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Estudante da Engenharia Mecatrônica cria dispositivo para testar tecnologias de foguetes

No projeto de iniciação tecnológica, o aluno Diogo Cintra modelou e construiu um protótipo de controle de altitude com tecnologia semelhante à usada em foguetes como o Falcon 9 da americana SpaceX

No projeto de iniciação tecnológica, o aluno Diogo Cintra modelou e construiu um protótipo de controle de altitude com tecnologia semelhante à usada em foguetes como o Falcon 9 da americana SpaceX

 

Leandro Steiw

 

Obsessão na metade do século 20 durante a corrida espacial entre as grandes potências da época, os voos orbitais ganharam nova dimensão com os recentes feitos da SpaceX, a fabricante americana de sistemas aeroespaciais fundada pelo bilionário Elon Musk. O Falcon 9, primeiro foguete a pousar na vertical depois de reentrar na atmosfera da Terra, realizava o controle da orientação do empuxo gerado pelo seu motor, com o objetivo de pousá-lo, um mecanismo chamado Thrust Vector Control (TVC). Aluno do oitavo semestre de Engenharia Mecatrônica no Insper, Diogo Nobre de Araújo Cintra utilizou o mesmo mecanismo para modelar e controlar um protótipo no projeto de iniciação tecnológica “Controle vetorizado de empuxo baseado em dispositivos flexíveis para sistemas propulsivos”, orientado pelo professor Fabio Bobrow.

A proposta era buscar tecnologias para implementação de um controle de altitude em um foguete, diferentes das adotadas comumente na indústria aeroespacial, que possibilitasse a aterrisagem e o controle da trajetória na vertical. Uma alternativa havia sido apresentada por Bobrow na aula de laboratório da disciplina Modelagem e Controle, do quarto semestre: um veículo de testes que incorporava um mecanismo desenvolvido pelo Marshall Space Flight Center, da agência espacial Nasa, e pela Brigham Young University, dos Estados Unidos.

Cintra conta que ficou com a ideia martelando na cabeça. “Sempre tive um grande interesse por tecnologias aeroespaciais”, diz. “Quero e vou trabalhar nessa área, pretendo fazer mestrado e doutorado e seguir carreira no setor. Conversamos sobre isso no final da aula, mas eu estava no início da graduação e ainda não tinha conhecimento técnico e habilidades suficientes para desenvolver um projeto robusto de controlador que pudesse ser usado em foguetes ou satélites.”

Desde o início da corrida espacial, nos anos 1950, as despesas com voos orbitais inflavam porque se perdiam os foguetes após o lançamento. Na década de 1980, o Space Shuttle, da Nasa, foi o primeiro veículo aeroespacial reutilizável, que voltava à Terra e pousava na horizontal. No entanto, aqueles ônibus espaciais eram o segundo estágio do sistema. Após o lançamento, o segundo estágio era separado do primeiro, o qual era desintegrado em sua eventual reentrada na atmosfera. O êxito do Falcon 9 deve-se à adoção do uso do TVC para o pouso e de “freios” aerodinâmicos, que permitem o pouso do primeiro estágio. Enquanto cada missão do Space Shuttle consumia 450 milhões de dólares, uma viagem do Falcon 9 custa 62 milhões de dólares.

No meio do ano passado, quando estava terminando o sexto semestre, Cintra procurou Bobrow para o PIBITI (Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação). Havia um desafio extra na proposta. Controle de foguetes não é um tema da graduação, mas o projeto permitiria aplicar, na prática, teorias e ferramentas ensinadas nas disciplinas da Mecatrônica. Entre os quais, os conteúdos da eletiva Drones, ministrada pelo professor e futuro orientador.

A primeira parte do trabalho foi a modelagem teórica da dinâmica do veículo de testes, o desenvolvimento do controlador de altitude e os testes no Simulink/MatLab, um software dedicado a simulações de sistemas. Na segunda, os controladores foram instalados no protótipo em polímero ABS, construído na impressora 3D do TechLab do Insper. Foram abordadas duas estratégias de controle. Um controlador comumente utilizado (proporcional-derivativo), com a dinâmica modelada do sistema — que, na prática, tornou o sistema instável —, e para projetar o outro controlador, foram utilizados os conceitos da disciplina Controle Moderno (ministrada pelo coordenador de Engenharia Mecatrônica, Vinicius Licks), com a dinâmica empírica do sistema. A segunda estratégia foi amadurecendo com a contribuição do professor Carlos Novaes, da disciplina Projeto de Controle, do sétimo semestre.

 

O mecanismo criado pelo aluno
O mecanismo criado pelo aluno

Simples e compacto

Diversas tentativas e erros se sucederam até que o protótipo ficasse pronto. O mecanismo original da Nasa é produzido em liga de titânio, um material leve e resistente para aplicações aeroespaciais, mas muito caro. Assim, algumas peças de acrílico cortadas a laser e outras impressas em 3D com o ABS reduziram o custo de manufatura. “Esta também foi uma das dificuldades do trabalho”, diz Cintra. “Eu não encontrei na internet nenhum dispositivo semelhante, com resultados ou soluções que pudesse replicar no projeto”, diz.

Para representar ao máximo a propulsão de foguetes, acoplou-se uma válvula de ar comprimido ao mecanismo — o que acabou por determinar parte do insucesso do controlador PD. “Embora tenha aumentado a complexidade do controle, a válvula simula uma possível dinâmica do próprio motor do foguete”, diz Cintra. “Após diversas estratégias, consegui prototipar  um sistema simples, compacto e de baixo custo que é possível de ser controlado e que pode ser utilizado na indústria, por exemplo, para testar novas estratégias de controle e implementação em satélites, foguetes e mísseis, entre outros.”

Bobrow comenta o percurso da iniciação científica: “Parte do processo de aprendizagem é errar e descobrir as dificuldades. Acho que o grande passo que o Diogo deu foi sair da teoria e ir para a prática. No meu caso, foi algo que eu não fiz na graduação, só depois no mestrado e no doutorado. Ele percebeu que muito do que funcionava no modelo matemático dava errado na hora da implementação em um sistema real. Por que dá errado? Vamos tentar entender e estudar. Isso é bem interessante do ponto de vista do aprendizado dele e do resultado do projeto”.

De imediato, o objetivo é divulgar o trabalho em congressos ou artigos científicos. “Gostaria de mostrar que o setup que desenvolvi pode ser utilizado para testar e criar novos controladores de veículos aeroespaciais”, diz Cintra. “E também aumentar as minhas chances, lá no futuro, de conseguir uma bolsa ou vaga de mestrado e doutorado nos Estados Unidos para ampliar os meus conhecimentos nessa área e trabalhar na indústria.” Perto do fim do curso, o plano vai tomando propulsão.

 

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