Mensuração de Nível de Maturidade Tecnológica

Transcrição

ESCOLA DE COMANDO E ESTADO-MAIOR DA AERONÁUTICA
DIVISÃO DE ENSINO
SENSORES INERCIAIS FOTÔNICOS PARA APLICAÇÕES
AEROESPACIAIS: NÍVEL DE MATURIDADE TECNOLÓGICA
Título do Trabalho
1202RP01
Código do Trabalho
CCEM 2008
Curso e Ano
MONOGRAFIA
SENSORES INERCIAIS FOTÔNICOS PARA APLICAÇÕES
AEROESPACIAIS: NÍVEL DE MATURIDADE TECNOLÓGICA
Título do Trabalho
VILSON ROSA DE ALMEIDA Ten Cel Av
NOME
05 set. 2008
DATA
FRANCISCO CARLOS MELO PANTOJA Cel Eng
ORIENTADOR
CCEM 2008
CURSO
Este documento é resultado do trabalho de oficial-aluno do CCEM da
ECEMAR. Seu conteúdo, quando não for citada a fonte da matéria, reflete a
opinião do autor, não representando, necessariamente, o pensamento da
ECEMAR ou da Aeronáutica.
RESUMO
A mensuração do nível de maturidade tecnológica é uma importante ferramenta
métrica para o gerenciamento de risco tecnológico das atividades e projetos voltados
para aplicações aeroespaciais de interesse do Comando da Aeronáutica (COMAER).
Este trabalho monográfico objetiva realizar a mensuração do nível de maturidade
tecnológica de sensores inerciais fotônicos nacionais, como acelerômetros e
girômetros, por meio do uso de metodologia de pesquisa do tipo exploratória, bem
como de levantamento de dados com enfoque documental e bibliográfico de caráter
ostensivo. Descrevem-se, inicialmente, os diversos aspectos históricos e
tecnológicos relacionados com os sensores inerciais, com ênfase na vertente
fotônica, cujas características gerais são analisadas. Identificam-se as atividades de
pesquisa e desenvolvimento de sensores inerciais fotônicos existentes no país, que
contribuem para o domínio científico e tecnológico nacional de interesse para as
aplicações aeroespaciais no âmbito do COMAER. No contexto dos sensores
inerciais fotônicos nacionais, observa-se que os acelerômetros abordam a linha
tecnológica optomecânica utilizando grades de Bragg em fibras ópticas, enquanto
que os girômetros, tanto de aplicação tática como estratégica, abordam a vertente
tecnológica de Giroscópios a Fibra Óptica (GFO). Investigam-se metodologias,
processos e ferramentas de mensuração do nível de maturidade tecnológica
aplicáveis à tecnologia de sensores inerciais fotônicos; observa-se que o referencial
teórico encontra-se predominantemente disperso, em virtude de o conceito de
mensuração do nível de maturidade tecnológica ser de concepção relativamente
recente, com teorias de base em fase embrionária. Adota-se o Technology
Reasiness Level (TRL), denominado de Indicador TRL e criado pela National
Aeronautics and Space Administration (NASA) em 1995, como metodologia de
mensuração do nível de maturidade tecnológica. A adoção crescente do Indicador
TRL por instituições nacionais e internacionais, pertencentes predominantemente à
área de Defesa e ao setor aeroespacial, ratifica a relevância desse indicador em
áreas de interesse do COMAER. Em seguida, apresenta-se o software TRL
Calculator como ferramenta computacional de orientação e facilitação do processo
de mensuração do nível de maturidade tecnológica. Realiza-se, então, a
mensuração dos níveis do Indicador TRL associados a sensores inerciais fotônicos
nacionais, e observa-se que os acelerômetros fotônicos encontram-se no nível de
maturidade tecnológica TRL-4, enquanto que os girômetros fotônicos, de aplicação
tática e estratégica, encontram-se, respectivamente, nos níveis de maturidade
tecnológica TRL-6 e TRL-7. Conclui-se, então, que os estudos apresentados e os
resultados obtidos permitem compreender e mensurar o nível de maturidade
tecnológica de sensores inerciais fotônicos; vislumbra-se que este trabalho
monográfico sirva de referência para balizar futuros trabalhos científicos similares.
Palavras-chave: Sensores inerciais. Girômetros. Acelerômetros. Maturidade
tecnológica.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AFRL
Air Force Research Laboratory dos Estados Unidos da América
CNES
Centre National d’Etudes Spatiales
COMAER Comando da Aeronáutica
CTA
Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial
DoD
Department of Defense dos Estados Unidos da América
DOE
Department of Energy dos Estados Unidos da América
DT&E
Developmental Test and Evaluation
DTG
Dynamically Tuned Gyroscope ou Dry Tuned Gyroscope
EFO
Divisão de Fotônica do IEAv
ESA
European Space Agency
EUA
Estados Unidos da América
FAA
Federal Aviation Administration dos Estados Unidos da América
FAB
Força Aérea Brasileira
FINEP
Financiadora de Estudos e Projetos
FOG
Fiber Optic Gyroscope
GAO
Government Accountability Office dos Estados Unidos da América
(definido previamente, até 2004, como General Accounting Office)
GFO
Giroscópio a Fibra Óptica
GIROMAR Projeto “Bloco Girométrico Miniaturizado a Fibra Óptica para Utilização
no Míssil MAR-1”
GNSS
Global Navigation Satellite System
GPS
Global Positioning System
IAE
Instituto de Aeronáutica e Espaço do CTA
IEAv
Instituto de Estudos Avançados do CTA
IFOG
Interferometric Fiber Optic Gyroscope (Giroscópio Interferométrico a
Fibra Óptica)
IMU
Inertial Measurement Unit
INPE
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
IPT
Integrated Product Team
IRL
Integration Readiness Levels
M&S
Modeling and Simulation
MCT
Ministério da Ciência e Tecnologia
MDA
Missile Defense Agency dos Estados Unidos da América
MRL
Manufacturing Readiness Level
MTCR
Missile Technology Control Regime
NASA
National Aeronautics and Space Administration dos Estados Unidos da
América
NATO
North Atlantic Treaty Organisation
OT&E
Operational Test and Evaluation
OTAN
Organização do Tratado do Atlântico Norte
P&D
Pesquisa e Desenvolvimento
PRL
Programmatic Readiness Levels
RLG
Ring Laser Gyro
SIA
Projeto “Sistemas Inerciais para Aplicação Aeroespacial”
SoS
System of Systems
SRL
System Readiness Levels
TMC
Technology Maturity Conference
TPMM
Technology Program Management Model
TRA
Technology Readiness Assessment
TRL
Technology Readiness Level
UK MoD
United Kingdom Ministry of Defense
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Maturidade das diversas tecnologias de sensores inerciais. ......................22
Figura 2: Futuras aplicações para as diversas tecnologias de sensores inerciais.....23
Figura 3: Tecnologias e aplicações atuais de acelerômetros, em função dos
parâmetros de precisão................................................................................25
Figura 4: Tecnologias de acelerômetros no curto prazo, em função dos parâmetros
de precisão. ..................................................................................................25
Figura 5: Tecnologias de acelerômetros no longo prazo, em função dos parâmetros
de precisão. ..................................................................................................26
Figura 6: Vista esquemática de um acelerômetro fotônico triaxial baseado em grades
de Bragg em fibra óptica. .............................................................................29
Figura 7: Vista esquemática de um acelerômetro fotônico de seis graus de liberdade,
baseado em grades de Bragg em fibra óptica. ............................................30
Figura 8: Tecnologias e aplicações atuais de girômetros, em função dos parâmetros
de precisão. ..................................................................................................32
Figura 9: Tecnologias de girômetros no curto prazo, em função dos parâmetros de
precisão. .......................................................................................................32
Figura 10: Tecnologias de girômetros no longo prazo, em função dos parâmetros de
precisão. ....................................................................................................33
Figura 11: Diagrama esquemático da estrutura de um GFO do tipo recíproco. ........35
Figura 12: Imagem ilustrativa do SDV e de seus elementos constituintes, incluindo
um GFO. ....................................................................................................37
Figura 13: Imagem do bloco girométrico miniaturizado referente ao projeto
GIROMAR, durante a realização de ensaios de vibração em laboratório
do IAE. .......................................................................................................39
Figura 14: Ilustração esquemática sucinta dos níveis de maturidade tecnológica do
Indicador TRL. ...........................................................................................45
Figura 15: Apresentação esquemática genérica de uma carta de ciclo de vida
tecnológico do tipo Whale Chart, mapeada ao Indicador TRL e aos
marcos de estágio tecnológico do DoD e da NASA..................................46
Figura 16: Ilustração esquemática, genérica e truncada, do software TRL Calculator,
mostrando os itens descritivos associados apenas até o nível de
maturidade TRL-1......................................................................................50
Figura 17: Ilustração esquemática do resumo condensado do TRL Calculator para a
estimativa do nível de maturidade tecnológica dos acelerômetros
fotônicos nacionais. ...................................................................................55
estimativa do nível de maturidade tecnológica dos girômetros fotônicos
nacionais de aplicação tática. ...................................................................57
estimativa do nível de maturidade tecnológica dos girômetros fotônicos
nacionais de aplicação estratégica. ..........................................................58
Figura 20: Histograma das estimativas de nível de maturidade tecnológica de
sensores inerciais fotônicos nacionais, obtidas por meio do uso do TRL
Calculator...................................................................................................59
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ......................................................................................................8
2
METODOLOGIA .................................................................................................13
3
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .........................................................................15
3.1 PANORAMA HISTÓRICO E TECNOLÓGICO ...................................................15
3.2 SENSORES INERCIAIS .....................................................................................20
3.3 NÍVEL DE MATURIDADE TECNOLÓGICA .......................................................40
4
NÍVEL DE MATURIDADE TECNOLÓGICA DE SENSORES INERCIAIS
FOTÔNICOS NACIONAIS..................................................................................53
4.1 ACELERÔMETROS FOTÔNICOS .....................................................................55
4.2 GIRÔMETROS FOTÔNICOS .............................................................................55
5
CONCLUSÃO .....................................................................................................60
REFERÊNCIAS ..................................................................................................63
GLOSSÁRIO.......................................................................................................69
APÊNDICE A – Estimativa do Nível de Maturidade Tecnológica de
acelerômetros fotônicos nacionais usando o TRL Calculator ....................70
APÊNDICE B – Estimativa do Nível de Maturidade Tecnológica de
girômetros fotônicos nacionais de aplicação tática usando o TRL
Calculator...........................................................................................................74
APÊNDICE C – Estimativa do Nível de Maturidade Tecnológica de
girômetros fotônicos nacionais de aplicação estratégica usando o TRL
Calculator...........................................................................................................77
ANEXO A – Indicador TRL definido pela NASA.............................................80
ANEXO B – Indicador TRL definido pelo DoD para Hardware .....................83
ANEXO C – Indicador TRL definido pelo DoD para Software ......................84
ANEXO D – Comparação entre as definições do Indicador TRL e os termos
em uso pela ESA e CNES .................................................................................85
8
1 INTRODUÇÃO
A Navegação Inercial pode ser definida como o processo autônomo (ou
seja, independente de informações externas) de direcionamento e controle dos
movimentos de um corpo móvel (veículo ou sistema) para guiá-lo através de um
caminho desejado; esse processo depende da obtenção de informações da posição
inicial, velocidade, direção e/ou atitude (posição relativa dos eixos do corpo em
relação a um sistema de referência) desse corpo móvel com relação a um
referencial inercial. Tais informações são obtidas, direta ou indiretamente, por
intermédio de sensores inerciais (LAWRENCE, 1998, p. 4-11; MALYSHEV et al.,
1996; TITTERTON; WESTON, 2005). Analogamente, a Estabilização Inercial pode
ser definida como o processo autônomo de direcionamento e controle de um corpo,
visando manter sua atitude e/ou posição em relação a um referencial inercial.
