Neste trabalho, bocais convergentes-divergentes foram projetados e fabricados para o estabelecimento de escoamentos supersônicos e para suprir a necessidade de se fornecerem características aerodinâmicas aos escoamentos gerados pela tocha de plasma existente no Laboratório de Plasmas e Processos do Instituto Tecnológico de Aeronáutica. O projeto dos bocais De Laval foi baseado, inicialmente, em cálculos superficiais para a estimativa das áreas da garganta e da saída dos bocais, utilizando a vazão de massa máximo permitido pelo sistema de vácuo do laboratório, e considerando as equações para escoamento quase-unidimensional não-viscoso, adiabático e isentrópico. Posteriormente, baseou-se em um código numérico, assumindo escoamento axissimétrico com correções para a camada limite, para gerar o perfil convergente-divergente dos bocais. Dois conjuntos contendo, cada um, quatro bocais axissimétricos foram fabricados com diâmetros da garganta no intervalo de 1.00 a 2.00 milímetros, para expandir isentropicamente o ar, através da diferença de pressão entre a atmosfera e a câmara de vácuo, a números de Mach maiores que dois. Os bocais foram confeccionados em cobre e alumínio através de uma fresadora, chamado Método da Fresadora, e de brocas cônicas, chamado de Método Cônico. O número de Mach na saída do divergente e o fluxo em massa máximo foram determinados para todos os bocais produzidos. O menor número de Mach encontrado foi de (2,1 + 0,4) e o maior, de (5,01 + 0,02). A vazão de massa máximo obtido se encontra no intervalo de (1,5x10-4 - 7,2x10-4)kg/s. Assim, os resultados mostraram que escoamentos supersônicos foram produzidos com sucesso pelos bocais projetados e fabricados neste trabalho.

Cada vez mais os métodos, técnicas e ferramentas de Engenharia de Software têm sido aplicados para criação, manutenção e adaptação de sistemas de software aeroespaciais. A técnica de orientação a objetos tem provido o reuso de componentes de software, reduzindo o esforço para desenvolver aplicações similares num domínio específico. Este trabalho de pesquisa propõe um Framework para a Simulação de Trajetórias de Foguetes de Sondagem. Este Framework define um modelo abstrato para a construção de simuladores de trajetórias. Um Estudo de Caso e um Protótipo de Simulador foram desenvolvidos para avaliar a reusabilidade do Framework proposto. O protótipo provê cálculos de movimento de um foguete com um, três e seis graus de liberdade. Neste trabalho, também é avaliado o esforço necessário de incorporação da arquitetura de simulação distribuída definida no padrão IEEE Std 1516 - High Level Architecture - HLA. Uma análise dos principais resultados desta pesquisa propicia uma verificação do Framework proposto, quanto a reutilização significativa de código para a construção de modelos de simuladores de trajetórias. Esta análise também propicia uma avaliação do padrão HLA para a criação de simulações distribuídas, visando uma melhor padronização, interação e reusabilidade dos sistemas.

Um Sistema de Controle de Atitude (SCA) requer estimativas da atitude e velocidade angular em tempo real para que, em malha fechada, ele possa corrigir o apontamento do satélite conforme desejado. Essas estimativas são produzidas por um Sistema de Determinação de Atitude (SDA), o qual se constitui basicamente de sensores e de métodos de estimação. O desenvolvimento de satélites de baixo custo motiva pesquisas sobre métodos que possibilitam a estimação de atitude e velocidade angular tendo em vista o uso de medidas apenas de sensores de atitude, evitando-se o emprego de girômetros. Sensor solar e magnetômetro são sensores de atitude comumente utilizados por apresentarem baixo consumo de energia, ocuparem pouco espaço, serem leves e baratos. O presente trabalho tem por objeto revisar métodos de estimação baseados no filtro de Kalman estendido (EKF) e propor, com o intento de investigação, métodos semelhantes baseados no filtro de Kalman unscented (UKF). Adicionalmente, propõe-se ao final um SDA autônomo para satélites de baixo custo, estabilizados por rotação ou controlados em 3 eixos, que se movem em órbitas terrestres baixas e embarcam magnetômetro e sensores solares. Os estimadores desse sistema são avaliados com dados simulados. Os resultados indicam que o conjunto de sensores que se pretende utilizar no satélite universitário ITASAT produz estimativas que divergem durante movimentos angulares lentos em períodos de eclipse solar. Dessa forma, o controle de atitude em 3 eixos baseado nas estimativas de atitude e de velocidade angular produzidas pelo SDA proposto deve ser avaliado cautelosamente para que, mesmo em períodos de eclipse, seja capaz de prover segurança térmica cumprindo com a restrição de ortogonalidade entre o eixo de simetria do satélite e a direção do Sol. Os resultados obtidos serão utilizados no SDA do satélite ITASAT em desenvolvimento no ITA sob a égide da Agência Espacial Brasileira.

