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Câmara Multiespectral MUX para os Satélites CBERS 3, 4 e 4A
A OPTO Eletrônica SA foi convidada pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE a participar da licitação para o desenvolvimento das Câmeras MUX para os satélites CBERS 3&4 em outubro de 2004. Foi um ato de coragem e visão da Direção do INPE na ocasião, que ousou dar oportunidade a uma firma nacional para desenvolver importante artefato espacial, até então inédito em território nacional.
Até então somente firmas da Europa, EUA, China, Japão e Russia tinham esta tecnologia. E havia a influência da China, visto que o satélite CBERS era uma empreita conjunta entre os países, fruto de importante acordo de colaboração desde 1986. Havia pressão para que a câmera MUX fosse comprada de empresas chinesas. A Direção da OPTO aceitou o desafio do INPE e preparou proposta competitiva e dentro dos padrões internacionais exigidos pela licitação. Com arrojo e com o claro espírito de criar pessoal e infraestrutura nacional no setor, vislumbrando grande importância estratégica futura, cuidadosa e abrangente proposta foi submetida, respondendo à altura a importante oportunidade aberta pelo INPE.
A OPTO venceu a licitação e iniciou os trabalhos já em dezembro de 2004. O contrato previa a entrega de 3 modelos de voo, originalmente até dezembro de 2009. Foram denominados FM1, FM2 e FM3.
A especificação e escopo de entrega previa a entrega de vários modelos de desenvolvimento, além dos três modelos de voo.
Foram previstos os modelos térmicos e estruturais STM, modelo de engenharia EM, o modelo de qualificação QM, bem como toda a instrumentação de testes e “Ground Suport Equiment” GSE.
Para tanto, a OPTO contratou e treinou equipe de mais de 80 pessoas, dedicadas em tempo integral para superar todos os desafios de empreita de tal envergadura. Foram também construídos um prédio dedicado com sala limpa especialmente desenhada para a integração de sistemas optrônicos espaciais. A Sala limpa foi homologada em 2006 e até hoje que se tornou a única e até hoje a referência no Brasil. Uma série de instrumentos foram adquiridos.
O evento PDR foi realizado em novembro de 2005 sendo o projeto preliminar aprovado e logo se iniciaram as construções do modelo de teste Termo estrutural STM. Este foi submetido a uma grande bateria de testes, e muitas dificuldades, tanto técnicas como em decorrência a uma série de embargos e boicotes que já se tornavam frequentes.
O Evento CDR teve várias edições. A primeira ocorreu em abril 2007, a segunda ocorreu em Dezembro 2009, devido a uma serie de mudanças no projeto decorrentes de inúmeros boicotes e embargos, que obrigaram a um redesenho completo de alguns subsistemas. O Projeto MUX FREE surgiu nesta época, e desta necessidade de oficializar o trabalho de encontrar solução técnica que fosse independente dos embargos que ocorriam.
Em 2010 os principais entraves forem solucionados tecnicamente, ocorrendo a etapa QR em fevereiro 2011.
Os modelos FM1 destinados ao satélite CBERS 3 foram entregues ainda em 2011. A câmera MUX FM1 foi enviada para China no início de 2012.
O Modelo FM2 estava em finalização quando ocorreram falhas em um componente crítico, adquirido no exterior (Conversores DC/DC) que inexplicavelmente pararam de funcionar, não somente no projeto MUX quanto também no WFI e em outros subsistemas. Devido a sua criticalidade, após investigação o INPE decidiu realizar uma serie de ensaios e obrigando que todos ainda não integrados que fossem substituídos.
Uma série de retrabalhos e ensaios de burn-in de todas as câmaras prontas e em construção ocorreram entre 2011 até 2013.
Com o sucesso nos novos ensaios, finalmente os três modelos de voo FM1, FM2, e FM3 foram aprovados e enviados para a China.
Oficialmente o INPE emitiu o certificado de aceitação em seguida.O termo circunstanciado de finalização e aprovação do projeto foi emitido em março de 2014.
O primeiro satélite a subir com a câmera MUX FM1 foi o CBERS 3 , em dezembro de 2013 no foguete Longa Marcha, a partir da China. Infelizmente o foguete apresentou falha e o satélite CBERS 3 se chocou com o mar.
INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
O segundo satélite CBERS 4 foi lançado em dezembro de 2014, e opera desde então com sucesso, superando em muita sua vida projetada de 3 anos em orbita.
O terceiro satélite CBERS 4A foi lançado em dezembro de 2018, e opera desde então com sucesso, complementando os resultados do anterior.
AS imagens da MUX operando no CBERS 4 e CBERS 4A podem ser obtidas
sem custo no site Divisão de Geração de Imagem :: Catálogo de Imagens (inpe.br)
Desafios e conquistas, além das tecnológicas
O Projeto MUX foi desenvolvido inteiramente na OPTO Eletrônica SA em São Carlos, com apoio institucional e científico do INPE de São José dos Campos.
