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Força Espacial ansiosa para aproveitar as tecnologias de serviço de satélite

A manutenção de satélites em órbita é um segmento nascente da economia espacial que os militares dos EUA têm observado principalmente do lado de fora.

A Força Espacial diz que agora está pronta para entrar no jogo. Está investindo em tecnologias em estágio inicial e traçando uma estratégia para comprar serviços comerciais para reabastecer e atender satélites em órbita geoestacionária até o início da década de 2030.

O pensamento dos militares sobre a manutenção de satélites mudou desde alguns anos atrás, quando os operadores espaciais não viam um forte caso de uso para reparos e reabastecimento em órbita. Agora é visto como uma vantagem estratégica, disse o vice-chefe de operações espaciais, general David Thompson.

A Força Espacial considera o serviço de satélite e a logística em órbita como “capacidades essenciais” e está observando os desenvolvimentos na indústria comercial, disse Thompson.

“Estamos prontos para usar a tecnologia assim que o mercado estiver disponível”, disse ele em 15 de maio em um evento da Space Force Association. Enquanto isso, “há um monte de design e análise que temos que fazer para descobrir o que faz sentido”.

O tenente-general John Shaw, vice-comandante do Comando Espacial dos EUA, descreve os requisitos para manobra sustentada e operações espaciais dinâmicas no Almoço de Combatentes Espaciais durante o 38º Simpósio Espacial, Colorado Springs, 19 de abril de 2023. Crédito: Comando Espacial dos EUA

O Congresso sinalizou apoio a esses esforços, inserindo US$ 30 milhões no orçamento da Força Espacial de 2023 para tecnologias de manutenção em órbita. No ano passado, Thompson instruiu o Comando de Sistemas Espaciais a usar os fundos para estabelecer um escritório de programa e descobrir uma estratégia de aquisição para manutenção de satélites.

O novo escritório está apenas começando a decolar, disse o major-general Stephen Purdy, oficial executivo do programa de acesso garantido ao espaço no Comando de Sistemas Espaciais.

Purdy disse que os operadores espaciais militares estão enviando um sinal claro de demanda por recursos em órbita, e o objetivo é criar uma linha de orçamento dedicada a esses serviços.

“É um pouco do clássico dilema do iniciante”, disse ele ao SpaceNews , observando que iniciar novos programas no Departamento de Defesa é notoriamente complicado. Entretanto, “existe um desejo de ter uma capacidade de reabastecimento”.

‘Precisamos de logística’

Um forte argumento para o reabastecimento de satélites foi apresentado pelo tenente-general John Shaw, vice-comandante do Comando Espacial dos EUA. Em eventos recentes do setor, Shaw argumentou que a maneira como o DoD adquiriu satélites por décadas – sem capacidade de reabastecer em órbita – impede que os operadores manobrem livremente as espaçonaves em resposta a ameaças.

Shaw comparou isso a comprar um carro com um único tanque de combustível e ter que fazê-lo durar toda a vida útil do veículo.

“Precisamos ter logística em órbita e capacidades de serviço”, disse Shaw em um discurso no Simpósio Espacial em abril.

O Comando Espacial, por exemplo, opera satélites de “vigilância de bairro” conhecidos como GSSAP (Geosynchronous Space Situational Awareness Program) para monitorar o cinturão geoestacionário, onde os militares posicionam seus ativos mais valiosos. Os GSSAPs foram construídos para durar décadas, mas as manobras devem ser cuidadosamente planejadas para minimizar o consumo de combustível.

“Se eu pudesse reabastecer o GSSAP regularmente, você acha que os operaríamos como fazemos hoje? Não o faríamos”, disse Shaw. “Estaríamos viajando pelo mundo. Estaríamos tentando desequilibrar um potencial adversário.

Purdy disse que a mensagem foi ouvida em alto e bom som.

“Não podemos fazer combates no domínio espacial se tivermos que medir cada gota de combustível e decidir se você realmente deseja fazer esta missão se isso significar que o satélite ficará sem combustível dois anos antes”, disse ele.

Projetos em andamento

Purdy designou o coronel Meredith Beg para liderar o novo escritório da Força Espacial focado em mobilidade espacial e logística.

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“Nosso objetivo é garantir que possamos entregar essa capacidade que o comando combatente clama”, disse Beg ao SpaceNews .

