Uma espaçonave robótica é uma espaçonave não tripulada, geralmente sob controle telerobótico. Uma espaçonave robótica projetada para fazer medições de pesquisas científicas é freqüentemente chamada de sonda espacial. Muitas missões espaciais são mais adequadas para a operação telerobótica do que para a operação tripulada, devido ao menor custo e aos menores fatores de risco. Além disso, alguns destinos planetários como Vênus ou a vizinhança de Júpiter são muito hostis para a sobrevivência humana, dada a tecnologia atual. Planetas externos como Saturno, Urano e Netuno estão muito distantes para alcançar a atual tecnologia de voo espacial tripulado, então as sondas telerobóticas são a única maneira de explorá-las.

Muitos satélites artificiais são naves robóticas, assim como muitos landers e rovers.

História
A primeira nave espacial robótica foi lançada pela União Soviética (URSS) em 22 de julho de 1951, um voo suborbital carregando dois cães, Dezik e Tsygan. Outros quatro desses vôos foram feitos até o outono de 1951.

O primeiro satélite artificial, o Sputnik 1, foi colocado em uma órbita terrestre de 215 por 939 quilômetros (116 por 507 nmi) pela URSS) em 4 de outubro de 1957. Em 3 de novembro de 1957, a URSS orbita o Sputnik 2. Pesando 113 quilos (249 lb), o Sputnik 2 levou o primeiro animal vivo para a órbita, o cachorro Laika. Como o satélite não foi projetado para se soltar do estágio superior do veículo de lançamento, a massa total em órbita era de 508,3 kg (1.121 lb).

Em uma disputa acirrada com os soviéticos, os Estados Unidos lançaram seu primeiro satélite artificial, o Explorer 1, em uma órbita de 193 por 1.373 milhas náuticas (357 por 2.543 km) em 31 de janeiro de 1958. O Explorer I tinha 80,75 polegadas (205,1 cm) de comprimento por cilindro de 6,00 polegadas (15,2 cm) de diâmetro pesando 30,8 libras (14,0 kg), em comparação com o Sputnik 1, uma esfera de 58 centímetros (23 pol) que pesava 83,6 kg (184 libras). O Explorer 1 carregava sensores que confirmavam a existência dos cinturões de Van Allen, uma importante descoberta científica na época, enquanto o Sputnik 1 não tinha sensores científicos. Em 17 de março de 1958, os EUA orbitavam seu segundo satélite, o Vanguard 1, que tinha aproximadamente o tamanho de uma toranja, e permanece em uma órbita de 360 ​​por 280 milhas náuticas (670 por 3.850 km) a partir de 2016.

Nove outros países lançaram satélites com sucesso usando seus próprios veículos de lançamento: França (1965), Japão e China (1970), Reino Unido (1971), Índia (1980), Israel (1988), Irã (2009), Coréia do Norte ( 2012) e Nova Zelândia (2018).

desenhar
No projeto de espaçonaves, a Força Aérea dos Estados Unidos considera um veículo como sendo a carga útil da missão e o ônibus (ou plataforma). O barramento fornece estrutura física, controle térmico, energia elétrica, controle de atitude e telemetria, rastreamento e comando.

JPL divide o “sistema de vôo” de uma nave espacial em subsistemas. Esses incluem:

Estrutura
Essa é a estrutura do backbone físico. Isto:

fornece integridade mecânica geral da nave espacial
garante que os componentes da espaçonave sejam suportados e possam suportar cargas de lançamento

Manipulação de dados
Às vezes, isso é chamado de subsistema de comando e dados. Muitas vezes é responsável por:

armazenamento de seqüência de comando
mantendo o relógio da nave espacial
coletar e relatar dados de telemetria de naves espaciais (por exemplo, veículos espaciais)
coletar e relatar dados da missão (por exemplo, imagens fotográficas)

Determinação e controle da atitude
Este sistema é o principal responsável pela correta orientação da espaçonave no espaço (atitude), apesar dos efeitos do gradiente de perturbação-gravidade externa, torques do campo magnético, radiação solar e arrasto aerodinâmico; além disso, pode ser necessário reposicionar partes móveis, como antenas e matrizes solares.

Pousar em terrenos perigosos
Em missões de exploração planetária envolvendo espaçonaves robóticas, há três partes fundamentais nos processos de aterrissagem na superfície do planeta para garantir um pouso seguro e bem-sucedido. Este processo inclui uma entrada no campo e atmosfera da gravidade planetária, uma descida através daquela atmosfera em direção a uma região alvo / alvo de valor científico, e uma aterrissagem segura que garante a integridade da instrumentação na embarcação é preservada. Embora a espaçonave robótica esteja passando por essas partes, ela também deve ser capaz de estimar sua posição em comparação com a superfície, a fim de garantir um controle confiável de si mesmo e de sua capacidade de manobrar bem. A espaçonave robótica também deve realizar eficientemente avaliações de perigos e ajustes de trajetória em tempo real para evitar perigos. Para conseguir isso, a espaçonave robótica requer conhecimento preciso de onde a espaçonave está localizada em relação à superfície (localização), o que pode representar como perigos do terreno (avaliação de perigo) e onde a espaçonave deve ser dirigida (evitar perigos). Sem a capacidade de operações de localização, avaliação de perigos e evitação, a espaçonave robótica se torna insegura e pode facilmente entrar em situações perigosas, como colisões de superfície, níveis indesejáveis ​​de consumo de combustível e / ou manobras inseguras.

