Minimização de Vibrações em Satélites para Desempenho de Missão Aprimorado

No campo da tecnologia espacial, o Centre Suisse d'Électronique et de Microtechnique (CSEM) tem sido parceiro da Agência Espacial Europeia (ESA) por muitos anos. Um foco de sua pesquisa conjunta é eliminar emissões de vibração originadas de componentes a bordo de satélites. Além de limitar a precisão do controle de atitude para satélites, essas micro-vibrações levam a maior consumo de energia e (no caso de missões de imagem) causam deterioração da qualidade da imagem.

Abordagens: Modelos Numéricos, Mitigação Ativo-Passiva e Algoritmos

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

Roda de Reação com Mancal Magnético

"Com suporte da tecnologia de medição Kistler, examinamos um protótipo de roda de reação com mancal magnético", disse Leopoldo Rossini, que chefia a instalação de micro-vibração no CSEM. "Esta tecnologia da Celeroton, uma empresa suíça, oferece muitas vantagens como ausência de atrito, vida útil virtualmente infinita, possibilidade de suprimir ativamente vibrações indesejadas por controle, e oportunidade de alcançar maior desempenho em velocidades mais altas", acrescentou Rossini.

Cadeia de Medição de Alta Sensibilidade

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 design que atinge rigidez mecânica máxima. Este instrumento de medição é montado em um bloco de granito suspenso sobre quatro isoladores pneumáticos para que influências ambientais sejam eliminadas o máximo possível.

Como as micro-vibrações ocorrem na faixa de milinewton, uma cadeia de medição altamente sensível com ruído muito baixo é necessária. Atuadores como motor de passo e criocooler podem ser colocados na mesa de instrumentação para realizar as medições desejadas.

Resultados: Supressão de Vibrações Próxima a Zero

Para o protótipo de roda de reação levitada magneticamente, uma faixa de velocidade de -20.000 a 20.000 rpm foi coberta. Isso permitiu caracterização completa da eficácia de um algoritmo de rejeição de força multi-harmônica capaz de suprimir as principais vibrações geradas durante a operação. "A ausência de contato físico devido à levitação magnética abre oportunidades muito interessantes", segundo Guzmán Borque Gallego, Engenheiro de P&D no CSEM. "Nos deixa quase livres para posicionar o rotor de forma que as vibrações sejam minimizadas — por exemplo, deixando o rotor girar sobre seu eixo principal de inércia para suprimir qualquer vibração relacionada ao desbalanceamento do rotor, o que reduz essas emissões a quase zero", disse ele.

Os equipamentos da Kistler forneceram resultados de altíssima qualidade, permitindo medição de forças na faixa de milinewton e até micronewton. A aquisição de dados é feita por sistema de prototipagem rápida a 20 kHz e, graças às medições precisas, o efeito do algoritmo de controle pode ser claramente identificado.

As vantagens das rodas de reação com mancais magnéticos são óbvias: geram vibrações muito menores e giram mais rápido que rodas convencionais — o que significa desempenho melhorado, além de tamanho e peso reduzidos. E graças à ausência de atrito, não há desgaste e a vida útil da roda é virtualmente ilimitada.