Teste de vácuo térmico ajuda telescópios de pesquisa de pequenos satélites a olhar para as estrelas

startup de tecnologia dos EUA Ciências do Vácuo Rydberg (RVS) continua traçando uma trajetória de avanço como fornecedor de equipamentos “ir para” no ecossistema emergente de teste e medição, apoiando o desenvolvimento e validação de missões espaciais de pequenos satélites – amplamente instrumentos com uma massa que varia de 1 a 500 kg . Mais precisamente, a RVS está criando um nicho especializado no fornecimento de produtos de ciclo de vácuo térmico e ciclo de vácuo térmico acessíveis e prontos para uso - tecnologias de habilitação essenciais no fluxo de trabalho de qualificação de pré-voo para pequenos satélites e seus componentes constituintes, subsistemas e instrumentação.

O contexto de mercado em evolução aqui é instrutivo, no qual desenvolvedores de pequenos satélites estão abrindo oportunidades comerciais e científicas em aplicações tão diversas quanto observação astronômica, sensoriamento remoto, proteção ambiental e rastreamento e logística de ativos. No centro de tudo isso, a inovação de pequenos satélites está avançando em ritmo acelerado, com fabricantes estabelecidos e recém-chegados, bem como grupos de pesquisa acadêmica, espremendo cada vez mais funcionalidades em cargas úteis cada vez menores, reduzindo ainda mais as barreiras à entrada no mercado. indústria espacial.

Teste de prontidão para missão

Tudo isso se traduz em uma pressão descendente implacável sobre os gastos de capital e operacionais dos desenvolvedores de satélites e suas equipes de engenharia – principalmente quando se trata dos programas de teste exatos necessários para qualificar os sistemas de satélite para lançamento e, em última análise, operação de longo prazo em órbita. Um estudo de caso nesse sentido é o Centro de Óptica Adaptativa Astronômica (CAAO) no Observatório Steward, o braço de pesquisa do departamento de astronomia da Universidade do Arizona (Tucson, AZ). A equipe CAAO também é a mais recente adição à crescente rede de clientes RVS e, como tal, vem colocando a câmara de teste de vácuo térmico (TVAC) do fornecedor em comissionamento e aceitação nos últimos meses.

“Estamos construindo protótipos de instrumentos de pesquisa – incluindo sistemas de óptica adaptativa, detectores avançados de IR e UV e criostatos de alto desempenho – que serão incorporados em futuros telescópios de pequenos satélites baseados no espaço”, explica Ewan Douglas, professor assistente e astrônomo assistente. no Observatório Steward. Douglas, por sua vez, lidera um esforço de pesquisa de amplo escopo abrangendo instrumentação espacial, detecção e controle de frente de onda e imagens de alto contraste de planetas extra-solares e discos de detritos. “As capacidades de teste da câmara TVAC nos permitirão avançar na prontidão técnica e de missão de nossos instrumentos científicos e cargas úteis de satélite”, acrescenta. “Dessa forma, esperamos tornar as respostas da Universidade do Arizona às propostas de financiamento da NASA muito mais atraentes.”

O detalhe operacional

Para qualquer programa de teste de pré-lançamento, desenvolvedores de instrumentação como Douglas e seus colegas da CAAO normalmente geram um modelo dos extremos de temperatura que uma missão de pequeno satélite provavelmente experimentará uma vez em órbita. Isso é seguido por um programa exaustivo de testes de vácuo térmico em laboratório – essencial para iteração e validação da modelagem e para garantir que quaisquer unidades de aquecimento/resfriamento localizadas estejam tendo o efeito desejado em instrumentos de pesquisa de linha de frente e seu hardware associado.

Nesse cenário, a câmara RVS TVAC permite que os desenvolvedores avaliem o desempenho da tecnologia em múltiplas coordenadas. Um teste de ciclo de vácuo térmico, por exemplo, verá o hardware e a instrumentação da embarcação testados e submetidos a um programa de “passo e repetição” de temperaturas quentes e frias extremas em um ambiente de alto vácuo, enquanto um teste de equilíbrio térmico visa demonstrar a eficácia dos sistemas de controle térmico da embarcação para manter a temperatura dos principais sistemas dentro de limites predefinidos. Há também um requisito de aquecimento a vácuo, no qual o hardware do satélite é aquecido a alta temperatura sob alto vácuo para quantificar os níveis de liberação de material (cujos produtos podem afetar adversamente o funcionamento dos sistemas de imagem a bordo, radiadores térmicos, células solares e similar).

Aqui reside outra oportunidade. Pois mesmo enquanto a equipe da CAAO está empurrando os limites de desempenho de sua instrumentação baseada no espaço, um compromisso paralelo com a redução de custos continua sendo parte do mix de P&D – principalmente na implantação de hardware comercial pronto para uso (COTS) e software (em vez do desenvolvimento de soluções tecnológicas sob medida). “Um caso de uso importante para a câmara TVAC envolve pegar produtos COTS – digamos, um detector óptico ou um computador de bordo – e garantir que eles ainda funcionem em um ambiente semelhante ao espaço”, diz Douglas. “As tecnologias COTS qualificadas para o espaço são fundamentais para reduzir o custo geral das missões de astronomia de pequenos satélites.”

Entrega versus requisitos

Igualmente importante é a ênfase que a RVS coloca em seus próprios sistemas de vácuo térmico prontos para uso. Dito de outra forma, isso significa testes térmicos a um preço acessível, garantindo ao mesmo tempo que a facilidade de uso é primordial. “Ao responder à nossa chamada de propostas, o RVS foi competitivo em preço e entrega em relação à funcionalidade desejada”, observa Manny Montoya, gerente técnico da CAAO, que lidera uma equipe diversificada de engenheiros, técnicos e maquinistas que apoiam a pesquisa de Douglas e outros astrônomos na Observatório Steward.

A funcionalidade em questão abrange uma câmara de teste de vácuo de uso geral que qualquer missão de pequeno satélite no campus de Tucson pode usar para investigar os efeitos de temperaturas extremas em alto vácuo. Além disso, a câmara TVAC também oferece aos astrônomos do Observatório Steward a capacidade de acessar regimes de vácuo tão baixos quanto 10^-8 Torr – um requisito essencial na qualificação de instrumentação de ponta destinada a missões científicas como Aspera. Este projeto da NASA, liderado pelo astrônomo do Observatório Steward, Carlos Vargas, está desenvolvendo um pequeno satélite astrofísico de UV extremo que mapeará o gás coronal de fase quente e quente em torno de halos de galáxias próximas (e, por sua vez, lançará luz sobre a formação e evolução das galáxias) .

Outro item obrigatório da CAAO é o isolamento de vibração, para que Douglas e sua equipe possam avaliar sistemas ópticos adaptativos de precisão dentro da câmara de teste TVAC. Nesse sentido, a RVS propôs uma nova solução composta por uma mesa ótica suspensa por pernas pneumáticas fora da câmara de vácuo – uma configuração que isola a ótica em teste amortecendo quaisquer vibrações que venham do piso do edifício (de tráfego rodoviário, por exemplo, ou de abertura e fechamento das portas).

“Ao responder à solicitação de propostas”, conclui Montoya, “a RVS fez um ótimo trabalho ao entender os requisitos técnicos da CAAO e adaptar o sistema TVAC de acordo – testemunho do amplo conhecimento de domínio técnico da empresa em testes de vácuo térmico para pesquisa e aplicações industriais”.