Desde o começo a direção da OPTO considerou a oportunidade de desenvolver a MUX ( e em seguida a WFI em consorcio com a Equatorial Sistemas) como uma grande oportunidade de consolidar uma equipe e um grupo de empresas para o importante ramo de sensoriamento remoto no Brasil.
A Direção da OPTO sempre considerou que o Brasil sendo um dos maiores usuários de imagens de satélites no mundo, não poderia depender de outros países para ter estas imagens. As ameaças ao agro negócio brasileiro, o desmatamento da Amazonia, o controle de fronteiras, são assuntos demasiadamente importantes para ficarem reféns de narrativas e argumentações falsas por parte daqueles que controlam o acesso às imagens orbitais.
Assim a Direção da OPTO e seus acionistas investiram pesado na criação de equipes e infra estrutura para que o projeto MUX e WFI tivessem sucesso, e a OPTO se tornasse um centro de excelência nacional no setor.
A direção do INPE de então , além de ter a mesma visão acima, da extrema importância de ter companhias nacionais capazes de projetar e construir artefatos espaciais essenciais ao pais, por sua vez, teve que ter muita coragem ao vencer as inúmeras e diversas críticas, partindo até mesmo de dentro do INPE, contrarias a esta iniciativa. Argumentos sobre a incapacidade brasileira no setor, do ineditismo da empreita e seus riscos, da conveniência da compra de pacotes de imagens no exterior, e da ausência de visão estratégica quanto ao futuro do pais tinham em diversos órgãos governamentais fortes e numerosos adeptos. Coube a uma equipe corajosa e arrojada, tanto da OPTO quanto do INPE a mostrar que o Brasil tinha esta capacidade, bastando acreditarem e darem oportunidade.
A câmera MUX por suas características tinha um valor estratégico muito importante. Sua resolução de 20m no solo já permite além de amplo uso ambiental, agrícola, também começa a ter varias aplicações estratégicas. Daí os inúmeros e fortes boicotes , tanto do exterior quanto no Brasil para dificultar seu desenvolvimento.
Felizmente, tanto a direção da OPTO quanto do INPE souberam enfrentar os inúmeros desafios e os resultados falam por si. Dentre as diversas conquistas tecnológicas oriundas da MUX, podem ser citadas:
- Projeto Optico: com 11 lentes, refrativo, com espelho na saída, conjunto com MTF > 0,65 , desenho atermal na faixa de operação em orbita, e imune a radiação espacial . O trabalho de desenvolvimento óptico da MUX resultou em 3 teses de doutorado e oito mestrados. Todo o acervo técnico do projeto foi repassado ao INPE.
- Foram ensaiados no IPEN da USP uma serie de vidros ópticos comerciais, e foram estudados em cada um deles os efeitos da radiação espacial. A OPTO projetou então escolheu e combinou adequadamente aqueles que permitissem toda a óptica ser resistente a radiação e garantindo o desempenho por no mínimo 3 anos em orbita. Os resultados destes ensaios hoje se encontram no INPE e servem como base para todas as futuras missões.
- Ajuste de foco: trata-se de um mecanismo de ajuste de foco qualificado para e espaço. Trata-se do primeiro mecanismo do gênero a ser desenvolvido no Brasil. Motivo de grandes e extensos boicotes, foi o primeiro mecanismo de emprego espacial qualificado para suportar as condições em orbita e não falhar. Seu desenvolvimento criou metodologia para qualificação a ser empregada em todas as missões futuras do INPE.
- Sistema de calibração radio métrica interna: Foi desenvolvido inédito sistema de emissão luminosa calibrada e imune a radiação, dentro do plano focal. Este dispositivo poderia ser acionado em órbita, de forma que a calibração radiometriadas imagens permanecessem sempre dentro das margens de erro durante todo o ciclo de vida no espaço. Este sistema exigiu o ensaio contra a radiação de uma serie de componentes eletrônicos, LEDs e sensores, filtros ópticos, para desenhar sistema que fosse imune ao envelhecimento causado pelas duras condições espaciais. Toda esta tecnologia era inédita e foi motivo de vários boicotes. O INPE hoje tem o repositório de todos os ensaios e resultados, que serão utilizados em missões brasileiras futuras.
- Controle térmico. A arquitetura térmica da MUX em muito diferia das convencionais e daquela aplicada na WFI. Como o sistema óptico era muito sofisticado, e desenhado para ser anatermal, as partes mecânicas não poderiam sofrer ou causar esforços que causassem deformações além daqueles permitidos pela óptica. Isso fez com que o sistema de controle térmico agisse em toda a estrutura mecânica da câmera, para manter o canhão óptico dentro de uma “capsula” imune a grandes variações térmicas e mecânicas. O controle térmico ativo agia em diversos pontos, e em especial no plano focal , de forma que o sensor e a óptica ficassem sempre em posições e deformações conhecidas e ajustadas. Todo um modulo, chamado RBNB foi desenhado para este fim.