“Ainda não temos um orçamento definido. Mas estamos trabalhando no processo corporativo para estabelecer como isso deve ser”, disse ela.

A renderização de um artista de um Pod de extensão de missão anexado a um veículo cliente. Crédito: Northrop Grumman

A manutenção de satélites faz parte de uma atividade mais ampla conhecida como ISAM, para manutenção, montagem e fabricação no espaço. A Força Espacial está interessada no ISAM, mas seu foco principal é a mobilidade e manobra, disse Beg. O reabastecimento é o “requisito de curto prazo”.

Essas tecnologias também estão sendo buscadas pela Space Force no âmbito do programa Orbital Prime voltado para pequenas empresas. Lançada em 2021, a Orbital Prime já concedeu cerca de 125 contratos de pesquisa e estudo a equipes da indústria e da academia.

Fora da Força Espacial, outras organizações que financiam programas de manutenção de satélites em órbita incluem o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e a Unidade de Inovação de Defesa. Mas o investimento mais significativo hoje vem do setor privado, observou Beg. “Estamos procurando aproveitar todo esse trabalho árduo e inteligência para realmente fornecer recursos aos nossos combatentes.”

Dos US$ 30 milhões adicionados ao Congresso em 2023, US$ 26 milhões serão alocados para projetos gerenciados pelo Space Enterprise Consortium, uma organização do Space Systems Command que trabalha com startups e empresas espaciais comerciais.

Em junho, o consórcio SpEC prevê solicitar propostas de protótipos “para apoiar o desenvolvimento de uma base comercial robusta capaz de fornecer mobilidade espacial e serviços logísticos”.

SpEC, em uma minuta de solicitação, observou que poucos serviços comerciais estão disponíveis. “No entanto, vários artistas estão trabalhando para demonstração de tecnologia.”

As propostas são procuradas em quatro áreas: reabastecimento, transporte, manutenção e mitigação de detritos.

O SpEC planeja conceder um ou mais contratos para projetos que serão cofinanciados pelos US$ 26 milhões apropriados no orçamento da Força Espacial e US$ 7,8 milhões dos contratados vencedores. O desenvolvimento de tecnologias sob parcerias público-privadas permite que a Força Espacial influencie o desenvolvimento de tecnologia comercial.

Demonstração de reabastecimento planejada

Beg disse que uma estratégia de aquisição de longo prazo para reabastecimento e outros serviços em órbita ainda precisa ser mapeada.

Para ajudar a informar a estratégia de aquisição para reabastecimento em órbita, a Força Espacial está financiando experimentos como o Tetra-5 de US$ 50 milhões, co-patrocinado pela Unidade de Inovação de Defesa.

No verão passado, a Diretoria de Inovação e Prototipagem do Comando de Sistemas Espaciais concedeu à Orion Space Solutions um contrato para desenvolver três pequenos satélites que se acoplarão a um depósito de hidrazina em órbita geoestacionária fornecido pela startup comercial Orbit Fab. O experimento está projetado para ser lançado em 2025.

O chefe da diretoria de prototipagem, coronel Joseph Roth, disse que o experimento Tetra-5, se bem-sucedido, ajudará a aumentar a confiança na tecnologia.

“O coronel Beg e o restante de nós estamos recebendo sinais muito fortes das unidades de combate de que desejam ter capacidade e logística de reabastecimento em órbita”, disse Roth. “Levará tempo para estabelecer os requisitos e colocar no orçamento, mas é muito emocionante ver.”

A DARPA foi pioneira no serviço em órbita

Durante anos, Josh Davis, engenheiro sênior de projetos da Aerospace Corp., estudou desenvolvimentos em mobilidade espacial e logística.

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) em 2007 demonstrou o reabastecimento em órbita em um experimento chamado Orbital Express. Embora o projeto tenha sido bem-sucedido, observou Davis, os militares nunca fizeram a transição da tecnologia para um programa operacional porque não havia necessidade real disso.

A Força Aérea operou satélites no espaço por mais de 50 anos sem reabastecimento ou capacidade de logística no espaço, disse Davis. Agora que uma necessidade foi identificada, a Força Espacial precisa trabalhar no processo de requisitos do Pentágono. “Do ponto de vista orçamentário, é muito difícil estabelecer uma nova área de missão”, disse ele.

