Proteção contra o raio de plataformas de lançamento de satélites

A proteção contra raios das plataformas de lançamento de satélites e naves espaciais é essencial. Discutimos recentemente a necessidade de proteção preventiva para autorizar o lançamento de foguetões. Neste artigo discutiremos a engenharia de proteção contra impactos diretos ou próximos, por meio de proteção externa e interna.

Os impactos de raios em plataformas de lançamento de satélites não protegidas contra descargas atmosféricas levaram a incidentes graves. Estes incluem a ativação de foguetes sonoros e outras naves espaciais. Também têm havido eventos em que os impactos interromperam as verificações e adiaram o lançamento de naves espaciais¹.

Estas plataformas são utilizadas para colocar em órbita satélites de comunicação essenciais à vida moderna. São missões complexas e dispendiosas que requerem grandes precauções para o seu sucesso e segurança.

Os veículos concebidos para transportar satélites são geralmente foguetes com sistemas de controlo e orientação¹ . Estes foguetes contêm material comburente, combustível e eletroexplosivo (necessários para autodestruição se necessário). Por isso, os impactos de raios quando o foguetão está na plataforma de lançamento podem causar acidentes graves, com custos elevados em termos de vidas humanas, dinheiro e tempo. Além disso, os sistemas digitais são cada vez mais utilizados para controlo de voo e instrumentação, em vez dos sistemas analógicos e metálicos. Isto aumenta a vulnerabilidade do veículo em relação aos efeitos das descargas atmosféricas¹,².

Os raios também constituem uma ameaça para as linhas de dados elétricos, e podem causar a ignição descontrolada do combustível1. É de notar que os perigos associados aos raios são significativos em todas as fases das operações de lançamento, frequentemente conduzidas ao ar livre³.

Um impacto direto na nave espacial poderia causar danos locais no seu isolamento térmico. Caso o raio apresente uma corrente de grande magnitude e possibilidade de correntes continuas, não se podem excluir danos estruturais na nave. Por isto, após o impacto, é necessária uma avaliação dos danos¹.

As plataformas de lançamento de satélites são propensas a descargas atmosféricas, como estruturas isoladas com alturas de 60-100 metros, localizadas em terrenos planos. Além disso, a maioria destes locais encontra-se em áreas de alto nível isoceraúnico e próximos a regiões costeiras onde a atividade de descargas elétricas é mais elevada¹.

Na realidade, a plataforma 39A da NASA recebeu uma média anual de 3 impactos desde 1979 4. Desde 1998, esta e a plataforma 39B tinham recebido pelo menos 5 impactos com um transbordo espacial presente. No entanto, o equipamento não ficou danificado graças à proteção contra raios instalada. Em 1983, os impactos ocorreram antes de três dos quatro lançamentos de vaivéns⁵.

Por conseguinte, veículos aeroespaciais, equipamento de voo, equipamento de apoio em terra e todas as instalações onde são realizados testes ou operações potencialmente perigosas devem ser adequadamente protegidos contra o raio⁶.

De acordo com Cooray¹, a filosofia seguida para a proteção cotra o raio de plataformas e veículos de lançamento implica uma defesa a três níveis:

• Em primeiro lugar, cumprir os critérios de lançamento da NASA (Lightning Launch Commit Criteria, LLCC)
• Em segundo, utilizar um sistema de proteção contra o raio (SPCR) adequado para proteger a plataforma dos impactos perigosos.
• Por último, utilizar técnicas de rastreio eletromagnético para proteção dos sistemas dentro do veículo e dos sistemas de lançamento.

De seguida apresentamos mais detalhes das estratégias seguidas na indústria aeroespacial para a proteção contra o raio das plataformas de lançamento de satélites.

Plataformas de lançamento de satélites: proteção externa contra o raio

As funções da proteção externa são intercetar os raios e minimizar os efeitos da corrente dos raios para a terra. As plataformas de lançamento utilizam normalmente a proteção tradicional contra o raio. No entanto, a proteção externa das plataformas de lançamento é um desafio devido à altura e dimensão destas instalações. Protegê-las estritamente de acordo com as normas de proteção convencionais, como a IEC 62305⁷, é muito complicado. Os para-raios (PDI) fornecem uma maior área de proteção, uma vez que emitem o traçador ascendente contínuo antes de qualquer outro objeto dentro do seu raio de proteção.

Plataformas de lançamento de satélites: proteção interna contra o raio

O impacto dos raios produz um campo magnético de alta velocidade que induz altas tensões nos condutores da área circundante. Os efeitos elétricos ressonantes dos cabos e estrutura de proteção também podem contribuir para as altas tensões induzidas3.

