Plataformas de Alta Atitude

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1 Plataformas de Alta Altitude - Situação Atual e Tendências Tecnológicas Plataformas de Alta Atitude Situação Atual e Tendências Tecnológicas SERFA IEAv 27 de outubro de 2016 Flavio Araripe d'oliveira - Eng. Aer., M.C. DCTA/IAE Foto: U-2 a ft

2 Plataformas de Alta Altitude - Situação Atual e Tendências Tecnológicas Tendências Tecnológicas para HAP Folha de SP - 24 ago 2015

3 Plataformas de Alta Altitude - Situação Atual e Tendências Tecnológicas "Satélites Atmosféricos" Google -Projeto Loon Google - Solara 50 Facebook -Aquila Google - Projeto Loon

4 Objetivo Objetivo Apresentar o histórico e a situação atual do desenvolvimento de plataformas de alta altitude (High-Altitude Platforms -HAP), seus desafios e tendências tecnológicas. Principal Referência: "High-Altitude Platforms - Present Situation and Technology Trends" JATM (IAE), Jul./Sep. 2016

5 Roteiro Roteiro Introdução Principais Projetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

6 Roteiro Roteiro Introdução PrincipaisProjetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

7 Introdução 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.

8 Introdução Porque a altitude de 20 km ( ft)? (Estratosfera) HAPs Jet Stream Acima das nuvens e dos voos comerciais Diminuição dos ventos

9 Introdução Vantagens em relação à redes terrestres e satélites -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)

10 Introdução Histórico -Década de 50 e 60: aviões tripulados U-2 SR : primeiro dirigível HAP (21 km) High Platform II (comp.: 25 m) Raven (EUA), com apoio da US Navy

11 Roteiro Roteiro Introdução PrincipaisProjetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

12 Principais Projetos ( ) Principais Projetos ( ) EUA: ERAST - Helios ( ) Executor: AeroVironment, NASA Helios -Altitude: 29 km (recorde, 2001) Env.: 75 m; Peso total: 1050 kg 2003: acidente em voo no Havaí. Cancelado em Gastos: US$ 50 milhões. Estimativa do total para concluir: US$ 300 milhões.

13 Principais Projetos ( ) Principais Projetos ( ) Japão: Stratospheric Platform ( ) Executor: JAXA Altitude: 20 km; Vento 30 m/s; Comp.: 245 m Peso total: 32 ton; Carga paga: 1 ton Novo Hangar e Demonstrador de Tecnologia Altitude: 4 km; Comp.: 68 m Cancelado em Recursos gastos: US 200 milhões

14 Principais Projetos ( ) Principais Projetos ( ) EUA: HALE-D ( ) Executor: Lockheed, US Army Demonstrador de Tecnologia Altitude: 18 km; Comp.: 73 m 1 o Voo: 2011 Falha a 10 km de altitude. Paralisado em Gastos US$ 36 milhões

15 Principais Projetos ( ) Principais Projetos ( ) -Dificuldades: acidentes, desenvolvimento de armazenamento de energia, diminuição do apoio governamental AeroVironment Helios: 2003 Lockheed HALE-D: 2011

16 Roteiro Roteiro Introdução PrincipaisProjetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

17 Projetos Atuais Projetos Atuais Reino Unido: Zephyr Executor: Airbus Zephyr 7; Alt.: 18 km; Recorde: 14 dias Peso total: 55 kg; Carga: 5 kg 2017: Zephyr S (Single Tail); Carga: 5 kg 2018: Zephyr T (Twin Tail); Carga: 20 kg Diversos voos realizados com sucesso desde Encomenda do UK MoD: 2 Zephyr S, US$ 18 milhões.