Os Sistemas de Navegação/Estabilização Inercial – também conhecidos
sob a denominação genérica de Sistemas Inerciais – são capazes de prover
informações de atitude e/ou posição de veículos em geral, bem como de sistemas
de aplicação na área de Defesa ou de uso em ambientes aeroespaciais, como
foguetes e satélites; essas informações devem ser independentes de quaisquer
sinais externos e, ainda, suficientemente confiáveis e precisas, mesmo quando
esses veículos/sistemas se encontram atuando sob condições operacionais e/ou
ambientais adversas. Dessa forma, os Sistemas Inerciais fornecem os dados
demandados pelos sistemas de controle e de atuação desses veículos/sistemas,
viabilizando a almejada navegação autônoma ou a manutenção de posicionamento
e/ou atitude. Os dispositivos essenciais de um Sistema Inercial são os sensores
inerciais denominados girômetros e acelerômetros, que provêem as informações
fundamentais de rotação e aceleração, respectivamente.
Cabe destacar que o Comando da Aeronáutica (COMAER) considera que
a área de Fotônica,1 como um todo, é de alta prioridade tanto para empreendimentos
de pesquisa como de desenvolvimento; o mesmo ocorre para a área de Navegação
Automática de Precisão, a qual abarca os sensores inerciais, de um modo geral,
1
A Fotônica é o ramo da ciência que estuda os fótons (unidades elementares da radiação
eletromagnética na faixa espectral visível ao olho humano, e nas faixas espectrais adjacentes).
9
incluindo os de tecnologia fotônica (BRASIL, 2007a, p. 28-30). Este trabalho
científico visa prover uma estimativa do nível de maturidade tecnológica em que se
encontram os sensores inerciais fotônicos nacionais, bem como proporcionar uma
visão geral da ciência e da tecnologia dos sensores inerciais, analisando a
aplicabilidade e relevância desses em áreas de potencial interesse do COMAER. Em
virtude da exigüidade de tempo disponível para a execução deste trabalho
monográfico, apenas a vertente de sensores inerciais baseados na tecnologia
fotônica será investigada com maior profundidade neste trabalho.
Sob uma visão bastante ampla, verifica-se que a relevância estratégica
que respalda o âmago do estudo realizado neste trabalho monográfico encontra-se
pautada no papel da ciência e tecnologia na defesa da soberania nacional, sob seus
aspectos filosófico e político-científico; esses aspectos relacionam-se com as teorias
da política internacional, notadamente no que diz respeito à ciência política de matriz
anglo-saxônica referente à teoria relacional de poder, que tem Robert Dahl como
seu principal expoente, seguindo a interpretação dada por Luiz Fernandes (PINTO;
ROCHA; SILVA, 2004, p. 234).2 Não obstante, cabe ressaltar o pensamento de
Roberto Amaral,3 com relação ao papel da ciência e tecnologia na defesa da
soberania nacional, o qual defende a tese de que “[...] ciência e tecnologia
desenvolvem-se em casa” (PINTO; ROCHA; SILVA, 2004, p. 175). No contexto geral
de Defesa, cabe lembrar que a expressão Científico-Tecnológica corresponde a uma
das cinco expressões do Poder Nacional brasileiro (BRASIL, 2007d), conceito esse
que, conjuntamente com a expressão Militar, é profusamente ecoado no âmbito do
COMAER (BRASIL, 2005a, p.12; BRASIL, 2007a, p. 16).
Dessa forma, a busca contínua pela soberania tecnológica nacional torna
indubitável a relevância estratégica do conhecimento do nível de maturidade em que
se encontra o domínio da tecnologia de sensores inerciais fotônicos; para tal, faz-se
necessário obter a essência do conhecimento tanto dos princípios básicos de
operação dos sensores inerciais fotônicos, como da metodologia científica de
mensuração do nível de maturidade tecnológica. Em virtude da metodologia de
pesquisa do tipo exploratória adotada neste trabalho monográfico, que enfoca o
2
Luis Manuel Rebelo Fernandes, cientista político, professor da UFF e da PUC-Rio, Presidente da
FINEP e ex-Secretário-Executivo do Ministério da Ciência e Tecnologia.
3
Roberto Átila Amaral Vieira, cientista político, professor da PUC-Rio e ex-Ministro de Estado da
Ciência e Tecnologia.
10
conceito relativamente recente de mensuração do nível de maturidade tecnológica,
cujas teorias ainda se encontram em fase embrionária, observou-se que o
referencial teórico encontra-se difuso, predominantemente disperso em diversos
documentos emanados por instituições governamentais de alguns países. Dessa
forma, consideram-se as teorias associadas ao uso da estimação de maturidade
tecnológica como uma ferramenta metodológica de referência métrica para o
gerenciamento
de
riscos
tecnológicos,
como
sendo
aquelas
que
mais
adequadamente abarcam o escopo teórico deste trabalho (ECSS, 2000; ESTADOS
UNIDOS DA AMÉRICA, 2003, 2005, 2006b; LARGENT, 2003; MOON; SMITH;
COOK, 2005; NOLTE; ANDERSON; McCARTY, 2005), pois englobam o campo
conceitual das metodologias e processos usados para mensurar o nível de
maturidade tecnológica.
Por conseguinte, o problema de pesquisa vislumbrado para este trabalho
monográfico traduz-se em responder à seguinte pergunta: qual o nível de
maturidade tecnológica em que se encontram os sensores inerciais fotônicos
nacionais demandados pelas aplicações aeroespaciais de interesse do COMAER?
O objetivo geral deste trabalho consiste, portanto, em mensurar o nível de
maturidade tecnológica em que se encontram os sensores inerciais fotônicos
nacionais, demandados por Sistemas Inerciais usados em aplicações aeroespaciais
de interesse do COMAER, priorizando o estudo e a análise do processo e das
ferramentas de mensuração do nível de maturidade tecnológica, bem como o
levantamento de dados que possam retratar o nível de domínio científico e
tecnológico nacional desses sensores.
Para que o supracitado objetivo possa ser atingido, definiram-se os
seguintes objetivos específicos deste trabalho, listados a seguir:
a) investigar as características gerais de sensores inerciais usados em
Sistemas Inerciais para aplicações aeroespaciais, de diversas
vertentes tecnológicas, com aprofundamento focal naqueles baseados
em tecnologia fotônica;
b) averiguar as informações pertinentes que sirvam de subsídio para
identificar o atual nível de maturidade do domínio científico e
tecnológico nacional de sensores inerciais fotônicos usados em
aplicações aeroespaciais no âmbito do COMAER;
11
c) identificar e estudar modelos, processos e ferramentas de mensuração
do nível de maturidade tecnológica aplicáveis à tecnologia de
sensores inerciais fotônicos; e
d) mensurar o nível de maturidade tecnológica em que se encontram os
sensores inerciais fotônicos nacionais de interesse para as aplicações
aeroespaciais no âmbito do COMAER.
No âmbito da Universidade da Força Aérea (UNIFA), observa-se que, no
período de 1996 a 2007, foram realizados apenas alguns poucos trabalhos
monográficos que se encontram proximamente relacionados com o tema deste
trabalho monográfico. Esses trabalhos prévios abordaram brevemente algum sensor
inercial específico ou a relevância estratégica de Sistemas Inerciais em aplicações
aeroespaciais de interesse do COMAER (MIRANDA, C. T., 1996; MOURA, C. A. T.,
2001; RABELO, R. C., 2003). No entanto, nenhum desses trabalhos buscou
mensurar o nível de maturidade tecnológica associado a sensores inerciais
específicos, nem tampouco isso foi feito para os Sistemas Inerciais como um todo.
Cabe registrar que o autor deste trabalho monográfico atuou na Divisão
de Fotônica (EFO) do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do Comando-Geral de
Tecnologia Aeroespacial (CTA), no período entre 1997 e 2007, em diversos projetos
de pesquisa e desenvolvimento de sensores inerciais fotônicos, bem como vem
acumulando, desde 2001, conhecimento científico, acadêmico e experimental,
acerca de sensores inerciais micro-eletro-mecânicos.
Este trabalho apresentará, inicialmente, a metodologia empregada e fará
uma discussão sobre a fundamentação teórica, tanto dos sensores inerciais como
da abordagem de mensuração do nível de maturidade tecnológica, incluindo uma
contextualização histórica e tecnológica que busca evidenciar a relevância deste
trabalho para o COMAER. Em seguida, aplicar-se-á uma ferramenta de mensuração
de nível de maturidade tecnológica ao caso específico dos sensores inerciais
fotônicos nacionais. Finalmente, apresentar-se-ão as conclusões dos estudos e das
análises realizadas.
Dessa forma, vislumbra-se que este trabalho, assim estruturado, possa
servir de importante subsídio no auxílio ao gerenciamento de riscos tecnológicos em
projetos e atividades científico-tecnológicas de interesse do COMAER, bem como
para que venha a ser usado a fim de balizar futuros trabalhos científicos correlatos.
12
Para
que
os
objetivos
específicos
previamente
listados
sejam
adequadamente explorados e alcançados, segue-se, no próximo capítulo, a
descrição da metodologia a ser conduzida.
13
2 METODOLOGIA
O trabalho monográfico será carreado utilizando-se, com relação ao
objetivo, a metodologia de pesquisa do tipo exploratória; por outro lado, com relação
ao procedimento de levantamento de dados, a pesquisa apresenta enfoque
documental e bibliográfico de caráter ostensivo (GIL, 2002; LAKATOS; MARCONI,
2001). A pesquisa tem como meta a procura e a análise de ferramentas de
mensuração do nível de maturidade tecnológica aplicáveis a sistemas aeroespaciais,
em geral, e a sensores inerciais fotônicos, em particular. Subseqüentemente, essa
meta se traduz na busca por informações científico-tecnológicas atuais, relacionadas
com sensores inerciais fotônicos nacionais, que se apliquem de forma exclusiva ou
dual aos propósitos aeroespaciais de interesse do COMAER, de forma a subsidiar a
determinação do nível de maturidade tecnológica desses sensores. Para tanto, essa
pesquisa atentará por manter-se sempre sob a égide e à luz dos ensinamentos
emanados pelo referencial teórico adotado, buscando encontrar as respostas
oportunas e adequadas às questões norteadoras, listadas a seguir:
a) Quais são as características gerais de sensores inerciais usados em
Sistemas Inerciais para aplicações aeroespaciais, em particular
daqueles baseados em tecnologia fotônica?
b) Quais são os sensores inerciais fotônicos de interesse para as
aplicações aeroespaciais no âmbito do COMAER, e quais as
respectivas informações que se relacionam com o domínio científico e
tecnológico nacional?
c) Quais são os modelos, processos e as ferramentas de mensuração do
nível de maturidade tecnológica que sejam aplicáveis à tecnologia de
sensores inerciais fotônicos?
d) Qual o nível de maturidade tecnológica atual de cada sensor inercial
fotônico nacional de interesse para as aplicações aeroespaciais no
âmbito do COMAER?
Os dados necessários à mensuração do nível de maturidade tecnológica
(ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2005), referentes aos sensores inerciais
fotônicos nacionais serão coletados, preferencialmente, por meio de pesquisa
14
documental de material ostensivo (e.g., relatórios técnicos) nas instituições de
pesquisa e desenvolvimento e de empresas que atuam nessa linha tecnológica, e/ou
nas instituições governamentais que financiam projetos relacionados ao tema. No
âmbito do COMAER, destaca-se notadamente o IEAv-CTA.
Para que a aplicação da metodologia adotada seja eficaz, faz-se
necessário fundamentar teoricamente os principais conceitos associados ao escopo
do estudo deste trabalho, o que é realizado no capítulo seguinte.
15
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nas subseções seguintes, apresenta-se gradualmente a fundamentação
teórica que fornece os subsídios necessários ao entendimento dos diversos tópicos
listados nos objetivos específicos deste trabalho, bem como permitem responder às
respectivas questões norteadoras.
