As antenas estão entre os sistemas mais complexos a bordo de um satélite – tornando-as exigentes para produzir e muitas vezes imprevisíveis para testar.
Pequenas variáveis em sua construção, montagem ou operação podem afetar seu desempenho de trabalho em grande forma. Assim, a ESA juntou-se à empresa dinamarquesa TICRA para desenvolver um método de previsão de tais discrepâncias bem antes do início da construção de uma antena.
A inspiração direta para o projeto veio da missão Biomass da ESA. Com lançamento previsto para o próximo ano, o Biomass implantará um enorme refletor de 12 m de diâmetro para aproveitar os sinais de radar de ‘banda P’ de longo comprimento de onda, perfurando as copas das florestas para realizar um censo de cinco anos de todas as árvores da Terra.
?No caso da antena da Biomass, enfrentamos um problema muito específico?, explica o engenheiro de antenas da ESA Nelson Fonseca. “Por causa de seu tamanho e dos sinais que emprega, não é viável testar na Terra. Em vez disso, prevemos seu desempenho em órbita usando modelagem de software – mas também precisamos de uma maneira de quantificar a confiabilidade de nosso modelo.”
Consultando o TICRA da Dinamarca, Nelson descobriu que a empresa de software de antenas já estava analisando essa questão de maneira mais geral, em resposta às necessidades mais amplas da indústria espacial. Em particular – com o número de satélites em órbita previsto para crescer radicalmente, impulsionado por megaconstelações comerciais – as antenas de satélite estão mudando de uma grande escala para um futuro de produção em massa eficiente e econômica.
“As ferramentas de simulação de antena atuais só podem prever o desempenho nominal”, explica Erik Jørgensen, diretor de tecnologia da TICRA. “Mas quando realmente testamos as versões construídas de antenas, quase nunca observamos o desempenho nominal – sempre há um grau de variação.
“Por quê? Porque a versão construída de qualquer coisa nunca pode ser inteiramente idêntica ao projeto original. Sempre haverá pequenas variações introduzidas no decorrer da fabricação, montagem e operação desses sistemas de radiofrequência extremamente complexos. Mesmo uma diferença de tamanho de alguns décimos de milímetro, pequenas variações de potência ou desalinhamentos estruturais irão adicionar incerteza ao desempenho real de trabalho.”
“Uma maneira de os projetistas de antenas levarem em conta essa incerteza é através da engenharia em margens de desempenho generosas”, explica Nelson. “Esta é de fato a abordagem usada na Biomassa, mas isso leva a requisitos exigentes com impacto no custo e no cronograma.”
Oscar Borries, chefe da equipe de matemática e IA do TICRA, gosta de ilustrar esse problema da seguinte forma: “Imagine que você tem o trabalho de colocar lustres, mas não tem certeza de quantos parafusos precisa para fixá-los no teto. você usa muitos parafusos para garantir a segurança – mas em termos de espaço, essas margens reduzem o preço e o desempenho.
“Outra abordagem é o que é chamado de ‘simulações de Monte Carlo’ – como colocar dezenas de milhares de lustres para ver quantos deles ficarão de pé sem cair. Empresas e agências espaciais executam simulação após simulação de sua antena em ação para ver pequenas variações no desempenho de cada vez, construindo gradualmente uma imagem estatística do intervalo de incerteza.
“Tais simulações em massa são extremamente caras em termos de tempo e recursos de computação, e fornecem apenas aproximações muito grosseiras – a menos que você se comprometa a executar milhões de simulações”.
Como alternativa, o TICRA investigou uma abordagem de quantificação de incerteza com base em cálculos contínuos com base em uma única função contínua que representa o desempenho total do sistema, em vez de um grande número de funções que representam apenas uma pequena parte do sistema. A matemática envolvida é extremamente desafiadora, mas o resultado é um método muito mais eficiente de quantificar a incerteza.
“Nosso software de antena nos torna líderes mundiais neste campo, mas também somos uma empresa pequena, e esse conceito representou um desenvolvimento desafiador e arriscado”, acrescenta Oscar.
“Então acabamos colaborando com a ESA por meio do Programa de Tecnologia de Suporte Geral da Agência, GSTP, para ajudar a trazer tecnologia promissora para o mercado. Uma das principais vantagens que isso traz foi a consultoria contínua do lado da ESA, incluindo muitas das melhores pessoas em o setor.”
Na prática o software será utilizado de diversas formas, além de simular o desempenho esperado das antenas. Os projetos podem ser cuidadosamente otimizados, não apenas para desempenho, mas também em termos de custo, identificando os componentes que provam ter o menor impacto no desempenho, permitindo que sejam trocados por alternativas comerciais mais baratas. Também pode ser usado para análise de rendimento, para prever quantos componentes em um lote funcionarão dentro das especificações.
Nelson acrescenta: “Este projeto é realmente um ganha-ganha, porque obtemos benefícios específicos para a missão Biomass, mas o software resultante, que será lançado comercialmente ainda este ano, também aumentará a competitividade da indústria espacial europeia em geral”.
Publicado em 29/01/2022 20h47
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