This work focuses on tracking launch vehicles with multiple radar sites and proposes a data fusion strategy based on the Covariance Intersection (CI) method. At each site, multiple models are embedded in a Kalman filter or locally estimate position, velocity, and acceleration using a de-biased measurement transformation from spherical to cartesian coordinates. The estimation of position, velocity, and acceleration of moving object based on radar measurements is critical in applications such as air traffic control, surveillance systems, and orbital vehicles launching among many others. However, this work will focus on the conditions observed at Alcântara Launch Center, where two radars located at distinct sites provide the trajectory coverage. All simulations presented herein make use of actual data obtained from a VS30 sounding rocket launch at Alcântara Launch Center in February, 2000. Impact point prediction is also assessed, and considers uncertainties inferred form the computed covariance matrix, culminating in an ellipsoidal impact area with a given impact probability.

Como um aprimoramento ao processo de AIV (Montagem, Integração e Verificação, do inglês, Assembly, Integration and Verification), fundamental e tendencioso a erros, este trabalho apresenta novos método e linguagem de modelagem. Esta linguagem foi criada sobre uma ontologia construída especificamente para essa finalidade e é particularmente aplicável ao caso dos veículos de sondagem espacial. Após a introdução dos problemas intrínsecos de aplicações espaciais, fundamentações teóricas sobre AIV e técnicas de modelagem são apresentadas e examinadas. Então, uma ontologia é construída, seguindo uma abordagem sistemática, e sua evolução para uma linguagem de notação visual é proposta, assim como um método de modelagem. Os resultados dessa proposta são então apresentados. Por fim, o trabalho monta um estudo de caso como exemplo, utilizando o método e a notação propostos na modelagem do processo de AIV de um veículo de sondagem espacial real. Explicações iniciais são dadas na introdução de termos de diferentes áreas.

A massa é uma propriedade bastante significativa para diversos cálculos do projeto de um foguete. O custo da massa de um satélite é muito alto e uma diminuição da massa de 1 % pode significar uma economia de milhares de dólares. Então, para se obter um resultado confiável é necessário conhecer as fontes de incerteza que podem influenciar este resultado. Neste trabalho, as principais fontes de incerteza são avaliadas e discutidas, para uma melhor compreensão da complexidade de uma medição de massa de um foguete. Para se obter o resultado com a menor incerteza foi desenvolvido um método de escolha, dentre vários parques de balanças, daquele parque do qual resulta a estimativa da menor incerteza da massa total de um foguete, a partir da medição das massas de seus componentes. O método foi implementado com o uso de planilhas Excel , que podem ser adaptadas para tantas balanças, parques e faixas de massas quantas sejam necessárias, funcionando como ferramenta de auxílio à decisão da estimativa incerteza final do foguete, e norteando decisões como novas aquisições de balanças e contratação de fornecedores de serviço de pesagem.