18 Projetos Atuais Projetos Atuais EUA: Google Loon Executor: Google Constelação de Balões; Altitude: 20 km 100 dias; Diam.: 15 m 2016: Guincho de lançamento. Porto Rico Diversos ensaios realizados com sucesso: Nova Zelândia, Austrália, Brasil

19 Projetos Atuais Projetos Atuais EUA: Solara 50 Executor: Google Solara 50 Env.: 50 m; Carga: 32 kg Rede de Comunicação com Laser 2015: Acidente no 1 o voo (rajadas a baixa altitude). Google vai continuar o desenvolvimento.

20 Projetos Atuais Projetos Atuais EUA: Aquila Executor: Facebook Aquila Env.: 42 m; Peso total: 400 kg Estrutura de apoio para decolagem, rebocada por um veículo. Jun 2016: 1 o voo do protótipo em escala real, com sucesso.

21 Projetos Atuais Projetos Atuais França: Stratobus Executor: Thales Alenia Space Stratobus. Comp.: 100 m Peso total: 5000 kg; Carga: 250 kg Espelhos refletores internos para concentrar energia solar. Previsão de 1 o voo em Recebeu investimento do governo francês: US$ 19 milhões.

22 Roteiro Roteiro Introdução PrincipaisProjetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

23 Desafios Tecnológicos Desafios Tecnológicos -Estruturas Leves -Geração e Armazenamento de Energia -Gerenciamento Térmico -Operações em Baixa Altitude -Confiabilidade

24 Desafios Tecnológicos 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

25 Desafios Tecnológicos -Estruturas Leves Desafios Tecnológicos. Estruturas em material composto para aviões HAP Helios (AeroVironment, EUA) Zephir (Airbus, R.U.)

26 Desafios Tecnológicos Desafios Tecnológicos -Geração e Armazenamento de Energia. Grande autonomia (meses): células solares, motores elétricos. Período noturno: baterias recarregáveis ou células a combustível regenerativas (RFC) Regenerative Fuel Cell (RFC) RFC do Helios (mock-up)

27 Desafios Tecnológicos Desafios Tecnológicos -Gerenciamento Térmico. Superheating e Supercooling nos Dirigíveis HAP. Aquecimento das células solares: Utilização de materiais isolantes Balanço Térmico em um Dirigível Análise Témica

28 Desafios Tecnológicos Desafios Tecnológicos -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)

29 Roteiro Roteiro Introdução PrincipaisProjetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

30 Análise Bibliométrica Análise Bibliométrica Total de Publicações no Mundo, 1990 a 2015: 1220 (Base Scopus) China -348 EUA -242 Itália -117 R.U Japão Publicações - Distribuição por Ano e por Países (5 países com maior número de publicações = 75% do total)

31 Análise Bibliométrica Publicações -Análise por Instituição e Assunto -Instituições (total de instituições 270 = 100%): Universidades Instituições C&T Empresas 90 % 6 % 4 % -Assuntos das Publicações: País Publicações Telecomu- Outros Dirigíveis Aviões Balões nicações Assuntos China % 58 % 13 % 3 % 5 % Outros % 12 % 19 % 3 % 9 % Total % 25 % 18 % 3 % 8 %

32 Roteiro Roteiro Introdução PrincipaisProjetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

33 Tendências Tecnológicas Tendências Tecnológicas -Nos novos projetos de HAP: 3 são de aviões não tripulados, 1 de dirigível e 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 painéis solares 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 de lançamento e de recuperação, aonde as condições de vento a baixa altitude são um grande risco para as HAP.

34 Roteiro Roteiro Introdução PrincipaisProjetos ( ) Projetos Atuais Desafios Tecnológicos Análise Bibliométrica Tendências Tecnológicas Conclusões

35 Conclusões 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.

36 Plataformas de Alta Altitude - Situação Atual e Tendências Tecnológicas Plataformas de Alta Atitude Situação Atual e Tendências Tecnológicas Flavio Araripe d'oliveira - Eng. Aer., M.C. DCTA/IAE Tel: (12) flavioararipefad@iae.cta.br