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A transição para uma frota de satélites que pode ser atendida em órbita, disse ele, também requer a construção de espaçonaves de última geração equipadas com portas de reabastecimento compatíveis com os veículos de manutenção disponíveis.

A boa notícia para a Força Espacial, disse Davis, é que a indústria avançou rapidamente desde o Orbital Express. Agora existem empresas comerciais capazes de fornecer serviços, então o governo não precisa construir sistemas únicos.

A DARPA, em 2020, assinou um acordo para compartilhar sua tecnologia de serviço de satélite com uma empresa comercial, Northrop Grumman’s SpaceLogistics. A empresa agora tem dois veículos de extensão de missão em órbita acoplados a dois satélites geoestacionários Intelsat que estavam com pouco combustível e manterão esses satélites em serviço por cerca de 15 anos.

Uma renderização do depósito de reabastecimento da Orbit Fab no espaço. Crédito: Orbit Fab

As operadoras de satélite Intelsat e Optus encomendaram dois dos três pods de combustível a serem entregues pelo novo Mission Robotic Vehicle da SpaceLogistics, projetado para ser lançado em 2024 para prolongar a vida útil dos satélites geoestacionários em pelo menos seis anos. O terceiro cliente ainda não foi anunciado.

Apesar da incerteza sobre o financiamento do DoD para manutenção de satélites, a indústria está fazendo investimentos em antecipação à demanda do governo, disse Davis.

Ele apontou os comentários de Shaw como um “sinal de demanda muito claro do cliente da Força Espacial, o US Space Command”.

Interfaces padrão para naves espaciais

Para a indústria de manutenção de satélites decolar, disse Davis, decisões terão que ser tomadas sobre interfaces de hardware e software para tornar os veículos interoperáveis.

“À medida que avançamos, definitivamente há muito interesse em descobrir como padronizar os recursos de manutenção em nossa próxima geração de satélites”, disse ele.

Volumes de padrões foram desenvolvidos para programas da NASA, como a Estação Espacial Internacional, mas esses não são aplicáveis ​​a satélites militares.

A Força Espacial tem muito trabalho a fazer nesta área, disse Davis. É improvável que a indústria adote o equivalente a um padrão USB plug-and-play para espaçonaves, pelo menos em um futuro previsível, acrescentou Davis. “Eventualmente, eu adoraria chegar lá.”

Empresas como Northrop Grumman, Lockheed Martin, Astroscale, Orbit Fab e outras estão desenvolvendo interfaces, e algumas podem ser mais amplamente adotadas do que outras. “Alguém vai pegar o mercado primeiro e vai ficar com a maior parte”, disse Davis.

Ele observou que o grupo da indústria conhecido como CONFERS (Consórcio para Execução de Rendezvous e Operações de Serviços) terá um papel importante a desempenhar nesta área.

A CONFERS foi fundada pela DARPA em 2017 para ajudar a desenvolver e promover padrões liderados pela indústria para atividades de manutenção de satélites. O consórcio tem mais de 50 organizações membros dos Estados Unidos e de vários outros países.

Roth, diretor de prototipagem do Comando de Sistemas Espaciais, disse que os experimentos do governo e da indústria ajudarão a testar diferentes interfaces “para ver qual funciona melhor”.

“Estamos de olho na base industrial”, particularmente nos desenvolvimentos de reabastecimento por satélite”, disse ele. “Estamos apenas nos estágios iniciais do reabastecimento em órbita e estou feliz por termos uma base industrial robusta que está realmente explorando isso para uso comercial.”

Roth disse que a Força Espacial está observando de perto os veículos de serviço da Northrop Grumman e os pods de reabastecimento de missão de próxima geração da empresa. “Definitivamente, estamos indo atrás de oportunidades comerciais”, disse ele.

Dispositivo de encaixe de código aberto

De olho no mercado de manutenção de satélites militares, a Lockheed Martin divulgou em abril de 2022 as especificações técnicas de um dispositivo de acoplamento – chamado Augmentation System Port Interface, ou Aspin. A Lockheed Martin espera que os fabricantes de satélites adotem o padrão para tornar os satélites interoperáveis ​​e mais fáceis de atualizar em órbita com a nova tecnologia.