3.1 PANORAMA HISTÓRICO E TECNOLÓGICO
A possibilidade de realizar navegação aérea com o auxílio de
instrumentos incorporados à própria aeronave tem sido uma aspiração tão antiga
quanto a própria aviação. O primeiro princípio adotado foi o da radionavegação, ou
seja, a localização direcional por meio de transmissão de ondas de radiofreqüência,
como nos sistemas Automatic Direction Finder (ADF) e Very high frequency
Omnidirectional Radio range (VOR), dentre outros. Na década de 70, o sistema de
radionavegação OMEGA foi o primeiro a proporcionar a capacidade de navegação
aérea verdadeiramente global, permitindo que se viajasse a qualquer ponto sobre o
globo terrestre; esse sistema foi largamente utilizado até a sua desativação, em
1997, fato este que decorreu principalmente do grande sucesso da geração seguinte
de navegação aérea por instrumentos, que tem ainda hoje o Global Positioning
System (GPS) como principal representante. No entanto, desde os primórdios da
navegação aérea, concomitantemente com o período de florescimento dos diversos
sistemas de radionavegação, alguns veículos apresentaram a necessidade precípua
de realizar navegação por instrumentos que fosse independente de sinais externos,
sendo essa capacidade particularmente importante em aplicações de veículos
militares, aeroespaciais e submarinos. Dessa forma, identificou-se a possibilidade de
se realizar navegação ou guiamento autônomo inercial, ou seja, por meio das
variáveis inerciais (aceleração, velocidade e rotação), medidas por sensores
apropriados que se encontrem embarcados no próprio veículo, sem qualquer auxílio
externo.
Remontando-se ao ano de 1944, ainda durante a Segunda Guerra
Mundial, observa-se que os foguetes-bombas alemães da classe V-2 fizeram uso,
16
pela primeira vez na história, de um sistema de guiamento autônomo inercial. O
alcance das V-2 era de cerca de 320 km, e o erro médio do ponto de impacto, em
relação ao alvo, era de aproximadamente 1,6 km. Em 1970, o alcance dos mísseis
balísticos de longo alcance já atingia 10.000 km e, ainda que utilizassem sistemas
de guiamento inercial similares aos das V-2, o erro médio do ponto de impacto para
uma navegação em torno de 30 vezes mais longa era de cerca de apenas 2 km
(HANG, 1970); na mesma época, o projeto APOLLO utilizava sistema de guiamento
inercial para realizar missões espaciais entre a Terra e a Lua. Os sensores usados
nos Sistemas Inerciais progrediram desde o nível de dispositivos eletromecânicos
rudimentares, que guiavam as V-2, até dispositivos integrados de estado sólido,
usados em muitos veículos modernos (NATO, 2004, p. 1.1). Atualmente, diversos
Sistemas Inerciais habilitam o guiamento autônomo de uma grande variedade de
corpos móveis, havendo uma contínua melhoria nos parâmetros de compacidade,
peso, custo e precisão desses sistemas (LAWRENCE, 1998; TITTERTON;
WESTON, 2005).
Os Sistemas Inerciais apresentam erros de navegação devido à sua
precisão intrínseca, em decorrência de imperfeições da tecnologia empregada em
sua construção, bem como erros causados por imperfeições no modelo do campo
gravitacional da região navegada; esses erros de mensuração tendem a incrementar
continuamente o erro de posição da navegação, notavelmente observado nas
navegações de longa duração. No intuito solucionar esse inconveniente, os
Sistemas Inerciais necessitam ser suficientemente precisos ou, alternativamente,
podem ser auxiliados por informações externas provenientes de sistemas externos
de auxílio à navegação; como exemplo, citam-se o LORAN-C,4 baseado em um
sistema de antenas na superfície terrestre, ou, mais recentemente, em sistemas do
gênero Global Navigation Satellite System (GNSS), como o GPS, baseados em
constelações
de
satélites
LAWRENCE,
1998,
p.
orbitais
19-23;
(GREWAL;
STRUS;
WEILL;
ANDREWS,
KIRKPATRICK;
SINKO,
2007;
2008).
Adicionalmente, os sensores de estrela podem auxiliar na medição e controle de
atitude de satélites artificiais, sendo capazes de identificar as estrelas observadas e
de determinar a atitude do satélite, tendo como base essas observações (CGEE,
2006). No entanto, cabe ressaltar que esses sistemas externos de auxílio à
4
O sistema de navegação OMEGA também foi utilizado com essa finalidade, até 1997.
17
navegação não são apropriados para serem utilizados como sistema único de
navegação em aplicações militares, aeroespaciais e submarinas, em virtude de
diversos fatores; por exemplo, podem-se citar a vulnerabilidade a uma eventual
interferência eletrônica e a impossibilidade de esses sistemas externos proverem
uma informação rápida e precisa da atitude do veículo/sistema (LAWRENCE, 1998,
p. 21-23; NATO, 2004, p. 1.1-1.2; STRUS; KIRKPATRICK; SINKO, 2008, p. 30).
Essas características desses sistemas externos ratificam a relevância do uso de
sensores inerciais, suficientemente precisos, para as aplicações aeroespaciais de
interesse do COMAER. De modo geral, quanto mais preciso se deseja que um
sensor inercial seja, mais complexo e dispendioso se torna o desenvolvimento
tecnológico desse.
No âmbito do braço armado do COMAER, a Força Aérea Brasileira (FAB),
as primeiras aeronaves a incorporar sistemas de navegação inercial foram os C-130
HÉRCULES, ao fim da década de 60; a partir da década seguinte, houve um
contínuo acréscimo na introdução desse tipo de equipamento em aeronaves
militares. Em 1999, as aeronaves que dispunham de Sistemas de Navegação
Inercial eram: C-130 HÉRCULES, A-1 FALCÃO, A-29 SUPER TUCANO, KC-137
BOEING 707-320C, R-35 LEARJET, VC-96 BOEING 737-200, F-5E TIGER II e R-99
GUARDIÃO (FRIGINI JÚNIOR, 1999). As aeronaves F-5E TIGER da FAB são
equipadas com a unidade inercial LITTON LN-33, que usa sensores giroscópicos
sintonizados dinamicamente (Dynamically Tuned Gyroscope – DTG), de primeira
geração; o Sistema de Navegação Inercial LITTON LN-39 da aeronave A-1 FALCÃO
usa plataformas com giroscópios DTG de segunda geração (CGEE, 2006, p. 23-24).
Atualmente, um número crescente de aeronaves da FAB vem incorporando
Sistemas de Navegação Inercial mais modernos, incluindo de tecnologia fotônica.
O CTA atua na área de Sistemas Inerciais desde a década de 80, com os
projetos NÁUCRATES (baseado em plataforma Cardan-gimbal) e ISIS (baseado em
plataforma solidária). No final da década de 80, o Instituto de Aeronáutica e Espaço
(IAE) realizou o projeto PAS (Plataforma de Atitude Solidária), ao mesmo tempo em
que o IEAv iniciou atividades de pesquisa e desenvolvimento de girômetros a fibra
óptica. Na década de 90, o IAE empreendeu o projeto CIN (Central Inercial de
Navegação). Houve, então, a primeira tentativa de desenvolvimento em conjunto
com a empresa Aeroeletrônica Indústria de Componentes Aviônicos S/A de uma
18
central de navegação para o Veículo Lançador de Satélites (VLS). Desde o começo
desse esforço em Engenharia Inercial, sistemas de navegação e de controle de
atitude (incorporando sensores importados, e algoritmos, software e hardware
desenvolvidos no CTA) foram montados, ensaiados e utilizados em foguetes de
sondagem (Sonda III e Sonda IV) e no VLS, com grande êxito em seu
funcionamento. O IEAv-CTA vem desenvolvendo, desde a década de 80, projetos e
atividades relacionadas com a pesquisa e o desenvolvimento de sensores inerciais
fotônicos (BRASIL, 2008b). Essa busca pela soberania científico-tecnológica
aeroespacial encontra-se em estrita consonância com os objetivos e doutrinamentos
do COMAER (BRASIL, 1998, 2002, 2007, 2008a), e do seu braço armado, a FAB
(BRASIL, 2005a, p. 7 e p. 10).
Por outro lado, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) vem
investigando, desde o advento da Missão Espacial Completa Brasileira (MECB), a
utilização de sistemas inerciais para o controle e navegação de sistemas espaciais,
em especial de satélites. Os projetos de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) nesse
campo têm como objetivo projetar, desenvolver e testar produtos e procedimentos
de sistemas de controle de satélites. Alguns projetos realizados ou em andamento,
direta ou indiretamente relacionados com o escopo deste trabalho monográfico,
abrangem: sistemas de controle de atitude do telescópio MASCO; controlador de
rodas a reação (para o satélite SCD-2); subsistema de controle de atitude para o
Satélite SCD-3; Subsistema de Controle de Atitude e Órbita (SCAO) do microsatélite SACI; Dispositivos Micro-EletroMecânicos para Guiagem e Controle
(DMGC); giroscópio mecânico (GCG) usando tecnologia de giroscópio DTG, dentre
outros (BRASIL, 2005b, 2008c). Ainda no contexto nacional, cabe destacar os
trabalhos realizados pelos centros de pesquisa da Marinha, no Centro Tecnológico
da Marinha em São Paulo (CTMSP) e no Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM),
que buscam, historicamente, obter a capacidade de fabricar o Acelerômetro
Pendular Servo Controlado (APSC) e o giro eletromecânico DTG, apesar de essas
serem tecnologias em processo de obsolescência (BARBOUR; SCHMIDT, 2001;
CGEE, 2006, p. 15 e p. 23-24; NATO, 2004, p. 1.6).
O domínio tecnológico de sensores inerciais demanda o conhecimento
científico dos princípios físicos relacionados com a operação desses sensores, a fim
de que seja possível identificar a solução que melhor atenda a uma determinada
19
necessidade. Em particular, as aplicações aeroespaciais de Sistemas Inerciais
apresentam requisitos exigentes, seja em termos de desempenho (e.g., resolução,
estabilidade, etc.), seja em termos de robustez (e.g., ambiente atmosférico e/ou
eletromagnético hostil, longevidade, etc.), ou mesmo uma combinação dessas duas
características (LAWRENCE, 1998, p. 4-11; TITTERTON; WESTON, 2005).
No contexto internacional, os sensores inerciais têm sido tratados como
dispositivos de acesso restrito, ou seja, têm suas vendas controladas por
regulamentações e regimes diversos (ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2007;
MTCR, 2008, p. 41-45). Dessa forma, o acesso a esses dispositivos tem-se
restringido, quase que exclusivamente, aos países que já detêm o respectivo
domínio tecnológico, evidenciando um desequilíbrio de poder entre esses países e o
Brasil, cenário esse que deve ser revertido com urgência (PINTO; ROCHA; SILVA,
2004, p. 313-315). Cabe ressaltar que não apenas o acesso à aquisição de sensores
inerciais, propriamente ditos, tem oficialmente sofrido restrições internacionais, mas
também o acesso aos respectivos equipamentos de teste e produção, aos softwares
correspondentes e às tecnologias associadas tem sido explicitamente incluído no
contexto dessas restrições (ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2006a; MTCR, 2008,
p. 43-46). As restrições impostas ao acesso a essas tecnologias têm implicação no
contexto da soberania nacional, por influência do âmbito da política internacional,
naquilo que diz respeito à sua componente científico-tecnológica (PINTO; ROCHA;
SILVA, 2004).
Os embargos tecnológicos internacionais têm sido constantes em áreas
sensíveis, como em aplicações bélicas e espaciais (SANTOS, 1999). As restrições
comerciais e tecnológicas internacionais impostas aos sensores inerciais justificam
os esforços no sentido de que seja gerada uma base sólida de conhecimento
científico acerca desse assunto, visando a servir de suporte para eventuais tomadas
de decisão pelas autoridades nacionais. Em particular, urge obter-se uma
mensuração do nível de maturidade tecnológica atual das diversas vertentes
tecnológicas de sensores inerciais, a fim de estabelecer as tecnologias definidas
como prioritárias para iniciar linhas de ação de esforços e recursos. Face à
importância estratégica da Expressão Científica e Tecnológica do Poder Nacional,
capaz de impactar todas as demais expressões (PINTO; ROCHA; SILVA, 2004, p.
211), faz-se mister empreitar na busca por informações cientificamente embasadas,
20
visando à mensuração do respectivo estado tecnológico presente no cenário
nacional. A notabilidade de tal esforço de pesquisa justifica-se pelo seu potencial de
prover adequado embasamento e ferramentas de processo demandados em
gerenciamentos de riscos tecnológicos, contribuindo para o correto direcionamento
dos recursos financeiros e humanos nacionais na esfera do complexo científicotecnológico aeroespacial (BRASIL, 1998, p.11), a fim de consolidar a soberania
tecnológica nacional em empreendimentos de pesquisa e desenvolvimento de alta
prioridade para o COMAER (BRASIL, 2007a, p. 28-30; BRASIL, 2008a).