- Sistema de ajuste e calibração da passagem do ar vácuo. A MUX, por especificação era mandatória ser de arquitetura refrativa, e, portanto, seu desempenho, devido o comportamento refrativo das lentes, dependia da pressão atmosférica.
Como iria operar no espaço, o seu comportamento no solo era substancialmente diferente daquele no espaço, e, portanto, todos os testes em solo deveriam prever esta variação “ar-vacuo”. Em poucas palavras a MUX tinha “hipermetropia” no solo.
Para este desafio uma serie de instrumentos deveriam ser utilizados. - Desenvolvimento da tecnologia de Câmara de termo vácuo para testes ópticos em condições de vácuo espacial. Devido a MUX este equipamento, único no Brasil, foi desenhado e construído na companhia dada sua experiência nos ramos de máquinas evaporadoras em alto vácuo. Mais de 190 ensaios em termo vácuo ópticos foram realizados validando todos os testes e a correção “ar-vácuo” funcionou conforme previsto. Todas as câmaras lançadas no espaço MUX FM2, FM3, bem como WFI FM2 e FM3 foram testadas e validadas em solo usando os equipamentos acima , e ao serem lançadas no espaço não necessitaram de nenhum ajuste em orbita. Estão hoje todos operando no espaço com sucesso a bordo do CBERS 4 e CBERS 4A.
- Colimadores para testes ópticos e caracterização de sistemas ópticos para uso espacial. A OPTO teve que desenvolver toda a tecnologia para os sistemas de testes, e em especial o Colimador principal. Este colimador permitia a caracterização com grau de precisão 10x maior que aquela nominal da MUX, e uma equipe especialmente dedicada foi engajada neste projeto. Este colimador também foi severamente boicotado, tendo que a equipe buscar soluções para fugir dos embargos em seus componentes. Felizmente todo o esforço foi coroado de êxito, e hoje este equipamento faz parte do acervo do INPE.
- Sala limpa para testes ópticos com blocos sísmicos. Uma sala limpa especialmente desenhada para caracterização de sistemas ópticos de precisão.Como a imagem da MUX formada em seu plano focal tem dimensões e precisões micrométricas, qualquer vibração poderia prejudicar o alinhamento. Foram construídas três blocos sísmicos de 8OTon cada , aonde as mesas ópticas e instrumentos foram instalados e aonde a MUX e WFI foram testadas.
- Eletrônica ITAR-FREE. Toda o projeto eletrônico MUX foi desenhado para ser imune a boicotes e embargos, que muito atrasaram o projeto em seu inicio. Isso fez com que a equipe procurasse desenhar os circuitos e soluções de forma a minimizar a suscetibilidade. Ensaios de radiação foram realizados em diversos componentes visando procurar alternativas. Um vasto acervo de soluções e alternativas foi feito, sendo que todo este repositório de soluções foi transferido ao INPE para uso em futuros projetos.
- Ao todo foram feitos mais de 60000 documentos, gerando um conjunto de Tbytes de dados. Todo este acervo técnico foi transferido ao INPE e se encontra disponível para uso dos pesquisadores e futuras missões do INPE.
Câmera MUX FM1 em março 2012, o bloco óptico MUX-RBNA
Blocos MUX-RBNB controle térmico e ajuste de foco e MUX-RBNC processamento de vídeo.
Câmera MUX para o satélite CBERS 3&4. A Opto projetou e fabricou todo o subsistema, bem como todos os equipamentos de testes.
Na foto acima o Modelo EM MUX em testes na sala limpa especialmente construída, em outubro de 2008. O colimador, caixa preta à esquerda, foi especialmente desenvolvida para estes testes e hoje se encontra nos laboratórios do INPE.
Câmera CBERS Modelo FM 1 MUX sendo enviada para a China em março/2012 para integração e lançamento no CBERS 3.
Além da câmera e equipamentos de testes, a OPTO desenvolveu também todo o container para transporte, que possuía capacidade de monitoramento remoto e bateria para registrar sinais por 6 meses.
Detalhes do projeto MUX podem ser obtidos no site INPE abaixo:
Características técnicas:
- Especificação INPE RBN-HDS-0014/02
- 4 bandas espectrais (B05 azul, B06 verde, B07 vermelho, B08 NIR)
- Sensor CCD 4 linhas, (6000 pixels 13mm)
- +/-4.4° FOV 25,7mrad IFOV. Cobertura de 120km no solo
- MTF>0.65 óptico
- Resolução no solo 20m (CBERS4) 16m ( CBERS 4A) a partir de orbita LEO
- f# 4,5 EFL 505,8mm
- ~115kg