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“Estamos definitivamente olhando para esse porto”, disse Roth. Uma característica atraente do Aspin, disse ele, é que ele foi projetado para ser compatível com a porta de reabastecimento do Orbit Fab, chamada Rafti – abreviação de interface de transferência de fluidos rapidamente acoplável.

O vice-presidente de estratégia de missão da Lockheed Martin, Eric Brown, disse que o porto de Aspin foi projetado para permitir uma ampla gama de serviços, incluindo reabastecimento de satélites, recarga de baterias ou adição de novas cargas úteis.

“Estamos vendo os sinais de demanda vindos dos lugares certos, certamente para reabastecimento”, disse Brown.

Além da Aspin, a empresa está investindo em tecnologia de operações de encontro e proximidade. Dois cubesats da Lockheed Martin realizaram uma demonstração em órbita geoestacionária em novembro, realizando manobras muito próximas.

No experimento chamado In-space Upgrade Satellite System da Lockheed Martin, ou Linuss, um dos cubesats desempenhou o papel de veículo de serviço e o outro serviu como objeto espacial residente.

Brown disse que a Lockheed Martin está planejando um novo experimento para testar o adaptador de acoplamento Aspin no espaço.

“Esperamos que Aspin tenha conteúdo de estoque em qualquer satélite que pretendamos propor ao governo dos EUA e aliados”, disse Brown. “E esperamos que todo programa de satélite que a Força Espacial adquira peça a capacidade de ser reabastecido.”

A Lockheed Martin, um investidor da Orbit Fab, projetou propositalmente o Aspin para ser interoperável com o porto Rafti. Mas o Aspin também permitirá outros recursos, como conectar um novo processador a um satélite.

Um dos conceitos vislumbrados para Aspin é colocar a porta em um pequeno satélite carregando um novo processador ou sensor que seria lançado em órbita e, por propulsão própria, atracar-se no satélite cliente.

“O problema que temos hoje é que você projeta esses satélites ao longo de vários anos e a tecnologia continua a evoluir”, disse Brown. Tecnologias como Aspin permitiriam que a Força Espacial atualizasse seus satélites com relativa rapidez.

Postos de gasolina no espaço

A Orbit Fab anunciou planos em 2022 para oferecer serviços de reabastecimento em órbita geoestacionária até 2025 a um preço de US$ 20 milhões por 100 quilos de hidrazina.

A empresa implantará um depósito e uma espaçonave “ônibus” para levar combustível aos satélites.

Adam Harris, vice-presidente de desenvolvimento de negócios da Orbit Fab, disse que a empresa continua a impulsionar esses projetos com financiamento privado, mas também conta com o apoio do governo.

A empresa garantiu um aumento de financiamento estratégico da Força Aérea dos EUA de $ 12 milhões – com $ 6 milhões provenientes da Força Aérea e $ 6 milhões em fundos privados correspondentes – para desenvolver ainda mais seu porto de reabastecimento Rafti para compatibilidade com satélites militares.

O porto Rafti deve ser instalado no satélite cliente para receber o combustível. A Orbit Fab também está desenvolvendo um dispositivo de agarramento para o veículo de entrega de combustível que se conecta ao porto de Rafti.

No experimento Tetra-5, um pequeno satélite irá se encontrar e se acoplar ao depósito de Orbit Fab para obter hidrazina. A Orbit Fab em 25 de maio anunciou que selecionou o veículo de transferência orbital da Impulse Space como a plataforma de hospedagem para o depósito de combustível. O OTV fornecerá energia, comunicações, controle de atitude e propulsão para o depósito de combustível.

O apetite aparentemente crescente dos militares por capacidades de reabastecimento é “muito emocionante para nós”, disse Harris.

“Quando a Lockheed Martin, Northrop Grumman ou outras empresas constroem espaçonaves, conversamos com eles sobre como você pode integrar nossa interface de reabastecimento para que essas espaçonaves possam ser recarregadas”, disse ele. “Queremos tornar isso o mais fácil possível para todos os fabricantes de espaçonaves.”

O Comando Espacial está dizendo à Força Espacial que deseja satélites recarregáveis ​​até 2030. Embora isso pareça muito distante, o planejamento para esse futuro deve começar agora, disse Harris.

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