A seguir, apresentam-se conceitos e informações específicos associados
a sensores inerciais, bem como dados úteis à mensuração da respectiva maturidade
tecnológica nacional.
3.2 SENSORES INERCIAIS
Os Sistemas Inerciais incorporam, em geral, uma Unidade de Medição
Inercial (Inertial Measurement Unit – IMU) e um computador de bordo (hardware e
software embarcado). A IMU é um sistema a parte, ou um subsistema de um
Sistema Inercial, que incorpora os sensores inerciais e os circuitos eletrônicos
essenciais à transformação dos sinais brutos dos sensores em informações
depuradas de posicionamento e/ou atitude de um veículo, para que possam, então,
serem utilizadas na navegação e/ou estabilização desse veículo. Os sensores
inerciais
correspondem,
portanto,
aos
sentidos
de
um
organismo
maior,
representado pela IMU, e esta, por sua vez, pode ser usada isoladamente ou como
um subsistema de um sistema ainda mais complexo – o Sistema de
Navegação/Estabilização Inercial.
É pertinente, ainda, definir o entendimento mais comum acerca do termo
Central Inercial, amplamente utilizado no contexto da navegação inercial; esse termo
tem sido empregado tanto com a mesma conotação de Unidade de Medição Inercial
(SANTANA et al., 2004; BRASIL, 2005b) como a de Sistema de Navegação Inercial
(BRASIL, 2005b; CGEE, 2006; SANTANA, 2005). Por outro lado, o termo Plataforma
Inercial tem sido comumente utilizado para representar com ambigüidade tanto as
Unidades de Medida Inercial espacialmente estabilizadas como aquelas solidárias
ao veículo/sistema (BRASIL, 2005b; FARRELL; BARTH, 1998, p. 1-2; SANTANA et
21
al., 2004), apesar de essa ambivalência aparentar ser dúbia em parte da literatura
investigada (LAWRENCE, 1998, p. 8; TITTERTON; WESTON, 2005, p. 1-13).
É importante salientar que, neste trabalho monográfico, apesar do fato de
que algumas informações relevantes para o entendimento atualizado da tecnologia
de sensores inerciais fotônicos nacionais ter sido obtida no documento situacional e
prospectivo elaborado pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE) a
partir de levantamento de dados recentes (CGEE, 2006), foram extraídas daquele
documento apenas as informações de caráter histórico ou técnico e que se
encontram mais proximamente relacionadas com o escopo deste trabalho. Portanto,
face à cientificidade deste trabalho monográfico, evitou-se abordar a visão daquele
documento acerca de posicionamentos, diretivas e conclusões relacionadas com a
definição estratégica da execução e/ou administração dos projetos de pesquisa e
desenvolvimento afetos ao tema; nesse contexto, o leitor que deseje obter
informações diversificadas, acerca da complexidade das conclusões subjetivas
apresentadas pelo referido documento, necessitará realizar uma busca ampla de
todos os fatores potencialmente envolvidos nessas considerações conclusivas
(INPE..., 2007).
Os sensores inerciais podem se basear em princípios físicos provenientes
de diversas áreas tecnológicas, tais como: eletrostática, mecânica, fotônica, microeletro-mecânica, etc. Cada uma dessas áreas do conhecimento tecnológico pode
viabilizar, ainda, diversas variantes tecnológicas específicas de sensores inerciais
(LAWRENCE, 1998; GREWAL; WEILL; ANDREWS, 2007; TITTERTON; WESTON,
2005). Conforme previamente descrito, os sensores inerciais que provêem as
informações essenciais de rotação e aceleração são denominados de girômetros e
acelerômetros, respectivamente.
A North Atlantic Treaty Organisation (NATO),5 em um documento
relativamente recente, discorreu sobre os avanços e perspectivas da tecnologia de
sensores inerciais usados em navegação inercial (NATO, 2004). Nesse documento,
as diversas tecnologias de sensores inerciais são analisadas com relação à
aplicabilidade atual e futura, mostrando as tendências de novas abordagens
tecnológicas; como exemplo, cita-se o vigoroso florescer das vertentes tecnológicas
5
Ressalta-se ao leitor que, neste trabalho monográfico, optou-se por usar a designação e sigla
originais em língua inglesa, em detrimento da designação traduzida para a língua portuguesa, de
Organização do Tratado do Atlântico Norte (OTAN).
22
que, de alguma forma, incorporam a tecnologia fotônica em seus sensores inerciais.
As maiores fontes de erro de um Sistema Inercial devem-se às
imperfeições nos sensores inerciais, à inicialização incorreta do sistema, e às
imperfeições no modelo gravitacional adotado nos cálculos. No entanto, na maioria
dos Sistemas Inerciais, os maiores erros são imputados diretamente aos sensores
inerciais (NATO, 2004, p. 1.3).
A Figura 1 ilustra o grau de maturidade mundial de diversas tecnologias
de sensores inerciais, evidenciando que algumas das tecnologias associadas com a
área de Fotônica já se encontram em fase de produção, incluindo os girômetros
Interferometric Fiber-Optic Gyro (IFOG) e Ring Laser Gyro (RLG); a tendência
tecnológica é de que os IFOG passem a ser usados em aplicações onde atualmente
os RLG encontram-se estabelecidos. No entanto, os acelerômetros cujas
tecnologias estão relacionadas com a área de Fotônica ainda se encontram em
estágios iniciais de maturidade tecnológica (Light Force e Optical MEMS)
Figura 1: Maturidade das diversas tecnologias de sensores inerciais.
Fonte: NATO (2004, p. 2.18).
O prognóstico para as futuras tecnologias de sensores inerciais encontrase sintetizado na Figura 2, em função da aplicação a qual se destinam, evidenciando
a difusão de tecnologias eletromecânicas avançadas como o Nano/Micro-Electro-
23
Mechanical Systems (NEMS/MEMS) e Hemispherical Resonant Gyro (HRG), mas
também de tecnologias fotônicas de girômetros, a exemplo de: IFOG, Photonic
Crystal Fiber Fiber-Optic Gyro (PCF FOG) e Integrated Optics Gyro (IOG).
Figura 2: Futuras aplicações para as diversas tecnologias de sensores inerciais.
Fonte: NATO (2004, p. 2.19).
No cenário brasileiro, a tecnologia de MEMS e NEMS encontram-se ainda
incipiente (CGEE, 2006, p. 42), apesar de sua aplicação aeroespacial já ter sido
identificada como de potencial relevância (BRASIL, 2008c). Na vertente tecnológica
fotônica, a EFO-IEAv vem realizando, desde a década de 1980, pesquisa e
desenvolvimento sistemáticos de sensores inerciais fotônicos (BRASIL, 2008b),
notadamente daqueles baseados na variante tecnológica de fibras ópticas (BURNS,
1993; LEFÈVRE, 1993), por meio de participação em diversas atividades e projetos
correlatos.
Os Sistemas Inerciais têm sido demandados, no campo militar, por toda a
gama de veículos e artefatos bélicos para uso em aplicações táticas (curto alcance)
ou estratégicas (longo alcance); por outro lado, no campo das aplicações civis, além
da utilização em satélites e aeronaves comerciais, os Sistemas Inerciais tem
encontrado grande demanda na navegação terrestre e marítima de veículos de
transporte pessoal e de grande porte, em diversos sistemas de suporte à estrutura
de exploração petrolífera e, até mesmo, na área de dispositivos eletrônicos de
24
entretenimento, como em controles de videogames. Essa dualidade civil-militar de
aplicação dos sensores inerciais favorece o estabelecimento e a manutenção de
uma estrutura industrial nacional mínima nessa área tecnológica.
A seguir, serão apresentadas informações gerais sobre girômetros e
acelerômetros, bem como dados específicos sobre os sensores fotônicos nacionais,
visando atingir aos objetivos específicos deste trabalho monográfico.
3.2.1 ACELERÔMETROS
Os acelerômetros são sensores inerciais utilizados em Sistemas Inerciais
para mensurar a aceleração de um veículo em relação a um determinado eixo
espacial. Os acelerômetros podem ser construídos utilizando-se tecnologia
totalmente eletromecânica (assim chamada, por suas propriedades elétricas e
mecânicas), de estado sólido, ou optomecânica (assim chamada, por suas
propriedades
ópticas
e
mecânicas),
dentre
outras.
Os
acelerômetros
eletromecânicos de alta precisão dependem de uma tecnologia de mecânica
sofisticada, que demanda longo tempo e elevados investimentos para ser
desenvolvida. A aquisição de acelerômetros é controlada, ou mesmo embargada
comercialmente, pelos países que detêm essa tecnologia. Os acelerômetros de
estado sólido costumam apresentar baixa precisão e não são, em geral, apropriados
para aplicações de navegação de veículos aeroespaciais.
As fontes de erro mais relevantes que limitam a precisão de
acelerômetros são as que afetam os parâmetros de: estabilidade do ponto de
operação (bias stability), normalmente medida em unidade de micro-g (µg),
correspondente a um milionésimo da aceleração da gravidade padrão na superfície
terrestre ao nível do mar (g); e estabilidade do fator de escala (scale-factor stability),
usualmente medida em unidade de “parte por milhão” (ppm) da quantidade inercial
(aceleração) sendo mensurada.
A Figura 3 mostra uma visão geral das tecnologias e aplicações militares
atuais dos acelerômetros, em função dos parâmetros de precisão mais relevantes.
Nesse gráfico expositivo, não é possível observar qualquer acelerômetro de
tecnologia fotônica presente. Do ponto de vista militar, as aplicações táticas
concentram-se no canto superior direito, enquanto que as aplicações estratégicas
25
localizam-se no canto inferior esquerdo.
Figura 3: Tecnologias e aplicações atuais de acelerômetros, em função dos parâmetros de
precisão.
Fonte: NATO (2004, p. 1.5).
A Figura 4 mostra uma visão prospectiva das tecnologias de
acelerômetros num horizonte de curto prazo, em função dos parâmetros de precisão
mais relevantes.
Figura 4: Tecnologias de acelerômetros no curto prazo, em função dos parâmetros de
precisão.
Fonte: NATO (2004, p. 1.6).
26
A Figura 5 mostra uma visão prospectiva das tecnologias de
acelerômetros num horizonte de longo prazo, em função dos parâmetros de precisão
mais relevantes, que prevê o aparecimento de uma tecnologia de acelerômetro
(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems – MOEMS), baseada em tecnologia
fotônica.
Figura 5: Tecnologias de acelerômetros no longo prazo, em função dos parâmetros de
precisão.
Fonte: NATO (2004, p. 1.7).
Por outro lado, a tecnologia optomecânica apresenta o potencial de
habilitar o desenvolvimento de acelerômetros de precisão, tendo sido adotada como
uma linha de pesquisa promissora no Brasil (BRASIL, 2008b). No âmbito deste
trabalho monográfico, o conceito de acelerômetro optomecânico é classificado como
sendo um caso particular de acelerômetro fotônico; isso ocorre em decorrência do
fato de a propriedade óptica, nesses sensores, caracterizar o diferencial tecnológico
preponderante, em relação às demais propriedades físicas envolvidas; alia-se a isso
o fato de que, no contexto científico-tecnológico, a Óptica corresponder a um ramo
da Fotônica. Considerando-se essa redefinição, os acelerômetros fotônicos são
descritos em detalhes a seguir.
27
3.2.1.1 Acelerômetros Fotônicos
Para se alcançar um bom desempenho de um acelerômetro fotônico,
deve-se investigar o seu comportamento e suas potencialidades com o máximo de
detalhamento, de forma a se obter o conhecimento necessário para o
desenvolvimento de acelerômetros para aplicações específicas. No âmbito do IEAv,
busca-se adquirir uma total autonomia e domínio dos processos tecnológicos
envolvidos em acelerômetros fotônicos.
Apesar da existência de diversas abordagens e variantes físicas
conhecidas para a tecnologia de acelerômetros fotônicos (CASTRO, F. A. et al.,
1992; CAZO et al., 2008; HOLZAPFEL; FINNEMANN, 1993; MORIKAWA, 2004),
aqui será detalhada apenas aquela que apresenta a abordagem tecnológica mais
promissora, baseada em grades de Bragg em fibras ópticas, e que vem sendo
pesquisada em território brasileiro (CAZO et al., 2008; MORIKAWA, 2004).
