Eliminação de emissões de vibração a bordo de satélites

No campo da tecnologia espacial, o Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) é parceiro da Agência Espacial Europeia (ESA) há muitos anos. Um foco de sua pesquisa conjunta é eliminar as emissões de vibração provenientes de componentes a bordo de satélites. Além de limitar a precisão do controle de atitude dos satélites, essas microvibrações levam a um maior consumo de energia e (no caso de missões de imagem) causam deterioração da qualidade da imagem.

Existem diferentes maneiras de combater vibrações indesejadas na fonte ou na carga útil. Como parte de sua exploração de diferentes abordagens, o CSEM atualmente tem vários projetos com foco em modelos numéricos, mitigação ativa-passiva e notching baseado em algoritmos. Em um desses projetos, o CSEM e seus parceiros estão trabalhando com uma tecnologia inovadora baseada em levitação magnética.

“Com o apoio da tecnologia de medição Kistler, examinamos um protótipo de roda de reação com rolamento magnético”, disse Leopoldo Rossini, que dirige a unidade de microvibração do CSEM. “Esta tecnologia da Celeroton, uma empresa suíça, oferece muitas vantagens, como ausência de atrito, vida útil praticamente infinita, a possibilidade de suprimir ativamente as vibrações indesejadas por controle e a oportunidade de obter maior desempenho em velocidades mais altas”, acrescentou Rossini.

Os engenheiros do CSEM usam uma cadeia de medição da Kistler para examinar as vibrações do protótipo da roda de reação. O dinamômetro personalizado compreende quatro sensores de força de três componentes montados em sanduíche entre duas placas de aço - um projeto que atinge a máxima rigidez mecânica. Este instrumento de medição é montado em um bloco de granito suspenso sobre quatro isoladores pneumáticos para que as influências ambientais sejam eliminadas o máximo possível.

Como as microvibrações ocorrem na faixa de millinewton, é necessária uma cadeia de medição altamente sensível com ruído muito baixo. Atuadores como um motor de passo e um resfriador criogênico podem ser colocados na mesa de instrumentação para realizar as medições desejadas.

Para o protótipo da roda de reação levitada magneticamente, uma faixa de velocidade de –20.000 a 20.000 rpm foi coberta. Isso permitiu a caracterização completa da eficácia de um algoritmo de rejeição de força de múltiplos harmônicos capaz de suprimir as principais vibrações geradas durante a operação. “A falta de contato físico devido à levitação magnética abre algumas oportunidades muito interessantes”, segundo Guzmán Borque Gallego, engenheiro de P&D do CSEM. “Isso nos deixa quase livres para posicionar o rotor de tal forma que as vibrações sejam minimizadas – por exemplo, deixando o rotor girar em torno de seu eixo principal de inércia para suprimir qualquer vibração relacionada ao desequilíbrio do rotor, o que reduz essas emissões para quase zero”, disse.

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“O equipamento da Kistler é ideal e nos proporcionou resultados de altíssima qualidade”, disse Borque Gallego. “Estamos medindo forças bastante pequenas na faixa de milinewtons – mas mesmo em micronewtons, ainda podemos ver diferenças. Isso permite um julgamento confortável de todas as medições, levando a dados de alta qualidade no processo.”

A aquisição de dados é tratada por um sistema de prototipagem rápida a 20 kHz e, graças às medições precisas, o efeito do algoritmo de controle pode ser claramente identificado.

Embora os pesquisadores inicialmente pretendessem usar o moderno LabAmp 5167A com saída digital, eles finalmente optaram pelo amplificador de carga 5080A da Kistler, que permite medições ainda mais precisas e tem maior capacidade em tempo real devido à transmissão de sinal analógico.

“Estamos satisfeitos por ter a nova tecnologia Kistler aqui, porque nossos parceiros na ESA e na Alemanha também a usam para fins de qualificação”, acrescentou Rossini. “Este equipamento é muito robusto e não quebrou mesmo quando submetido a estresse além das restrições dadas. Agora que ele provou suas habilidades, definitivamente o usaremos para projetos futuros na área de caracterização de vibração – onde já operamos acelerômetros da Kistler.”

“As vantagens das rodas de reação de rolamento magnético são óbvias:elas podem gerar vibrações muito mais baixas e girar mais rápido do que as rodas convencionais – o que significa melhor desempenho, bem como tamanho e peso reduzidos. E graças à ausência de atrito, não há desgaste e a vida útil da roda é praticamente ilimitada”, disse Borque Gallego. “Este é um projeto fascinante e esperamos avançar para as próximas etapas:uso prático, testes e talvez até validação junto com nossos parceiros.”

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