Além disso, a carga útil da nave espacial, ou seja, o satélite, consiste normalmente em equipamento eletrónico sensível a surtos transitórios. Por conseguinte, em caso de queda de um raio enquanto o veículo estiver na plataforma, devem ser efetuados controlos adequados para confirmar que não ocorreu qualquer dano3.

Por conseguinte, as zonas de proteção contra raios (ZPR, ou zonas em que o ambiente do raio eletromagnético é definido⁸) devem ser determinadas já nas fases iniciais da conceção do veículo, porque dependem da geometria e do convés da nave.

Assim, a proteção interna das plataformas de lançamento e dos veículos espaciais é implementada através da estrutura da nave, bem como através da ligação equipotencial e da blindagem dos cabos¹.

A ligação equipotencial de todos os componentes elétricos (ligações, tubos metálicos, etc.) torna possível a obtenção de uma zona de ligação equipotencial. Isto é particularmente relevante quando se encontram componentes eletrónicos críticos¹.

Por exemplo, todas as secções dos tanques devem ser soldadas e ligadas para se obter um plano de referência de baixa impedância. Do mesmo modo, todas as partes metálicas com mais de 30 centímetros devem ter uma via de descarga para a estrutura¹.

Por outro lado, quando o veículo está na plataforma, a continuidade elétrica até ao solo entre os dois deve ser assegurada durante todas as fases do funcionamento no solo⁶ .

Em conformidade com os princípios de proteção contra raios aplicáveis a outras instalações, a ligação equipotencial deve ter uma secção transversal adequada; e os pontos de ligação devem estar livres de qualquer material isolante e estranho, como tinta, ferrugem e corrosão¹.

Para cabos elétricos, devem ser seguidas diretrizes gerais de blindagem eletromagnética para limitar o nível de ruído ou interferência em todo o sistema. Também, sempre que possível, por exemplo, para controlo e transmissão de dados, é preferível utilizar cabos de fibra óptica¹.

Os dispositivos de proteção contra sobretensões (DPS) devem estar localizados em interfaces de circuitos críticos e em áreas de circuito de corrente onde as diferenças potenciais podem ser significativas durante os acessos diretos ou próximos¹.

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• Sistema inteligente de alerta perante o risco de tempestades elétricas ATSTORM®. Este sistema avalia o risco de trovoadas através de sensores locais, tecnologia IoT e algoritmos especialistas.
• Para-raios inteligente com tecnologia de ionização (PDI) DAT CONTROLER® REMOTE que amplia a área protegida em relação à proteção convencional. Realiza ainda o seu autodiagnostico e comunica de forma diária o estado do para-raios através de conectividade IoT.
• Sistema inteligente de alerta e registo em tempo real do raio captado SMART LIGHTNING LOGGER. Este contador monitoriza a atividade na baixada do para-raios, facilitando informação de cada descarga no momento que se produz o impacto. Os parâmetros dos raios que se medem com dispositivos como o SMART LIGHTNING LOGGER permitem avaliar os possíveis efeitos das descargas nos equipamentos eletrónicos sensíveis. A monitorização e comunicação em tempo real agiliza o processo³.

Por outro lado, na Aplicaciones Tecnológicas S.A. contamos com dispositivos de proteção contra as sobretensões, incluindo contadores, soldadura exotérmica (também chamada de aluminotérmica) APLIWELD® Secure+, para-raios, acessórios e materiais de redes de terra.

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Referências

1. Cooray, V. Lightning Protection. (The Institution of Engineering and Technology, 2010).
2. Harms, D. E., Boyd, B. F., Flinn, F. C. & McNamara, T. M. Weather system upgrades to support space launch at the eastern range and the Kennedy Space Center. Weather 50, (2003).
3. Colon, Jose L. Lightning Protection and instrumentation at Kennedy Space Center. in Third LACCEI Internattonal Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCET’2005) (2005).
4. Stahmann, J. R. Launch pad lightning protection effectiveness. in vol. 1 12 (1991).
5. NASA Facts AC 321/867-2468. Lightning and the Space Program. http://www.tstorm.com/images/lightning_space_program.pdf (1998).
6. Goodloe, C.C. Lightning Protection Guidelines for Aerospace Vehicles. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20000004589/downloads/20000004589.pdf (1999).
7. International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 62305-1 Protection against lightning – Part 1: General principles. (2010).
8. International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 62305-4 Protection against lightning – Part 4: Electrical and electronic systems within structures. (2010).