Os acelerômetros fotônicos têm sido objeto de pesquisa no âmbito da
EFO-IEAv, visando aplicações aeroespaciais de interesse do COMAER (BRASIL,
2008b; CAZO et al., 2008). A EFO-IEAv realiza, atualmente, pesquisa científica de
modo a adquirir o domínio dos processos tecnológicos envolvidos no acelerômetro
optomecânico. Obter esse conhecimento e a competência para desenvolver tal
dispositivo é um dos objetivos principais da linha de pesquisa em acelerômetros
fotônicos baseados no uso de fibra óptica. A aplicação desse tipo de acelerômetro é
fundamental para o setor aeroespacial, pois pode, por exemplo, equipar o sistema
de navegação de um míssil anti-radiação e aumentar a sua letalidade. Assim, essa
linha de pesquisa visa implementar parte da estratégia de Defesa da Força Aérea
Brasileira, qual seja a de alcançar o maior índice possível de nacionalização do
equipamento de emprego militar (BRASIL, 2008b). Atualmente, a Financiadora de
Estudos e Projetos (FINEP), empresa pública vinculada ao Ministério da Ciência e
Tecnologia (MCT), financia um projeto de pesquisa executado pela EFO-IEAv,
intitulado “Acelerômetro Opto-Mecânico baseado em Grades de Bragg em Fibras
Ópticas”.6 Esse projeto tem o objetivo precípuo de pesquisar e desenvolver um
protótipo de acelerômetro opto-mecânico baseado em grades de Bragg em fibras
6
Informação disponível em <http://sigcti.mct.gov.br/pub/ctl/ctl.php?act=nav.prj_vis&idp=1625>.
Acesso em: 06 ago. 2008.
28
ópticas, caracterizar seu funcionamento e avaliar sua aplicabilidade à navegação de
mísseis anti-radiação. Portanto, trata-se da pesquisa e desenvolvimento de um
acelerômetro fotônico para aplicação tática voltado claramente para aplicações
aeroespaciais de interesse do COMAER.
Cabe ressaltar que a empresa brasileira Gavea Sensors Sistemas de
Medição LTDA apresenta, em sua lista de produtos, um acelerômetro fotônico
baseado em grades de Bragg em fibras ópticas.7 No entanto, esse dispositivo
apresenta, conforme informação constante da respectiva folha de dados (Data
Sheet), características de desempenho que o habilitam apenas para diversas
aplicações de monitoramento de vibração como em: motores, hidro-geradores,
transformadores, circuitos de alta voltagem e pás eólicas. Dessa forma, conclui-se
que a abordagem tecnológica utilizada pela Gavea Sensors, em seu estágio atual,
não seja adequada para aplicações aeroespaciais de interesse do COMAER que
visem à navegação inercial de veículos e, portanto, não será utilizada para a
mensuração do nível de maturidade tecnológica de acelerômetros fotônicos
nacionais. Essa conclusão encontra-se respaldada em análise relativamente recente
da NATO, de que os acelerômetros fotônicos ainda não encontraram um nicho, nem
tampouco encontram-se disponíveis comercialmente, para aplicações militares
(NATO, 2004, p. 2.6). Portanto, serão utilizados apenas os dados extraídos e
inferidos das duas referências remanescentes (CAZO et al., 2008; MORIKAWA,
2004).
Morikawa (2004) descreve um acelerômetro fotônico triaxial, ou seja,
capaz de mensurar o valor da aceleração linear ao longo de três eixos distintos; a
variante tecnológica fotônica adotada usa grades de Bragg em fibra óptica. Foram
realizados estudos teóricos e simulações computacionais numéricas; em seguida,
foram construídos diversos modelos experimentais (designados de protótipos nessa
referência), diferindo entre si pela estrutura mecânica, arranjo e número de sensores
de aceleração, tendo sido caracterizados experimentalmente visando determinar as
principais características de desempenho em ambiente de laboratório. A Figura 6
mostra uma das abordagens (designada de “Protótipo 1”) de acelerômetro fotônico
triaxial adotada nesse trabalho. No entanto, os ensaios experimentais realizados
7
Informação disponível em <http://www.gaveasensors.com/produtos_sensores_vibracao.html>.
29
focaram em técnicas específicas para uso do acelerômetro como sensor de
vibrações mecânicas; isso é enfatizado no próprio resumo dessa referência, que diz
textualmente: “Neste trabalho buscou-se desenvolver um transdutor e uma técnica
de medição baseada em sensores a rede de Bragg para medição de vibrações
mecânicas.” Essa abordagem limita, apesar de não excluir, a potencialidade desse
acelerômetro fotônico para aplicações aeroespaciais de interesse do COMAER no
que diz respeito à mensuração do respectivo nível de maturidade tecnológica dentro
do contexto enfocado por este presente trabalho monográfico.
Figura 6: Vista esquemática de um acelerômetro fotônico
triaxial baseado em grades de Bragg em fibra óptica.
Fonte: Morikawa (2004, p. 28).
Cazo et al. (2008) descrevem os resultados teóricos obtidos por meio de
simulações numéricas computacionais de um acelerômetro fotônico de seis graus de
liberdade, que deverá permitir mensurar, em três eixos, não apenas a aceleração
com alta precisão, mas também a rotação com baixa precisão. Esse trabalho de
pesquisa visa atingir aos objetivos do projeto de pesquisa e desenvolvimento
executado pela EFO-IEAv, intitulado “Acelerômetro Opto-Mecânico baseado em
Grades de Bragg em Fibras Ópticas”. O referido projeto tem abordado algumas
variantes estruturais, de modo a atingir da melhor forma possível o seu objetivo; a
necessidade de atender a esses objetivos, de interesse do COMAER, tem
30
demandado contínuo esforço de pesquisa dos membros da respectiva equipe de
trabalho (BRASIL, 2008b). A Figura 7 mostra uma visão esquemática do
acelerômetro fotônico de seis graus de liberdade, onde as linhas em vermelho
correspondem às fibras ópticas (duas para cada face do cubo) contendo grades de
Bragg incorporadas.
Figura 7: Vista esquemática de um acelerômetro fotônico de
seis graus de liberdade, baseado em grades de Bragg em
fibra óptica.
Fonte: Cazo et al. (2008).
Após essa descrição dos acelerômetros, serão apresentados os
girômetros, com ênfase em girômetros fotônicos nacionais.
3.2.2 GIRÔMETROS
O girômetro é um dispositivo capaz de medir a velocidade angular de
rotação de um corpo físico em torno de um determinado eixo espacial. Os
girômetros são os principais sensores inerciais em Sistemas Inerciais, pois permitem
determinar e manter a atitude (orientação) de um veículo em relação a um
referencial inercial, independentemente do uso de acelerômetros. Quando usado
conjuntamente com acelerômetros, torna-se possível determinar a trajetória de um
veículo. Dentre as principais tecnologias de girômetros, destaca-se a do girômetro a
31
fibra óptica, em virtude de sua robustez a variáveis ambientais, faixa dinâmica, baixo
custo, e do fato de não possuir partes móveis.
O giroscópio é um subsistema inercial que incorpora um dispositivo
sensor da velocidade angular de rotação – o girômetro – que, por sua vez, emprega
circuitos ópticos e eletrônicos. A dificuldade tecnológica de mensuração da rotação
de um corpo físico ou veículo depende diretamente da incerteza máxima permitida
(ou seja, do erro do sistema sensor) no resultado da medida; quanto menor for esse
erro, mais elevado será o grau de desempenho do giroscópio e, por sua vez, maior
será o grau de sofisticação tecnológica demandado. Assim, por exemplo, um
giroscópio com resolução acima de 30 graus/hora demanda, em geral, tecnologia
mais simples, mecânica ou micromecânica (dispositivos de silício, diapasões de
quartzo, etc.) de modo a atender às especificações (BRASIL, 2008b).
As fontes de erro mais relevantes que limitam a precisão de girômetros
são as que afetam os parâmetros de: estabilidade do ponto de operação (bias
stability), normalmente medida em unidade de graus por hora (º/hr); e estabilidade
do fator de escala (scale-factor stability), usualmente medida em unidade de “parte
por milhão” (ppm) da quantidade inercial (rotação) sendo mensurada.
A Figura 8 mostra uma visão geral das tecnologias e aplicações militares
atuais dos girômetros, em função dos parâmetros de precisão mais relevantes.
Nesse gráfico expositivo, é possível observar duas tecnologias relacionadas com
girômetros fotônicos: RLG e IFOG, já previamente definidos. Similarmente ao caso
dos acelerômetros, do ponto de vista militar, as aplicações táticas concentram-se no
canto superior direito, enquanto que as aplicações estratégicas localizam-se no
canto inferior esquerdo.
A Figura 9 mostra uma visão prospectiva das tecnologias de girômetros
num horizonte de curto prazo, em função dos parâmetros de precisão mais
relevantes. Observa-se que as duas tecnologias relacionadas com girômetros
fotônicos existentes na atualidade (RLG e IFOG) deverão ampliar e melhorar ainda
mais suas regiões de aplicação (relacionadas com a precisão geral do girômetro).
32
Figura 8: Tecnologias e aplicações atuais de girômetros, em função dos parâmetros de precisão.
Fonte: NATO (2004, p. 1.3).
Figura 9: Tecnologias de girômetros no curto prazo, em função dos parâmetros de precisão.
Fonte: NATO (2004, p. 1.4).
A Figura 10 mostra uma visão prospectiva das tecnologias de girômetros
33
num horizonte de longo prazo, em função dos parâmetros de precisão mais
relevantes, que prevê o aparecimento de mais uma tecnologia de girômetro,
MOEMS, baseada em tecnologia fotônica. Observa-se que, das duas tecnologias
relacionadas com girômetros fotônicos presentes na atualidade (RLG e IFOG)
apenas o IFOG melhorou seu nível de precisão e suas regiões de aplicação. Prevêse que a tecnologia RLG deverá ser substituída pelas tecnologias IFOG e
MEMS/MOEMS. Essa visão prospectiva ratifica a relevância da tecnologia de
girômetros fotônicos para aplicações aeroespaciais e/ou militares e, portanto, de
interesse do COMAER.
Figura 10: Tecnologias de girômetros no longo prazo, em função dos parâmetros de precisão.
Fonte: NATO (2004, p. 1.5).
No âmbito deste trabalho monográfico, o conceito de girômetro baseado
em tecnologia de fibra óptica é classificado, dentro se um sentindo mais amplo,
como sendo um caso particular de girômetro fotônico, com argumentação análoga à
previamente apresentada para o conceito de acelerômetro fotônico. Cabe ressaltar
que para que um sensor de rotação se enquadre sob a classificação de girômetro
fotônico, basta que esse utilize a radiação eletromagnética óptica no processo de
mensuração dessa rotação angular. Considerando-se essa definição, os girômetros
34
fotônicos são descritos em detalhes a seguir.
3.2.1.2 Girômetro Fotônicos
Como principais representantes da tecnologia de sensores de rotação
fotônicos, citam-se: o Giroscópio a Laser em Anel (do termo em língua inglesa Ring
Laser Gyro – RLG) e o Giroscópio a Fibra Óptica (GFO).8 O elemento sensor usado
por um GFO é um girômetro fotônico baseado em um Interferômetro de Sagnac que
emprega uma bobina de fibra óptica como meio de propagação e guiamento fotônico
(BURNS, 1993; LEFÈVRE, 1993). Segundo o efeito Sagnac, dois feixes de radiação
eletromagnética óptica contrapropagantes (que se propagam em direções opostas
em relação a um sistema de referência em rotação) experimentam uma diferença de
caminho óptico proporcional à rotação absoluta em torno do eixo perpendicular ao
plano dos caminhos. Assim, quando dois feixes de radiação eletromagnética
percorrem caminhos ópticos fechados geometricamente idênticos, haverá entre
esses feixes uma diferença de fase da radiação eletromagnética que é proporcional
à rotação angular à qual o girômetro encontra-se submetido; essa diferença de fase
óptica pode ser mensurada por intermédio de abordagens interferométricas ópticas,
aliadas a sistemas de fotodetecção e processamento eletrônico de sinais. A Figura
11 mostra o diagrama esquemático da estrutura básica de um GFO do tipo recíproco
(ALVES, 1998, p. 25); as linhas na cor azul correspondem a conexões elétricas,
enquanto que as na cor preta são fibras ópticas.