O objetivo desta tese de mestrado é apresentar e analisar os resultados de cargas térmicas e distribuição de temperatura obtidos a partir da simulação numérica do comportamento térmico do satélite ITASAT (satélite universitário) para os casos críticos de vôo. O ITASAT será o primeiro satélite brasileiro de serviços desenvolvido por universidades. O programa está sendo coordenado pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) em conjunto com outras universidades do país, com apoio do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e financiado pela Agência Espacial Brasileira (AEB). Para cumprir esse objetivo, foi utilizada a ferramenta computacional SINDA (System Improved Numerical Differencing Analyser), um software comercial de análise térmica que possui facilidade para aplicações espaciais. Durante a órbita, o satélite sofrerá a influência de cargas térmicas externas (radiação solar, albedo e radiação terrestre), e parâmetros como o tipo de órbita e atitude tem influência direta sobre a intensidade dessas cargas. Associando as cargas térmicas externas às dissipações internas dos equipamentos que compõem o satélite, foi possível obter a distribuição de temperatura prevista para vôo. A geometria utilizada partiu de uma proposta inicial do modelo de satélite, a qual estará sujeita a alterações com o desenvolvimento do projeto. Como os equipamentos que irão compor o ITASAT ainda não foram definidos, neste trabalho o modelo foi implementado com equipamentos de características térmicas, e de potências dissipadas idênticas aos utilizados no satélite de coleta de dados SCD-1 do INPE, lançado em 1993. Este estudo é parte do projeto de controle térmico do satélite ITASAT, e garantirá que as temperaturas limites aceitáveis, máximas e mínimas, para todos os equipamentos possam ser obedecidas, fornecendo assim informações iniciais para a fase de testes que o modelo de vôo do ITASAT será submetido posteriormente. Os resultados apresentados são fisicamente coerentes para satélites em baixa órbita (LEO).

Neste trabalho é desenvolvido um modelo de blindagem balística mista composta por uma parte cerâmica (alumina), e uma parte de compósito (polietileno de ultra alto peso molecular). Paralelamente, também foi modelada a munição à qual a blindagem objetiva proteger. O modelo foi aplicado a alvos compostos somente da base de polietileno de ultra alto peso molecular, e a alvos mistos contendo cerâmica e compósito. Quando a blindagem apresentou uma V50, velocidade com 50% de chance de penetração, da ordem de 700m/s, a simulação obteve erros inferiores a 5%. Já quando a blindagem apresentou uma V50 mais baixa, cerca de 500m/s, a simulação obteve erros maiores, superiores a 15%, mas mesmo assim foi possível prever que a blindagem não era eficiente para esse tipo de solicitação.