Entrada, descida e pouso
A detecção integrada incorpora um algoritmo de transformação de imagem para interpretar os dados imediatos da terra, realizar uma detecção em tempo real e evitar os riscos do terreno que possam impedir a aterrissagem segura e aumentar a precisão da aterrissagem em um local de interesse desejado usando técnicas de localização de referência. A detecção integrada completa essas tarefas, contando com informações e câmeras pré-gravadas para entender sua localização e determinar sua posição e se está correta ou precisa fazer correções (localização). As câmeras também são usadas para detectar possíveis riscos, seja o aumento do consumo de combustível ou um risco físico, como um ponto de pouso ruim em uma cratera ou lado do penhasco que tornaria o pouso não ideal (avaliação de risco).

Telecomunicações
Os componentes no subsistema de telecomunicações incluem antenas de rádio, transmissores e receptores. Estes podem ser usados ​​para comunicar com estações terrestres na Terra ou com outras naves espaciais.

Energia elétrica
O fornecimento de energia elétrica em espaçonaves geralmente vem de células fotovoltaicas (solares) ou de um gerador termoelétrico de radioisótopo. Outros componentes do subsistema incluem baterias para armazenar circuitos de energia e distribuição que conectam componentes às fontes de energia.

Controle de temperatura e proteção do meio ambiente
As naves espaciais são frequentemente protegidas de flutuações de temperatura com isolamento. Algumas espaçonaves usam espelhos e guarda-sóis para proteção adicional contra o aquecimento solar. Eles também frequentemente precisam de proteção contra micrometeoritos e detritos orbitais.

Propulsão
A propulsão de naves espaciais é um método que permite que uma espaçonave viaje através do espaço, gerando impulso para empurrá-la para frente. No entanto, não há um sistema de propulsão universalmente usado: monopropulsor, bipropelente, propulsão iônica e etc. Cada sistema de propulsão gera impulso de maneiras ligeiramente diferentes, cada sistema tendo suas próprias vantagens e desvantagens. Mas, a maior parte da propulsão da espaçonave hoje é baseada em motores de foguete. A idéia geral por trás dos motores de foguete é que quando um oxidante encontra a fonte de combustível, há liberação explosiva de energia e calor em altas velocidades, o que impulsiona a espaçonave para frente. Isso acontece devido a um princípio básico conhecido como Terceira Lei de Newton. De acordo com Newton, “para cada ação há uma reação igual e oposta”. À medida que a energia e o calor são liberados das costas da espaçonave, partículas de gás estão sendo empurradas para permitir que a espaçonave se impulsione para frente. A principal razão por trás do uso do motor de foguete hoje é porque os foguetes são a forma mais poderosa de propulsão existente.

Monopropelente
Para um sistema de propulsão funcionar, geralmente há sempre uma linha de oxidante e uma linha de combustível. Desta forma, a propulsão da espaçonave é controlada. Mas em uma propulsão monopropelente, não há necessidade de uma linha de oxidante e requer apenas a linha de combustível. Isso funciona porque o oxidante está quimicamente ligado à própria molécula de combustível. Mas, para o sistema de propulsão ser controlado, a combustão do combustível só pode ocorrer devido à presença de um catalisador. Isto é bastante vantajoso devido a tornar o motor de foguete mais leve e mais barato, fácil de controlar e mais confiável. Mas a queda é que o produto químico é muito perigoso de fabricar, armazenar e transportar.

Bipropelente
Um sistema de propulsão bipropelente é um motor de foguete que usa um propulsor líquido. Isso significa que tanto o oxidante quanto a linha de combustível estão em estado líquido. Este sistema é único porque não requer nenhum sistema de ignição, os dois líquidos entrariam em combustão espontânea assim que entrassem em contato um com o outro e produzissem a propulsão para empurrar o navio para a frente. O principal benefício de ter essa tecnologia é que esses tipos de líquidos têm densidade relativamente alta, o que permite que o volume do tanque propulsor seja pequeno, aumentando assim a eficácia do espaço. A desvantagem é a mesma do sistema de propulsão monopropelente: muito perigoso de fabricar, armazenar e transportar.

