Projeto: Desenvolvimento e Caracterização Experimental de Antenas para Telemetria e Radionavegação para Veículos Lançadores de Pequenos Satélites
Edital: CHAMADA CNPq nº 20/2022
Início: 21/11/2022
Duração: 36 meses
Palavras-chave: Veículos de sondagem atmosférica; Telemetria de veículos espaciais; Antenas conformadas em superfícies cilíndricas; Veículos lançadores de pequenos satélites

Resumo:
O presente projeto propõe o desenvolvimento de antenas para o foguete suborbital VS-50 e o veículo lançador de microssatélites VLM-1, em consonância com os objetivos estratégicos do Programa Nacional de Atividades Espaciais 2022-2031 (PNAE 2022-2031). Antenas para recepção de dados de sistemas globais de navegação via satélite (do inglês, global navigation satellite system – GNSS) e para transmissão de dados de telemetria para uma estação terrena serão projetadas e caracterizadas experimentalmente. Devido ao elevado custo e às dimensões dos veículos VS-50 e VLM-1, a caracterização experimental será realizada empregando-se o escalonamento (elevação) em frequência, reduzindo-se, simultaneamente, as dimensões dos foguetes pelo mesmo fator de escala. Este procedimento já vem sendo utilizado na indústria aeronáutica para otimização de instalação das antenas e será testado, agora, para veículos espaciais. Além disso, esta técnica permite a caracterização das mesmas propriedades eletromagnéticas como se fosse para o modelo em escala real com a vantagem de possibilitar a execução das medidas em um ambiente mais controlado e com custos muito reduzidos. Parte da infraestrutura necessária para a validação experimental já se encontra disponível no Laboratório de Eletromagnetismo, Micro-Ondas e Antenas (LEMA) da Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA). O restante dos equipamentos deverá ser adquirido, caso esta proposta seja contemplada com recursos financeiros do CNPq.

Objetivos:
Objetivo geral:
Desenvolver, construir e caracterizar experimentalmente antenas para receptores GNSS e para um sistema de transmissão de radionavegação e telemetria, todos com elevada confiabilidade.
Objetivos específicos:
1. Projetar antenas para GNSS, radionavegação epara telemetria conformadas sobre superfícies cilíndricas;
2. Projetar maquetes para os veículos VS-50 e VLM-1 com dimensões em escala reduzida, mantendo-se o maior detalhamento possível da geometria do foguete;
3. Projetar, construir e caracterizar experimentalmente protótipos para demonstração de antenas integradas às maquetes dos veículos VS-50 e VLM-1;
4. Formação de recursos humanos de alto nível para atuação no setor Aeroespacial, com foco na área de Telecomunicações, através da orientação de dissertações de mestrado, de trabalhos de iniciação científica e de monografias de conclusão de curso de graduação.

Equipe:
Pesquisadores:
UNIPAMPA:
Marcos V. T. Heckler
Edson R. Schlosser
ITA:
Lucas C. Severo
Escola Superior Politécnica do Chimborazo (Equador):
Alexis F. Tinoco Salazar

Alunos de pós-graduação:
Pedro Henrique Alves Everling

Alunos de iniciação científica:
Abdou Halique Atanda Adechinan Bouari
Clara Souza Franco
Daniel Bomfim dos Santos
Luan Escarrone Ramos
Willian Fontella da Silva

Etapas/Atividades:
1. Revisão bibliográfica:
A execução do projeto será iniciada com uma revisão bibliográfica sobre antenas conformadas sobre superfícies cilíndricas e antenas para aplicações espaciais.

2. Antenas para radionavegação:
As antenas GNSS serão desenvolvidas considerando-se a possibilidade de recepção de sinais dos diversos sistemas disponíveis, tais como o sistema americano GPS, o sistema russo GLONASS, o sistema europeu GALILEO e o chinês Beidou. Inicialmente, será considerado o projeto de antenas faixa simples na metade superior da Banda L (1-2 GHz). Dependendo do avanço das atividades, será considerada a possibilidade de projeto de antenas dupla-faixa. Tal característica viabiliza a compensação de desvios devido a fenômenos ionosféricos, permitindo melhorar a precisão do posicionamento do veículo. Serão priorizadas as antenas de microfita conformadas sobre a superfície externa de ambos os modelos dos veículos VS-50 e VLM-1, porém outras geometrias, como antenas em fenda, também poderão ser exploradas. Em todos os casos, as antenas a serem desenvolvidas deverão apresentar polarização circular à direita (do inglês, Right-Hand Circular Polarization – RHCP).

3. Antenas para telemetria:
As antenas destinadas ao enlace de telemetria serão projetadas para uma faixa de frequências estreita na porção inferior da Banda S (2-4 GHz). Por se tratar de transmissão de dados de telemetria, trabalhar-se-á com o projeto de antenas faixa simples e banda estreita com polarização circular. As características do projeto das antenas foram escolhidas para viabilizar o teste de transmissão de dados de telemetria, dos sensores de temperatura, de pressão e de posicionamento que serão empregados. Os dados coletados deverão ser gerenciados por um dispositivo digital que permita a programação de um SDR. O canal de transmissão a ser conectado entre o SDR e a antena de telemetria também deverá ser projetado.

4. Projeto dos foguetes em tamanho reduzido:
Dado o elevado custo e a dificuldade de testar as antenas integradas aos veículos VS-50 e VLM-1 em tamanho real, maquetes desses veículos, com alta precisão e com dimensões reduzidas, deverão ser construídas com o auxílio de uma impressora 3D. O detalhamento geométrico das maquetes deverá ser tal que represente precisamente o formato da superfície externa desses veículos. A superfície metálica dos foguetes será emulada com o emprego de tinta condutora disponível no mercado. Do ponto de vista de sistemas de comunicação, a caracterização experimental de antenas será bem-sucedida desde que a frequência de teste seja elevada com o mesmo fator de escala empregado para redução das dimensões dos foguetes. Esta técnica já foi empregada pelo proponente para o teste de antenas embarcadas em aviões de passageiros e será aplicada para a caracterização experimental de antenas integradas a foguetes nesta proposta. Para tanto, faz parte desta etapa o escalonamento das antenas projetadas nas Etapas 2 e 3.

5. Caracterização experimental:
Nesta etapa, as antenas e as maquetes serão construídas. Para a fabricação das antenas, laminados de baixas perdas e com elevada flexibilidade serão empregados. Conforme já descrito na Etapa 4, as maquetes serão fabricadas com o auxílio de uma impressora 3D e serão finalizadas com a aplicação de uma camada de tinta condutora sobre as superfícies exteriores. Por fim, medidas para caracterizar o desempenho das antenas construídas para radionavegação e de telemetria serão conduzidas nas dependências do LEMA. Parâmetros como os diagramas de irradiação nos planos axial (pitch plane) e de rolamento (roll plane), impedância de entrada, perda de retorno, entre outros, serão obtidos.

6. Documentação:
A etapa de documentação engloba todas as atividades de divulgação do projeto e dos resultados alcançados, além da elaboração do relatório final de atividades.

Protótipos:
Os primeiros protótipos serão construídos em breve e serão divulgados aqui neste espaço.

Artigos publicados:
[1] FRANCO, C. S. ; SILVA, W. F. ; Heckler, M.V. T. ; SCHLOSSER, E. R. ; TINOCO S, A.F. . Modelagem de antenas de microfita cilíndricas para radionavegação. In: XXI Simpósio Brasileiro de Micro-Ondas e Optoeletrônica 2024 – SBMO 2024, 2024, Bento Gonçalves – RS. Anais do XXI SBMO 2024, 2024.