O presente trabalho propõe e avalia, através de simulação, um Sistema de Controle de Atitude (SCA) autônomo, para satélites estabilizados por rotação (spin), utilizando como atuadores apenas magnetotorqueadores (MTQ), sem utilizar dispositivos passivos para amortecimento de nutação, e como sensores apenas magnetômetro e sensor de Sol. São utilizados três MTQ, formando um ângulo de 90 entre si, sendo apenas um ativo a cada instante e podendo apresentar os seguintes estados de funcionamento: ligado "positivamente", ligado "negativamente" ou desligado. O SCA ativa o magnetotorqueador que minimiza a condição de estabilidade assintótica, sendo controlados simultaneamente a magnitude e a direção do eixo de spin. Os estados do satélite, utilizados pelo SCA para avaliar a condição de estabilidade assintótica e chavear o magnetotorqueador mais adequado, são sua atitude e velocidade angular, que são estimadas pelo Sistema de Determinação de Atitude (SDA) a partir das medidas dos sensores citados anteriormente. Este SDA emprega estimadores de bias, atitude e velocidades angulares, sendo as estimativas geradas por um filtro de Kalman estendido (EKF). O eixo de spin deve se manter apontando ortogonalmente ao plano da eclíptica com velocidade de aproximadamente 40 rpm durante a fase operacional. O SCA é avaliado para o satélite universitário ITASAT, o qual é modelado como um corpo rígido, com massa de 73,6 kg, dimensões de 700x700x650 mm e momentos principais de inércia em torno de 6,5 kgom2, nos eixos perpendiculares à direção de spin, e 8,0 kgom2, na direção do eixo de spin. A missão do referido satélite é desempenhada em uma órbita circular, com altitude de 750 km e inclinação de 25. Os torques de perturbação avaliados são os devido ao gradiente de gravidade e devido às correntes induzidas. A parametrização da atitude do satélite é realizada através de quatérnio. Utiliza-se como modelo de campo geomagnético o World Magnetic Model (WMM-2005) e como modelo de mecânica celeste o Simplified General Perturbations Satellite Orbit Model 4 (SGP4), juntamente com um modelo embarcado de órbita Kepleriana, considerando apenas a perturbação J2. São consideradas incertezas no tensor de inércia, no valor dos atuadores e nas medidas dos sensores, bem como erros provenientes do SDA. Como condições iniciais, são avaliados dois cenários, ambos com erro de apontamento inicial de 15, e apresentando, respectivamente, spin inicial de 120 rpm e 0 (zero) rpm. A partir das simulações, verifica-se que o satélite atinge a atitude desejada após 10 dias para o spin inicial de 120 rpm e 5 dias para a outra condição avaliada. Finalmente, o SCA mostra-se bem-sucedido em regime, após uma fase inicial de manobras, mantendo o eixo de spin nominalmente perpendicular à eclíptica com velocidade de spin de 40 rpm, apresentando apontamento com erro inferior a 2,5 e erro de velocidade de spin com magnitude inferior a 1 rpm, e sendo o movimento de nutação amortecido e mantido com valor inferior a 1,5.

Esta tese apresenta uma análise do computador de bordo para o satélite universitário ITASAT, propondo redundância interna de hardware nos itens críticos e comparando índices de confiabilidade entre a utilização de componentes de aplicação espacial e componentes COTS - Commercial off-the-shelf. O ITASAT consiste num projeto de desenvolvimento de um satélite tecnológico de pequeno porte pela parceria entre o Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE e a Agência Espacial Brasileira - AEB. Após uma breve explanação sobre os subsistemas que compõem um satélite genérico, as principais características funcionais e requisitos preliminares para o projeto do hardware do computador de bordo do satélite universitário ITASAT são apresentadas. Em seguida, definido o sistema computacional do segmento espacial do ITASAT como ACDH - Attitude, Control and Data Handling, é organizado o computador de bordo em módulos. O módulo denominado de CPU é analisado com componentes de aplicação espacial e sua confiabilidade de hardware calculada para uma vida útil de dois anos de missão, seguindo a norma militar MIL-HDBK-217F com suporte da ferramenta computacional Relex Reliability Studio 2008. Não atingindo o nível especificado de confiabilidade, aplicou-se redundância cold standby ao módulo da CPU, o que o tornou um módulo tolerante a falhas. Esta técnica de redundância exigiu duas unidades adicionais, de gerenciamento de redundância e de chaveamento. Baseando-se nesta configuração redundante, é abordado um conjunto de mecanismos de verificação e projetos, conjuntamente denominados de FDIR - Failure Detection, Isolation and Recovery, que têm como objetivo proteger a integridade do módulo da CPU, evitando a perda de suas partes ou totalidade, na presença de uma falha simples, de forma a assegurar o desempenho da missão durante sua vida útil. Novamente, foi calculada a confiabilidade do módulo da CPU com redundância cold standby e os resultados obtidos mostraram um acréscimo do nível de confiabilidade suficiente para atender a esse requisito. Por fim, foram substituídos os componentes de aplicação espacial por componentes COTS e recalculada a confiabilidade para o módulo da CPU. Os resultados obtidos com as configurações estudadas para o módulo da CPU mostraram que a aplicação de tolerância a falhas eleva o índice de confiabilidade e a combinação da utilização de componentes de aplicação espacial e componentes COTS garante, em algumas configurações, a superação do índice de confiabilidade de hardware especificado.