A tecnologia de RLG obteve uma vantagem inicial para sistemas de
navegação de precisão devido à sua adoção em frotas de aeronaves civis
(aeronaves Boeing 757 e 767 incorporam RLG fabricados pela empresa Honeywell).
O GFO, auxiliado por informações provenientes de GPS, por outro lado, obteve
vantagem inicial em uma gama de aplicações que envolvem a estabilização de
conjuntos mecânicos e sistemas secundários de navegação (CGEE, 2006).
8
O termo GFO é integralmente equivalente ao termo Fiber-Optic Gyro (FOG) que, por sua vez, é
geralmente equivalente ao termo IFOG.
35
Figura 11: Diagrama esquemático da estrutura de um GFO do tipo recíproco.
Fonte: Adaptado de Alves (1998, p. 25).
No Laboratório de Sensores a Fibra Óptica da EFO-IEAv, as pesquisas
em giroscópios a fibra óptica visam obter dispositivos aplicáveis à navegação de
foguetes e aeronaves (aplicação estratégica) e à navegação e controle de mísseis
de curta e média distância (aplicação tática). Essas duas aplicações requerem
precisão diferenciada: a aplicação tática geralmente requer uma miniaturização de
peso e volume, embora exija apenas uma precisão razoável, enquanto que a
aplicação estratégica normalmente implica em precisão acentuada. Em decorrência
do longo período de dedicação à pesquisa e ao desenvolvimento de GFOs, houve o
estabelecimento de uma empresa nacional de pequeno porte, composta por
pesquisadores egressos da EFO-IEAv, que vem atuando tecnicamente de forma
muito ativa na área de sensores inerciais fotônicos; essa empresa é a OPTSENSYS
Instrumentação Óptica e Eletrônica Ltda.9
O CTA, atento às necessidades do COMAER em desenvolver tecnologia
nacional, por intermédio da EFO-EAv, desenvolveu com sucesso um protótipo de
giroscópio, baseado em tecnologia fotônica usando fibra óptica, que foi testado em
vôo de helicóptero H-50 ESQUILO em 1998 (BRASIL, 2008b; CARVALHO et al.,
9
Disponível em: <http://www.optsensys.com.br/>. Acesso em: 11 jul. 2008.
36
1999). O resultado foi comparado à medida realizada por um giroscópio mecânico
de aferição instalado na aeronave pela empresa EMBRAER S.A. Os resultados
medidos pelos dois sistemas apresentaram desempenho similar, sendo que o GFO
se mostrou menos susceptível às vibrações mecânicas do helicóptero. Outro
giroscópio foi desenvolvido em seguida, tendo sido lançado com êxito, em março de
1999, em um foguete nacional do tipo VS-30, precursor do veículo lançador de
satélites, desenvolvido pelo CTA. Este último protótipo de GFO foi recuperado do
mar após o vôo sub-orbital, e ainda se encontra em perfeito funcionamento (BRASIL,
2008b).
Mais recentemente, em 2007, uma Unidade de Medida Inercial
simplificada, designada de Sistema Dinâmico de Vôo (SDV), realizou um vôo em
lançamento real de um foguete de sondagem do tipo VSB-30 (IEAv..., 2007, p. 3); o
SDV compunha-se de dois sensores de rotação do tipo GFO, instalados com
alinhamento longitudinal (eixo de rolagem do foguete). Cada um dos giroscópios foi
desenvolvido para monitorar uma fase específica do vôo do foguete: um para medir
as altas rotações que ocorrem durante a subida do foguete, e o outro para medir a
rotação residual durante a fase do vôo em ambiente de microgravidade. As
instituições responsáveis por esse projeto foram o IEAv e o IAE, sendo esta última a
instituição que vem desenvolvendo todos os foguetes brasileiros. Os girômetros
fotônicos do SDV foram submetidos a rigorosos ensaios ambientais demandados
pelo processo de ensaios de aceitação do VSB-30, incluindo: vibração, temperatura
e rotação. Durante esse experimento sub-orbital, observou-se o comportamento dos
giroscópios do SDV na presença de acelerações lineares e angulares, somadas a
vibrações. As primeiras análises dos dados da telemetria revelaram o funcionamento
adequado do SDV durante todo o vôo; a configuração dos girômetros fotônicos
usados foi, portanto, validada em vôo de um foguete de sondagem sub-orbital do
tipo VSB-30. A Figura 12 mostra uma imagem do SDV, com detalhamento dos
elementos constituintes essenciais desse sistema, incluindo a imagem de um dos
GFOs.
37
Figura 12: Imagem ilustrativa do SDV e de seus elementos constituintes, mostrando um GFO.
Fonte: NOTAER (IEAv..., 2007, p. 3).
O experimento realizado com o SDV correspondeu a apenas uma das
muitas etapas técnicas prevista para o projeto de pesquisa e desenvolvimento
intitulado ”Sistemas Inerciais para Aplicação Aeroespacial” (SIA), financiado pela
FINEP,10 de grande interesse para aplicações estratégicas do COMAER, que
envolve o desafio de desenvolver girômetros fotônicos do tipo GFO para guiamento
do Veículo Lançador de Satélites (VLS), bem como para estabilização de satélites
nacionais (BRASIL, 2007c). O projeto SIA tem sua conclusão prevista para o ano de
2010. A EFO-IEAv está encarregada da pesquisa e do desenvolvimento dos
girômetros fotônicos necessários para atender aos requisitos operacionais
demandados por esse projeto. A viabilidade do projeto SIA tem sido corroborada
pelos diversos resultados práticos obtidos no decorrer do desenvolvimento desse
projeto. Em particular, o experimento com o SDV foi considerado uma etapa bem-
10
Informação disponível em: <http://sigcti.mct.gov.br/pub/ctl/ctl.php?act=nav.prj_vis&idp=590> e
<http://sigcti.mct.gov.br/pub/ctl/ctl.php?act=nav.prj_vis&idp=2832>. Acesso em: 06 ago. 2008.
38
sucedida do SIA, em inspeção de acompanhamento do projeto, recentemente
realizada pela FINEP (BRASIL, 2008d), que concluiu que o projeto SIA é viável. Os
resultados experimentais do vôo sub-orbital do SDV, após a devida depuração e
interpretação técnica, mostrou um desempenho equivalente a um Sistema Inercial
de procedência estrangeira, usado como sistema de referência, e embarcado no
mesmo foguete (CALDAS et al., 2008). No contexto de execução do projeto SIA,
cabe ressaltar a participação técnica da empresa OPTSENSYS, em diversas etapas
do desenvolvimento dos subsistemas ópticos e eletrônicos.11
Outro projeto de grande interesse do COMAER, porém de aplicação
tática, intitulado “Bloco Girométrico Miniaturizado a Fibra Óptica para Utilização no
Míssil MAR-1” (GIROMAR), também financiado pela FINEP,12 teve suas atividades
técnicas concluídas no mês de junho de 2008, tendo sido bem-sucedido na
consecução de seus objetivos técnicos. O projeto GIROMAR contemplou a
realização de rigorosos ensaios ambientais em seus girômetros fotônicos, incluindo:
vibração, temperatura, rotação e interferência eletromagnética. A EFO-IEAv esteve
encarregada da pesquisa e do desenvolvimento dos girômetros fotônicos
necessários ao atendimento dos requisitos operacionais demandados por esse
projeto. O bloco girométrico constitui-se em sistema tri-ortogonal, composto por
girômetros fotônicos associados a cada um dos três eixos ortogonais entre si, de
modo a medir a rotação em torno de qualquer eixo de um espaço tridimensional.
Cabe ressaltar que o autor do presente trabalho monográfico atuou na função de
Coordenador do referido projeto, no período de 2005 até o início de 2008. No
contexto de execução do projeto GIROMAR, houve a participação técnica da
empresa OPTSENSYS, em diversas etapas de desenvolvimento dos subsistemas
ópticos e eletrônicos.13 A Figura 13 mostra uma imagem do bloco girométrico
miniaturizado (congregando três girômetros fotônicos ortogonais) referente ao
projeto GIROMAR, durante ensaios de vibração realizados em laboratório
especializado do IAE.
11
Informação disponível em: <http://www.optsensys.com.br/paginas/projetos/projeto2.html>. Acesso
em: 12 ago. 2008.
12
Informação disponível em: <http://sigcti.mct.gov.br/pub/ctl/ctl.php?act=nav.prj_vis&idp=1654>.
Acesso em: 06 ago. 2008
13
Disponível em: <http://www.optsensys.com.br/paginas/projetos/projeto1.html>,
<http://www.optsensys.com.br/paginas/projetos/projeto3.html> e
<http://www.optsensys.com.br/paginas/projetos/projeto4.html>. Acesso em: 12 ago. 2008.
39
Figura 13: Imagem do bloco girométrico miniaturizado referente ao projeto
GIROMAR, durante a realização de ensaios de vibração em laboratório do IAE.
Fonte: Autor.
A indústria nacional apresenta-se em estágio embrionário no que tange a
girômetros fotônicos, tendo como representante exclusiva a supracitada empresa
OPTSENSYS, que aborda unicamente a vertente tecnológica de GFOs, como
conseqüência direta da origem e continuada interação dessa empresa com a EFOIEAv. A OPTSENSYS encontra-se capacitada, com exclusividade, a participar de
projetos de desenvolvimento de GFOs táticos e estratégicos, com faixas de
parâmetros básicos de desempenho dadas a seguir:14
a) sensitividade: 0,01 °/h a 3.000 °/s;
b) faixa de passagem (freqüência de resposta): 1 Hz a 50 Hz; e
14
Disponível em: <http://www.optsensys.com.br/>. Acesso em: 06 ago. 2008.
40
c) faixa de Temperatura: -10 °C a +50 °C.
Tendo-se definido os sensores inerciais fotônicos de relevância para
aplicações aeroespaciais de interesse do COMAER, busca-se realizar a mensuração
do nível de maturidade tecnológica desses sensores; para tal, apresentam-se, a
seguir, as informações pertinentes ao correto entendimento do processo de
mensuração do nível de maturidade tecnológica.
3.3 NÍVEL DE MATURIDADE TECNOLÓGICA
Dentro do conceito geral de mensuração do nível de maturidade
tecnológica, há uma grande variedade de trabalhos realizados nos Departamentos
de Defesa dos Estados Unidos da América (EUA), do Reino Unido, do Canadá e da
Austrália; por outro lado, na seara aeroespacial, a mensuração do nível de
maturidade tecnológica encontrou aplicação obrigatória na agência espacial norteamericana National Aeronautics and Space Administration (NASA), onde teve
origem, bem como em outras agências espaciais (CANADA, 2006; ESTADOS
UNIDOS DA AMÉRICA, 2005; LARGENT, 2003; MOON; SMITH; COOK, 2005).
Como resultado desse esforço, alguns diferentes conceitos e sistemas foram criados
com a finalidade de mensurar a maturidade sistêmica, funcional ou tecnológica de
equipamentos/sistemas, especialmente daqueles desenvolvidos para aplicações
militares e espaciais (CANADA, 2006, p. 1-2; ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA,
2005). Podem-se citar os seguintes: Technology Readiness Levels (TRL), Interface
Maturity Levels (IML), System Readiness Levels (SRL), Integration Readiness Levels
(IRL), Design Maturity Levels (DML), Manufacturing Readiness Levels (MRL),
Programmatic Readiness Levels (PRL) e Technology Maturity Level (TML), além de
processos e ferramentas associadas ao conceito em estudo (CANADA, 2006, p. 1-2;
LARGENT, 2003). Existem, ainda, propostas do uso de indicadores do grau de
dificuldade que se espera encontrar durante o processo de maturação de projetos de
P&D de uma determinada tecnologia (BILBRO; SACKHEIM, 2002; MANKINS, 1998).
O Government Accountability Office (GAO) dos EUA considera que a
estimação do nível de maturidade tecnológica de sistemas deva ser realizada no
início de um programa ou projeto tecnológico, sendo um importante fator
41
determinante de sucesso do mesmo (NOLTE; KENNEDY; DZIEGIEL JUNIOR,
2003a, 2003b).
