Uma sonda orbital "desliza" no espaço graças à inércia — um conceito fundamental da física, descrito por Newton na sua Primeira Lei do Movimento. Essa energia inicial que permite o movimento é fornecida por um impulso inicial, geralmente através de foguetes no momento do lançamento ou durante manobras orbitais. Quando a sonda é lançada, ela é acelerada por foguetes até atingir uma velocidade suficientemente alta para entrar em órbita ou seguir para seu destino. Esse impulso gera energia cinética, que é a energia do movimento.
No vácuo do espaço, não há ar ou outra substância que gere atrito. Assim, uma vez que a sonda atinge a velocidade desejada, ela continua "deslizando" indefinidamente (ou até interagir com outro corpo ou campo gravitacional), sem precisar gastar mais energia. Se a sonda estiver em órbita, ela está em constante "queda livre" ao redor do corpo celeste (como a Terra), sendo mantida nessa trajetória pela gravidade. Isso cria uma dança entre a energia cinética e a energia potencial gravitacional.
A orientação de uma sonda no espaço — ou seja, como ela se posiciona e aponta na direção certa — é feita através de um sistema chamado controlo de atitude. Como no espaço não há em cima e em baixo, controlar a atitude é essencial para que antenas, câmaras, painéis solares ou propulsores estejam sempre na posição certa. Pequenos discos giram dentro da sonda, e por conservação do momento angular, a sonda gira na direção oposta. Permite movimentos muito precisos sem gastar combustível, que é muito usado em sondas científicas e telescópios espaciais. Pequenos propulsores libertam jatos de gás (como hidrazina) para girar a sonda. São úteis quando é preciso uma correção mais forte ou rápida. Como consomem combustível, são usados com mais parcimónia. Para órbitas próximas da Terra usam o campo magnético da Terra para criar torque e ajustar a orientação. Mas são ineficientes longe do campo magnético terrestre. Para saber "onde está olhando", a sonda usa giroscópios (que medem rotações) e sensores que reconhecem padrões de estrelas, como um navegador celeste. E assim permite uma navegação autónoma de alta precisão.
O telescópio espacial Hubble usa rodas de reação para se orientar, e sensores de estrelas para saber exatamente para onde está apontando. Quando precisa reajustar ou corrigir algo maior, ele pode usar pequenos propulsores.
Uma sonda pode ser controlada da Terra, e isso é feito por meio de estações de comunicação que enviam e recebem sinais de rádio. Engenheiros e cientistas em Terra programam e transmitem comandos específicos para a sonda, como: mudar a orientação; ativar instrumentos científicos; corrigir a trajetória; ou enviar dados de volta. A NASA, por exemplo, usa a Deep Space Network (DSN), um conjunto de grandes antenas espalhadas em três pontos do globo (Califórnia, Espanha e Austrália), garantindo comunicação contínua com sondas mesmo quando a Terra gira. A distância causa atrasos no sinal. Por exemplo, uma sonda em Marte pode demorar de 4 a 24 minutos (ida e volta) para se comunicar. Por isso, muitas sondas também têm autonomia para executar comandos pré-programados quando estão fora de contacto.
Uma sonda que chegou a uma lua de Saturno seguiu uma programação prévia muito detalhada, feita aqui na Terra, com cálculos de trajetória, manobras e tempos de operação planeados com anos de antecedência. Cientistas e engenheiros definem o destino (por exemplo, a lua Encélado ou Titã) e calculam a trajetória ideal, muitas vezes usando assistências gravitacionais (sobrevoos de planetas como Vénus, Terra ou Júpiter) para economizar combustível. A sonda é equipada com um sistema de navegação autónomo que executa manobras (ajustes de rota, inserção orbital etc.) automaticamente, com base na programação recebida antes do lançamento ou enviada durante o percurso. Ao longo do percurso, os controladores na Terra enviam pequenos ajustes e comandos de correção, com base nas medições da posição real da sonda. Mas tudo é limitado pelo atraso de comunicação (no caso de Saturno, cerca de 1h10m de tempo de ida e volta do sinal).
A Cassini foi programada para orbitar Saturno por anos, realizando dezenas de sobrevoos em luas como Titã e Encélado. A Huygens, que desceu em Titã, foi programada para se soltar da Cassini e pousar sozinha, seguindo instruções que não podiam ser ajustadas em tempo real. Chegar lá depende de uma coreografia matemática e tecnológica feita aqui na Terra, antecipando quase tudo com precisão milimétrica.
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