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Plataformas de Alta Altitude - Situação Atual e Tendências Tecnológicas

Plataformas de Alta AtitudeSituação Atual e Tendências Tecnológicas

SERFA 2016 - IEAv27 de outubro de 2016

Flavio Araripe d'Oliveira - Eng. Aer., M.C.DCTA/IAE

Foto: U-2 a 65.000 ft

Plataformas de Alta Altitude - Situação Atual e Tendências TecnológicasTendências Tecnológicas para HAP

Folha de SP - 24 ago 2015


Facebook - Aquila

Google - Solara 50

Google - Projeto Loon

"Satélites Atmosféricos"

Google - Projeto Loon


Objetivo

Apresentar o histórico e a situação atual do desenvolvimento de plataformas de alta altitude (High-Altitude Platforms - HAP),

seus desafios e tendências tecnológicas.

Objetivo

Principal Referência:

"High-Altitude Platforms - Present Situation and Technology Trends"JATM (IAE), Jul./Sep. 2016


Roteiro

• Introdução• Principais Projetos (1995-2015)• Projetos Atuais• Desafios Tecnológicos• Análise Bibliométrica• Tendências Tecnológicas• Conclusões

Roteiro


Plataformas de Alta Altitude(High Altitude Platforms - HAP)

Definição

Aviões, dirigíveis e balões (tripulados ou não) que voam a cerca de 20 km de altitude, na estratosfera, para utilização

em telecomunicações e sensoriamento remoto.

Introdução


Porque a altitude de 20 km (65.000 ft)?(Estratosfera)

Acima das nuvens e dos voos comerciais Diminuição dos ventos

Jet Stream

HAPs

Introdução


- Menor custo(regiões remotas)

- Rapidez de lançamento(situações de emergência)

- Facilidade de manutenção(comparado com satélites)

- Substituição da carga paga(flexibilidade de missões)

- Eficiência de transmissão(cobertura, tamanho das células)

Vantagens em relação à redes terrestres e satélites

Introdução


- Década de 50 e 60: aviões tripulados

Histórico

U-2 SR-71

- 1970: primeiro dirigível HAP (21 km)

High Platform II(comp.: 25 m)

Raven (EUA), comapoio da US Navy

Introdução


Roteiro


Roteiro


Principais Projetos (1995-2015)

EUA: ERAST - Helios (1994-2004)Executor: AeroVironment, NASA

Helios - Altitude: 29 km (recorde, 2001)Env.: 75 m; Peso total: 1050 kg

Cancelado em 2004. Gastos: US$ 50 milhões.Estimativa do total para concluir: US$ 300 milhões.

2003: acidente em voo no Havaí.




Japão: Stratospheric Platform (1998-2005)Executor: JAXA

Altitude: 20 km; Vento 30 m/s; Comp.: 245 mPeso total: 32 ton; Carga paga: 1 ton

Novo Hangar e Demonstrador de TecnologiaAltitude: 4 km; Comp.: 68 m

Cancelado em 2005. Recursos gastos: US 200 milhões




EUA: HALE-D (2008-2011)Executor: Lockheed, US Army

Demonstrador de TecnologiaAltitude: 18 km; Comp.: 73 m

Paralisado em 2011. Gastos US$ 36 milhões

1o Voo: 2011Falha a 10 km de altitude.



- Dificuldades: acidentes, desenvolvimento de armazenamento de energia, diminuição do apoio governamental

Lockheed HALE-D: 2011AeroVironment Helios: 2003




Roteiro


Roteiro


Projetos AtuaisReino Unido: Zephyr

Executor: Airbus

Zephyr 7; Alt.: 18 km; Recorde: 14 dias Peso total: 55 kg; Carga: 5 kg

Diversos voos realizados com sucesso desde 2004.Encomenda do UK MoD: 2 Zephyr S, US$ 18 milhões.

2017: Zephyr S (Single Tail); Carga: 5 kg2018: Zephyr T (Twin Tail); Carga: 20 kg

Projetos Atuais


Projetos AtuaisEUA: Google Loon

Executor: Google

Constelação de Balões; Altitude: 20 km100 dias; Diam.: 15 m

Diversos ensaios realizados com sucesso:Nova Zelândia, Austrália, Brasil

2016: Guincho de lançamento.Porto Rico

Projetos Atuais


Projetos AtuaisEUA: Solara 50Executor: Google

Solara 50Env.: 50 m; Carga: 32 kg

2015: Acidente no 1o voo (rajadas a baixa altitude).Google vai continuar o desenvolvimento.

Rede de Comunicação com Laser

Projetos Atuais


Projetos AtuaisEUA: Aquila

Executor: Facebook

AquilaEnv.: 42 m; Peso total: 400 kg

Jun 2016: 1o voo do protótipo em escala real, com sucesso.

Estrutura de apoio para decolagem, rebocada por um veículo.