Conforme previamente citado, consideram-se as teorias associadas ao
uso da estimação de maturidade tecnológica como uma ferramenta metodológica de
referência métrica para o gerenciamento de riscos tecnológicos, como sendo
aquelas que mais adequadamente englobam o escopo teórico deste trabalho, pois
essas teorias englobam o campo conceitual das metodologias e processos usados
para mensurar o nível de maturidade tecnológica. Essa constatação se deve a uma
decorrência direta da metodologia de pesquisa do tipo exploratória adotada neste
trabalho monográfico, que enfoca o conceito relativamente recente de mensuração
do nível de maturidade tecnológica, cujas teorias ainda se encontram em fase
embrionária.
Observa-se,
portanto,
que
o
referencial
teórico
encontra-se
predominantemente disperso em diversos documentos emanados por instituições
governamentais internacionais (ECSS, 2000; ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA,
2003, 2005, 2006b; LARGENT, 2003; MOON; SMITH; COOK, 2005; NOLTE;
ANDERSON; McCARTY, 2005). Cabe ressaltar que a expressão “risco tecnológico”
difere de “risco técnico”, uma vez que a primeira expressão refere-se ao risco de
uma determinada tecnologia não amadurecer suficientemente dentro de um período
de tempo previsto, enquanto que a segunda expressão manifesta o risco de um
determinado sistema tecnológico não atingir as especificações de desempenho
desejadas no período e/ou orçamento planejados (MOON; SMITH; COOK, 2005).
O indicador de nível de maturidade tecnológica que tem o conceito mais
amplamente difundido mundialmente, além de ser o mais adotado para uso
institucional, é o Technology Readiness Level, aqui designado de Indicador TRL,
que consiste em um indicador da prontidão para uso de uma tecnologia ou, como
tem sido mais usado na tradução para a língua portuguesa, um indicador do nível de
maturidade tecnológica.
Este trabalho monográfico adotou a sigla do termo em inglês, TRL, para
referir-se ao indicador de nível de maturidade tecnológica, em virtude de esta ser a
opção mais amplamente aceita e adotada na esfera nacional e internacional. O
conceito e as aplicações do Indicador TRL são apresentados em detalhes a seguir.
42
3.3.1 INDICADOR TRL
O Indicador TRL foi inicialmente proposto em 1989 com sete níveis de
maturidade (SADIN, 1989), para atender às necessidades específicas da NASA.
Posteriormente, em 1995, a escala de níveis foi aperfeiçoada em sua descrição, e o
Indicador TRL passou a apresentar nove níveis (MANKINS, 1995). A United States
Air Force adotou o uso do Technology Readiness Levels em 1990. Em 1999, o então
chamado United States General Accounting Office (GAO) produziu um artigo de
grande influência, o GAO/NSIAD-99-162 (ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 1999),
onde foram examinadas as diferenças entre o Department of Defense (DoD) dos
EUA e a indústria privada relativas à implementação de transição de uma
determinada tecnologia; esse documento concluiu que o DoD assumia riscos
maiores, bem como tentava realizar transições para tecnologias com graus de
maturidade menos elevados, em relação ao que a indústria privada realizava. O
GAO concluiu que o uso de tecnologias imaturas aumentava o risco geral dos
programas e recomendou que o DoD adotasse o uso do Indicador TRL da NASA,
como um meio de avaliar a maturidade tecnológica previamente à uma opção por
transição tecnológica.
Em 2001, o Deputy Under Secretary of Defense for Science and
Technology dos EUA emitiu um memorando endossando o uso do TRL em novos
programas de grande vulto; a partir disso, algumas diretivas para estimar o nível de
maturidade tecnológica foram incorporadas no Defense Acquisition Guidebook dos
EUA. Subsequentemente, o DoD desenvolveu diretivas detalhadas para o uso do
TRL, que foram incorporadas, em 2003, no seu documento intitulado Technology
Readiness Assessment Deskbook (ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2005;
WIKIPEDIA, 2008). Em 2005, um Congressional Authorization Act do Congresso dos
EUA requereu à NASA que comprovasse que todas as tecnologias demandadas
tivessem sido demonstradas em um ambiente relevante antes de serem escolhidas
para integrarem sistemas de grande porte em desenvolvimento (MOORE, 2008).
Atualmente, o Indicador TRL encontra-se amplamente difundido, tendo
sido aceito ou incorporado pela maioria das instituições diretamente ligadas à área
de Defesa e a atividades espaciais, bem como por diversas instituições e empresas
ao redor do mundo; por exemplo, citam-se instituições como o Federal Aviation
43
Administration (FAA) e o Department of Energy (DOE) dos EUA (ALEXANDER;
HOLTON; SUTTER, 2007). Há, inclusive, uma conferência anual, atualmente
designada como Technology Maturity Conference (TMC),15 idealizada para tratar
exclusivamente de assuntos relacionados com a maturidade tecnológica, onde as
características e aplicações do Indicador TRL despontam dentre os principais
tópicos dos trabalhos ali apresentados. A conferência anual TMC é não-classificada,
ou seja, de caráter ostensivo, sendo que as informações nessa apresentadas são
prontamente disponibilizadas ao público internacional em geral.
Existem, atualmente, duas vertentes principais do Indicador TRL
amplamente utilizadas, sendo apenas ligeiramente distintas entre si: a primeira foi
desenvolvida pela NASA (MANKINS, 1995), e encontra-se resumida em um quadro
demonstrativo no ANEXO A; a segunda, mais recente, foi elaborada pelo DoD
(ANEXO B), tendo sido essencialmente baseada na primeira. Paralelamente, o DoD
preconiza a dicotomia de variantes operacionais do Indicador TRL, em função da
natureza do sistema a ser mensurado: uma para hardware (ANEXO B) e outra para
software (ANEXO C); essa dicotomia parece ser apenas sutil, mas é necessária para
melhor classificar o sistema em estudo (ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2005;
GRAETTINGER et al., 2002).
O contexto de hardware aqui utilizado aplica-se a qualquer sistema ou
subsistema físico (componente ou equipamento) que é parte ou representativo de
uma determinada tecnologia. Há, ainda, propostas de extensão do uso do Indicador
TRL para tecnologias baseadas na prática, ou seja, naquilo que refere a: práticas,
processos, métodos, abordagens, etc. (GRAETTINGER; GARCIA, 2003; MOON;
SMITH; COOK, 2005).
Cabe ressaltar que há um esforço em se desenvolver um Indicador TRL
de consenso internacional (MOORE, 2008), congregando conceitos usados na
NASA, na European Space Agency (ESA) e no Centre National d’Etudes Spatiales
(CNES), de forma a obter-se uma equivalência entre os termos atualmente adotados
por essas instituições (ANEXO D).
O principal propósito de uso do Indicador TRL é auxiliar no gerenciamento
de tomada de decisões relacionadas com o processo de desenvolvimento e de
transição de tecnologias. Algumas vantagens do uso do Indicador TRL advêm do
15
Disponível em: <http://www.usasymposium.com/tmc/default.htm>. Acesso em: 05 ago. 2008.
44
fato de que o mesmo: provê um entendimento comum do status de uma
determinada tecnologia; facilita o gerenciamento de riscos tecnológicos; e pode ser
usado na tomada de decisões referentes a financiamento ou transição de uma
determinada tecnologia. Analogamente, algumas desvantagens que podem ser
levantadas decorrem do fato de que esse indicador: demanda maior volume de
documentação; pode necessitar de tempo para influenciar alguns sistemas, visto que
é um conceito relativamente novo; e encontra-se ainda em fase de consolidação em
diversas áreas, como em engenharia de sistemas (MOON; SMITH; COOK, 2005;
WIKIPEDIA, 2008).
Nolte, Kennedy e Dziegiel Junior (2003a, 2003b) citam várias razões para
se mensurar o nível de maturidade tecnológica de um programa de pesquisa e
desenvolvimento ou de aquisição; dentre elas, inclui-se a necessidade de
gerenciamento do grau de risco tecnológico associado, e a definição de critérios de
saída de uma determinada fase de um programa tecnológico.
A Figura 14 mostra uma ilustração esquemática sucinta dos níveis de
maturidade tecnológica do Indicador TRL, segundo a representação atual adotada
pela NASA, onde se observa, além das definições básicas para cada nível (texto à
direita da escala central de níveis), um agrupamento que descreve o trabalho de
desenvolvimento em termos gerais (texto à esquerda da escala central de níveis);
esse agrupamento descritivo é útil para descrições amplas do tipo de esforço de
desenvolvimento ao qual a tecnologia está sendo submetida (LARGENT, 2003, p. 8).
Cabe ressaltar que o Indicador TRL mensura a maturidade tecnológica
em um único eixo – o eixo da demonstração da capacidade tecnológica – isso fica
evidente na representação gráfica representada na Figura 14. Uma mensuração
completa da maturidade tecnológica corresponde a uma métrica multidimensional;
há referências a doze ou mais dimensões (eixos) relacionadas com a maturidade de
tecnologia ou produto (CANADA, 2006). Apesar disso, o Indicador TRL aparenta ser
o mais apropriado para o escopo deste trabalho monográfico, pela sua relativa
simplicidade, aceitabilidade e utilidade em relação às demais opções atualmente
disponíveis.
45
Figura 14: Ilustração esquemática sucinta dos níveis de maturidade tecnológica do Indicador TRL.
Fonte: NASA. Disponível em: <http://www.hq.nasa.gov/office/codeq/trl/trlchrt.pdf>. Acesso em: 22 jul.
2008.
Os diversos níveis de maturidade tecnológica possíveis, representado
pelo Indicador TRL, estão associados aos estágios iniciais do ciclo de vida
tecnológico de um determinado sistema ou produto tecnológico. A Figura 15 mostra
esquematicamente essa correlação, por meio de uma carta de ciclo de vida
tecnológico genérico do tipo Whale Chart, mapeada aos diversos níveis de
maturidade tecnológica, bem como aos várias marcos de estagiamento tecnológico
usados pelo DoD e NASA (WAGANER, 2007); nessa figura, o eixo das abscissas,
de conotação temporal, representa as várias fases de um ciclo de vida genérico de
um sistema ou produto tecnológico, enquanto que o eixo das ordenadas representa
a utilidade desse sistema ou produto. A associação do Indicador TRL ao ciclo de
vida tecnológico de um sistema ou produto evidencia a importância do papel desse
indicador no processo de gerenciamento de risco tecnológico (NOLTE; ANDERSON;
McCARTY, 2005).
46
Figura 15: Apresentação esquemática genérica de uma carta de ciclo de vida tecnológico do tipo
Whale Chart, mapeada ao Indicador TRL e aos marcos de estágio tecnológico do DoD e da NASA.
Fonte: Waganer (2007).
O Indicador TRL tem sido usado primordialmente para aperfeiçoar o
tempo de transição ou inserção de uma determinada tecnologia, podendo abranger
desde a fase de demonstração até a fase de desenvolvimento do produto
(GRAETTINGER et al., 2002).
O Indicador TRL tem servido como uma ferramenta metodológica métrica
de base para diversos conceitos e processos, bem como para metodologias mais
abrangentes, associadas ao gerenciamento de riscos em projetos e programas
científico-tecnológicos, como, por exemplo:
a) Technology Program Management Model (TPMM): é um modelo de
processo de decisão por estágios, baseado no Indicador TRL, que
contém critérios especificamente elaborados para qualquer programa
de desenvolvimento tecnológico (TPMM, 2008). Esse ferramental de
gerenciamento, avaliação, e transição tecnológica, foi desenvolvido ao
longo de quatro anos, no Army Space and Missile Defense Command
(ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2008a). Trata-se de um modelo
de gerenciamento que foca no conjunto completo de atividades que
pode ser usado por um gerente de programa ou projeto tecnológico
para administrar eficientemente visando a uma transição para um
produto tecnológico;
b) System Readiness Levels (SRL): inicialmente definido pelo United
47
Kingdom Ministry of Defense (UK MoD) como uma métrica
unidimensional para mensuração do nível de maturidade de sistemas
em geral (MOON; SMITH; COOK, 2005). Posteriormente, esse
conceito foi expandido para o campo bidimensional, por meio de uma
combinação matricial dos indicadores unidimensionais TRL e IRL, de
modo a compor o indicador SRL (SAUSER et al., 2008);
c) Technology Readiness Assessment (TRA): é um processo sistemático,
baseado na métrica provida pelo Indicador TRL, que avalia o nível de
maturidade tecnológica dos elementos de tecnologia crítica (Critical
Technology Elements - CTE) em sistemas de Defesa, sendo usado
pelo DoD dos EUA nos processos de aquisição desses sistemas
(ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2005); e
d) System of Systems Technology Readiness Assessment (SoS TRA): é
uma proposta de extensão do conceito de TRA para tecnologias
avançadas que dão suporte a sistemas centrados em rede, visando
identificar as tecnologias críticas que provêem a função de
interoperabilidade e interdependência requeridas para o sucesso do
desenvolvimento e da operação de sistemas com capacidade de
guerra centrada em rede (MAJUMDAR, 2007).