Íon
Um sistema de propulsão iônica é um tipo de motor que gera impulsos por meio do bombardeio de elétrons ou da aceleração de íons. Ao disparar elétrons de alta energia para um átomo propulsor (carga neutra), ele remove os elétrons do átomo propulsor e isso faz com que o átomo propelente se torne um átomo carregado positivamente. Os íons carregados positivamente são guiados para passar por grades carregadas positivamente que contêm milhares de orifícios alinhados precisos que estão operando em altas tensões. Então, os íons positivamente carregados alinhados aceleram através de uma grade de acelerador carregada negativa que aumenta ainda mais a velocidade dos íons até 90.000 mph. O momento desses íons carregados positivamente fornece o impulso para impulsionar a espaçonave para frente. A vantagem de ter esse tipo de propulsão é que é incrivelmente eficiente em manter a velocidade constante, que é necessária para viagens no espaço profundo. Entretanto, a quantidade de empuxo produzida é extremamente baixa e precisa de muita energia elétrica para operar.

Dispositivos mecânicos
Componentes mecânicos geralmente precisam ser movidos para implantação após o lançamento ou antes do pouso. Além do uso de motores, muitos movimentos únicos são controlados por dispositivos pirotécnicos.

Espaçonave robótica vs. não tripulada
Espaçonaves robóticas são sistemas especificamente projetados para um ambiente hostil específico. Devido à sua especificação para um determinado ambiente, isso varia muito em complexidade e capacidade. Enquanto uma espaçonave não tripulada é uma espaçonave sem pessoal ou tripulação e é operada por automático (prossegue com uma ação sem intervenção humana) ou controle remoto (com intervenção humana). O termo “espaçonave não-tripulada” não implica que a espaçonave seja robótica.

Ao controle
As naves espaciais robóticas utilizam telemetria para transmitir de volta à Terra dados de aquisição e informações sobre o estado do veículo. Embora geralmente referida como “remotamente controlada” ou “telerobótica”, as primeiras espaçonaves orbitais – como o Sputnik 1 e o Explorer 1 – não receberam sinais de controle da Terra. Logo após essas primeiras espaçonaves, sistemas de comando foram desenvolvidos para permitir o controle remoto do solo. O aumento da autonomia é importante para sondas distantes, onde o tempo de viagem da luz impede a rápida decisão e controle da Terra. Novas sondas, como a Cassini-Huygens e os Mars Exploration Rovers, são altamente autônomas e usam computadores de bordo para operar independentemente por longos períodos de tempo.

Sondas espaciais
Uma sonda espacial é uma espaçonave robótica que não orbita a Terra, mas sim explora mais no espaço sideral. Uma sonda espacial pode se aproximar da Lua; viajar pelo espaço interplanetário; voar, orbitar ou pousar em outros corpos planetários; ou entre no espaço interestelar.

Dragão do SpaceX
Um exemplo de uma espaçonave totalmente robótica no mundo moderno seria o Dragon da SpaceX. O SpaceX Dragon é uma espaçonave robótica projetada para enviar não apenas cargas para a órbita da Terra, mas também humanos. A altura total do SpaceX Dragon é de 7,2 m (23,6 pés) com um diâmetro de 3,7 m (12 pés). A massa total de carga útil de lançamento é de 6.000 kg (13.228 lbs) e uma massa de retorno total de 3.000 kg (6.614 lbs), juntamente com um volume total de lançamento de 25m ^ 3 (883 ft ^ 3) e um volume de retorno útil total de 11m ^ 3 (388 ft ^ 3). A duração total do Dragão na órbita da Terra é de dois anos.

Em 2012, a SpaceX Dragon fez história tornando-se a primeira nave espacial robótica comercial a entregar carga à Estação Espacial Internacional e a devolver a carga com segurança à Terra na mesma viagem. Esse feito que o Dragão fez só foi alcançado anteriormente pelos governos. Atualmente, o Dragon destina-se a transferir cargas devido à sua capacidade de devolver quantidades significativas de carga à Terra, apesar de ter sido originalmente projetada para transportar seres humanos.

Uma sonda espacial é uma missão científica de exploração espacial na qual uma espaçonave deixa a Terra e explora o espaço. Ele pode se aproximar da Lua, entrar em órbita interplanetária, voar ou orbitar outros corpos, ou se aproximar do espaço interestelar.

Veículos de serviço de veículos espaciais robóticos
MDA Space Infrastructure Veículo de serviço – um depósito de reabastecimento no espaço e espaçonave de serviço para satélites de comunicação em órbita geossíncrona. Lançamento planejado para 2015. [precisa de atualização]
O Mission Extension Vehicle é uma abordagem alternativa que não utiliza a transferência de combustível RCS no espaço. Em vez disso, ele se conectaria ao satélite alvo da mesma maneira que o MDA SIS e, em seguida, usaria “seus próprios propulsores para fornecer controle de atitude para o alvo”.