial, bem como à duração prevista da missão, havia restrições de energia no satélite. Foram utilizados termistores NTC qualificados pela NASA com alcance estendido e precisão aprimorada.
TENDÊNCIAS FUTURAS
À medida que a era dos satélites industriais evolui, há várias tendências emergentes na tecnologia de sensores de temperatura que têm implicações potenciais no espaço. A seguir, destacamos algumas dessas tecnologias e suas prováveis contribuições, juntamente com os riscos inerentes que devem ser considerados ao adotar novas tecnologias nesse setor de alto risco.
A miniaturização está levando ao desenvolvimento de sensores menores e mais leves que consomem menos energia. Aproveitando as técnicas de fabricação de semicondutores, esses sensores estão sendo introduzidos em todo o cenário tecnológico, do automotivo à medicina. No espaço, entretanto, esses sensores menores podem introduzir vulnerabilidade devido à possível instabilidade desses dispositivos de menor massa.
O aprendizado de máquina pode aumentar a precisão dos sensores compensando as alterações previstas, enquanto o sensoriamento adaptativo pode ajustar dinamicamente os parâmetros do sensor para aumentar o desempenho. Em aplicações de satélite, ambas as tecnologias prometem absorver recursos e potência computacionais escassos. Esse é um risco substancial em um setor que foi padronizado com microprocessadores da década de 1990. Essas novas tecnologias introduzem a possibilidade de modos de falha novos e inesperados que podem afetar o sucesso da missão.
Muitos dos satélites atuais dependem de microprocessadores baseados em projetos mais antigos e comprovados, como os da classe Pentium e PowerPC 750. Os engenheiros escolhem esses processadores com base em sua confiabilidade e capacidade de suportar condições severas além da atmosfera da Terra.
CONCLUSÃO
Os termistores NTC e os RTDs de platina são componentes essenciais nas espaçonaves atuais, confirmando a confiabilidade, a segurança e a eficiência de sistemas importantes. Esse documento destacou os desafios exclusivos que esses sensores enfrentam no espaço, incluindo variações térmicas extremas, ausência de transferência de calor por convecção, exposição à radiação, tensões mecânicas, liberação de gases do material e restrições de energia. A compreensão desses desafios pode ajudar os engenheiros a tomar decisões informadas ao selecionar e integrar sensores de temperatura em projetos de satélites e outras espaçonaves.
Os critérios de seleção para esses sensores enfatizam a importância da precisão, da estabilidade, do tempo de resposta, do consumo de energia, do tamanho, do peso e da relação custo-benefício. A integração e o posicionamento dos sensores de temperatura exigem uma consideração cuidadosa do ambiente térmico da espaçonave e dos requisitos específicos dos componentes críticos. As práticas recomendadas incluem o posicionamento estratégico do sensor, técnicas de montagem robustas e o uso de materiais de blindagem para proteção contra radiação e interferência eletromagnética.
Por meio de estudos de caso, este documento ilustrou a aplicação bem-sucedida de sensores de temperatura em várias missões de alto perfil, como o Programa Landsat, Missões Sentinela Copernicus, GNSS Galileo, Iridium NEXT, Telescópio Espacial Hubble e Mars Reconnaissance Orbiter. Esses exemplos demonstram a importância da detecção confiável da temperatura para o sucesso da missão.
Olhando para o futuro, tendências futuras como miniaturização, aprendizado de máquina e sensoriamento adaptativo oferecem possibilidades interessantes para melhorar o desempenho do sensor. No entanto, essas inovações devem ser equilibradas com a necessidade de confiabilidade a longo prazo e os possíveis riscos associados às novas tecnologias.
Concluindo, a implementação bem-sucedida de sensores de temperatura em espaçonaves depende de uma compreensão profunda dos desafios, da seleção e integração cuidadosas e da colaboração com fornecedores experientes. Ao aproveitar esses insights, os engenheiros podem garantir o sucesso e o avanço contínuos das missões espaciais.