Projetos Atuais


Projetos AtuaisFrança: Stratobus

Executor: Thales Alenia Space

Stratobus. Comp.: 100 mPeso total: 5000 kg; Carga: 250 kg

Previsão de 1o voo em 2020.Recebeu investimento do governo francês: US$ 19 milhões.

Espelhos refletores internos para concentrar energia solar.

Projetos Atuais


Roteiro


Roteiro


- Estruturas Leves

- Geração e Armazenamento de Energia

- Gerenciamento Térmico

- Operações em Baixa Altitude

- Confiabilidade

Desafios Tecnológicos



- Estruturas Leves

. Ar rarefeito (densidade 20 km: 7 % do nível do mar)→ Grandes Dimensões (volume, envergadura)


Dirigíveis HAP x Porta-Aviões Facebook Aquila x Boeing 737



- Estruturas Leves

. Estruturas em material composto para aviões HAP


Helios (AeroVironment, EUA) Zephir (Airbus, R.U.)



- Geração e Armazenamento de Energia

. Grande autonomia (meses): células solares, motores elétricos

. Período noturno: baterias recarregáveis oucélulas a combustível regenerativas (RFC)


RFC do Helios (mock-up)Regenerative Fuel Cell (RFC)



- Gerenciamento Térmico

. Superheating e Supercooling nos Dirigíveis HAP

. Aquecimento das células solares:Utilização de materiais isolantes


Análise TémicaBalanço Térmico em um Dirigível



- Operação a Baixa Altitude

. HAP otimizadas para altas altitudes

. Estruturas muito flexíveis e frágeis com rajadas de vento:Acidentes do Helios e do Google Solara

. Operar em condições ótimas ("janelas" de lançamento)

. Coordenação com Controle de Tráfego Aéreo


- Confiabilidade

. Condições semelhantes ao espaço

. Ciclos de temperatura acentuados

. Missões com duração de meses

. Equipamentos de uso espacial (alto custo)



Roteiro


Roteiro


Publicações - Distribuição por Ano e por Países(5 países com maior número de publicações = 75% do total)

China - 348

Itália - 117

EUA - 242

R.U. - 109

Japão - 90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1990 1995 2000 2005 2010 2015

Total de Publicações no Mundo, 1990 a 2015: 1220 (Base Scopus)

Análise Bibliométrica



Publicações - Análise por Instituição e Assunto

- Instituições (total de instituições 270 = 100%):

País PublicaçõesTelecomu-nicações

Dirigíveis Aviões BalõesOutros

Assuntos

China 348 21 % 58 % 13 % 3 % 5 %

Outros 872 57 % 12 % 19 % 3 % 9 %

Total 1220 46 % 25 % 18 % 3 % 8 %



Assuntos

China 348 21 % 58 % 13 % 3 % 5 %

Outros 872 57 % 12 % 19 % 3 % 9 %

Total 1220 46 % 25 % 18 % 3 % 8 %



Assuntos

China 348 21 % 58 % 13 % 3 % 5 %

Outros 872 57 % 12 % 19 % 3 % 9 %

Total 1220 46 % 25 % 18 % 3 % 8 %

Universidades Instituições C&T Empresas

90 % 6 % 4 %

- Assuntos das Publicações:



Roteiro


Roteiro


- Nos novos projetos de HAP: 3 são de aviões não tripulados, 1 de dirigívele 1 de balão.

- A análise de uma amostra das publicações da China sobre HAP indicam configuração das HAP com foco em dirigíveis.

- Todos utilizam motores elétricos, tendo como fonte de energia painéissolares em conjunto com baterias avançadas (Ex. lithium sulphur) ou células a combustível regenerativas (regenerative fuel cells).

- Um dos principais desafios tecnológicos é a operação nas fases delançamento e de recuperação, aonde as condições de vento a baixa altitude são um grande risco para as HAP.

Tendências Tecnológicas

Tendências Tecnológicas


Roteiro


Roteiro


HAP - Futuro

• As vantagens das HAP, se confirmadas, indicam uma boa possibilidade deles serem adotados, principalmente, pelo mercado de telecomunicações. O setor de sensoriamento remoto também é um possível mercado.

• As atividades nos países ocidentais tiveram um pico no início da década de 2000 e depois diminuíram. Atualmente existe uma retomada nas empresas Google, Facebook , Airbus e Thales Alenia Space.

• A China apresenta indícios de aumentar sua participação na geração de tecnologias de HAP, principalmente para dirigíveis.

• O futuro das HAP depende da evolução de tecnologias concorrentes (micro-satélites) e da continuidade de alocação de recursos financeiros.

Conclusões


Plataformas de Alta AtitudeSituação Atual e Tendências Tecnológicas

Flavio Araripe d'Oliveira - Eng. Aer., M.C.DCTA/IAE

Tel: (12) [email protected]

mailto:[email protected]

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