O nível de maturidade tecnológica que se pretende alcançar depende da
aplicação e dos objetivos que motivaram a necessidade de mensuração do Indicador
TRL. Em geral, para se iniciar programas de aquisição de sistemas ou produtos
tecnológicos, a prática tem demonstrado que se deve obter, no mínimo, o nível TRL7 para que se possa incorporar com segurança uma determinada tecnologia como
parte integrante do respectivo sistema ou produto (ESTADOS UNIDOS DA
AMÉRICA, 2008b; MOON; SMITH; COOK, 2005). Por outro lado, no âmbito do Air
Force Research Laboratory (AFRL), o objetivo de um programa de desenvolvimento
é o de amadurecer uma determinada tecnologia até o nível TRL-6, após o que as
atividades devem ser encerradas (NOLTE; KENNEDY; DZIEGIEL JUNIOR, 2003a).
Portanto, o Indicador TRL apresenta uma faixa de níveis de maturidade variados,
que podem ser adequados às necessidades específicas de cada caso, auxiliando no
processo decisório de gerenciamento de modo a permitir uma decisão segura de
início, continuação ou término de um determinado programa ou projeto.
48
Dentro do contexto científico-tecnológico brasileiro, no que diz respeito à
área espacial, o INPE já adota o Indicador TRL nas avaliações de suas atividades
atuais de P&D, bem como pretende adotá-lo também para o gerenciamento e
mensuração da evolução do próprio processo de P&D (BRASIL, 2008c, p. 70). O
processo adotado para a realização da mensuração do Indicador TRL em cada
projeto não foi explicitado nesse documento. Adicionalmente, no setor aeronáutico
brasileiro, existem evidências de que a empresa EMBRAER também utiliza o
Indicador TRL no processo de prospecção de seus projetos.16
No âmbito do COMAER, a concepção de níveis de maturidade
tecnológica enquadra-se perfeitamente na descrição das fases iniciais do ciclo de
vida de sistemas e materiais aeronáuticos, quais sejam: concepção, viabilidade,
definição e desenvolvimento/aquisição (BRASIL, 2007b, p. 24-25). Dessa forma,
torna-se flagrante a relevância que o uso do Indicador TRL potencialmente
apresenta para o COMAER nos campos logístico e tecnológico. Ademais, a adoção
e aceitação crescentes do Indicador TRL por instituições nacionais e internacionais
associadas à área de Defesa (DoD, UK MoD, etc.) e ao setor aeroespacial (NASA,
ESA, ECSS, INPE, etc.) ratificam a relevância desse indicador para as atividades
científico-tecnológicas
de
interesse
do
COMAER;
dentro
desse
contexto,
enquadram-se também as atividades relacionadas com sensores inerciais fotônicos.
Cabe ressaltar que a própria discussão descritiva (Descriptive Discussion) do
Indicador TRL da NASA (ANEXO A), no contexto do nível TRL-4, cita textualmente a
tecnologia de fiber-optic gyro, a título de exemplo aplicável a esse indicador. Essa
menção enfatiza a congruência da aplicabilidade do uso do Indicador TRL na esfera
dos sensores inerciais fotônicos.
Faz-se necessário salientar que um ponto negativo do Indicador TRL que
tem sido freqüentemente enfatizado é a subjetividade de sua escala de níveis; no
entanto, isso é de fato necessário, uma vez que é difícil quantificar o
desenvolvimento de uma tecnologia em termos absolutos (LARGENT, 2003, p. 9).
No entanto, existe uma ferramenta eficiente para auxiliar no cálculo do
nível de maturidade tecnológica, a qual será apresentada e discutida na subseção
seguinte.
16
Disponível em: <http://www.bndes.gov.br/conhecimento/seminario/CapitaisIntangiveis_15b.pdf>.
49
3.3.2 TRL CALCULATOR
Existe uma variedade de métodos usados pelo DoD e outras instituições
para auxiliar no processo de quantificação do Indicador TRL. Duas abordagens
merecem destaque: o checklist (lista de verificações) de níveis de TRL, criado pelo
Missile Defense Agency (MDA) dos EUA, e o TRL Calculator, criado pelo AFRL dos
EUA (MAJUMDAR, 2007). Neste trabalho monográfico, optou-se por detalhar e
utilizar apenas o TRL Calculator, em decorrência de esse apresentar maior
acessibilidade, facilidade de uso, flexibilidade e funcionalidade, em relação à outra
opção.
O software TRL Calculator é uma ferramenta computacional amigável ao
usuário, criada para ser usada na quantificação do Indicador TRL associado a
projetos de desenvolvimento tecnológico (NOLTE, 2004; NOLTE; KENNEDY;
DZIEGIEL JUNIOR, 2003a, 2003b); consiste de uma planilha eletrônica, baseada no
programa Microsoft Excel®, que permite ao usuário selecionar, dentre os muitos
itens descritivos (questões) relacionados aos diversos níveis do Indicador TRL,
aqueles que melhor representam o estágio atual de maturidade da tecnologia sendo
avaliada. Assim que os itens descritivos aplicáveis ao estágio evolutivo do projeto
tecnológico em análise sejam selecionados (respondidos), o TRL Calculator
apresenta o nível do Indicador TRL global mais apropriado. Uma vez que o mesmo
conjunto de opções é apresentado a cada vez que se utiliza o TRL Calculator, essa
ferramenta provê um processo repetível e padronizado para avaliar a maturidade de
qualquer tecnologia de hardware ou software em desenvolvimento e, portanto, essa
ferramenta representa um grande auxílio para o gerenciamento de risco tecnológico.
Cita-se, a título de exemplo de uso recente do TRL Calculator, a aplicação
desse pelo Department of Energy dos EUA para a avaliação de maturidade
tecnológica de uma unidade de processamento de dejetos de grandes proporções
(ALEXANDER; HOLTON; SUTTER, 2007).
A Figura 16 mostra uma visão esquemática parcial do TRL Calculator, em
sua versão mais atual (v. 2.2). A pertinência das sentenças dos itens descritivos a
serem analisados, aliada à possibilidade de se designar um valor parcial (de 0 a
100%) para cada item descritivo, permite ao gerente de um projeto tecnológico
50
acompanhar continuamente o andamento, a evolução e o cumprimento de etapas
relevantes, além de obter uma contínua estimativa do respectivo nível de maturidade
tecnológica.
Figura 16: Ilustração esquemática, genérica e truncada, do software TRL Calculator, mostrando os
itens descritivos associados apenas até o nível de maturidade TRL-1.
Fonte: Nolte (2004).
Em sua versão atual, o TRL Calculator permite a imediata inclusão de
itens descritivos associados aos indicadores MRL e PRL, referentes à maturidade de
manufatura e de gerenciamento de programas, respectivamente. Portanto, é
possível realizar uma avaliação intrínseca apenas do Indicador TRL, ou de uma
combinação de questões associadas a um dos, ou a ambos os, indicadores MRL e
PRL, resultando em um nível de TRL composto; essa possibilidade aumenta
51
sobremaneira a versatilidade e utilidade desse software. Adicionalmente, pode-se
selecionar um conjunto de itens descritivos associados a um sistema de hardware
ou software, ou mesmo a ambos conjuntamente. Finalmente, o TRL Calculator é
fornecido gratuitamente no formato de planilha eletrônica, permitindo ao usuário
modificá-lo convenientemente de forma a melhor adequá-lo às especificidades da
tecnologia sendo avaliada; dessa forma, tanto a metodologia como o processo de
mensuração que foram definidos para o TRL Calculator podem ser rapidamente
transladados e/ou adaptados para outras aplicações.
O resultado final calculado para o nível de maturidade é mostrado por
meio de um sistema de convenção de cores (verde, amarelo e vermelho, assim
definidos em ordem decrescente de completeza de consecução dos itens
descritivos) para cada nível existente, ao invés da designação de um único nível
para a maturidade tecnológica (TRL-1 a TRL-9); no entanto, a cor verde indica o
nível mais acreditado, devendo ser usado como o resultado principal do processo de
mensuração. Essa escala de cores está associada ao grau de realização de cada
item descritivo (0 a 100%), à uma visão de alto nível (Top Level View) do ambiente
de demonstração da tecnologia, e à proporção de itens descritivos selecionados
para cada nível do Indicador TRL. O critério de atribuição de uma determinada cor a
um nível do Indicador TRL utiliza um algoritmo decisório específico, a fim de
proporcionar um significado amplo, gradual e representativo para o nível de
maturidade tecnológica. Considerando-se os parâmetros originais do TRL
Calculator, a cor verde corresponde a 100% dos itens descritivos selecionados na
íntegra; similarmente, a cor amarela corresponde a um percentual entre 67% e 99%,
e a cor vermelha a um percentual não-nulo inferior a 67%; esses valores podem ser
editados pelo usuário, dentro de certas faixas de valores.
A seleção de visão de alto nível do TRL Calculator tem como objetivo
proporcionar um teste de consistência do nível de maturidade estimado. O leitor
pode encontrar maiores detalhes sobre as regras, algoritmos e potencialidades do
TRL Calculator nas instruções de uso desse software (NOLTE, 2004), bem como
nos comentários de Nolte, Kennedy e Dziegiel Junior (2003a, 2003b), notando-se
que estas últimas referências reportam-se a uma versão anterior desse software.
Para que o TRL Calculator seja de real valor para a seara científicotecnológica, esse ainda necessita de ser submetido a uma rigorosa verificação e
52
validação com bases estatísticas formais. Uma metodologia de realização de
verificação estatística válida seria pelo uso do processo de mensuração, que é uma
área central ao campo da Psicometria. A mensuração em Psicometria envolve a
construção de instrumentos que associam construções qualitativas com unidades
métricas quantitativas (NOLTE; KENNEDY; DZIEGIEL JUNIOR, 2003a, 2003b).
Apesar disso, o TRL Calculator constitui-se em uma importante ferramenta para o
processo subjetivo de associação das informações disponíveis, sobre o sistema
tecnológico sendo analisado, aos conceitos definidos nos vários níveis do Indicador
TRL, de forma a atribuir a esse sistema um nível de maturidade tecnológica
representativo e acurado.
Tendo sido apresentadas as informações essenciais acerca dos sensores
inerciais fotônicos nacionais, bem como os conceitos e aplicações associados ao
Indicador TRL, incluindo o TRL Calculator como software de mensuração do nível
maturidade tecnológica, têm-se, portanto, todos os elementos necessários para
estimar o nível de maturidade tecnológica de cada um dos sensores inerciais
fotônicos, o que é realizado a seguir.
53
4 NÍVEL
DE
MATURIDADE
TECNOLÓGICA
DE
SENSORES
INERCIAIS
FOTÔNICOS NACIONAIS
Inicialmente, reitera-se que, no âmbito aeroespacial nacional, o INPE já
adota o Indicador TRL nas avaliações de suas atividades atuais de P&D (BRASIL,
2008c, p. 70). Em particular, considerando-se apenas os projetos de sensores
inerciais nacionais, o INPE reporta as seguintes informações associadas com o
Indicador TRL:
DMGC: Dispositivos Micro-EletroMecânicos para Guiagem e Controle. O
objetivo deste projeto é desenvolver micro-giroscópios para uso em
aplicações que não exijam apontamento fino, embora este possa ser obtido
com um conjunto DMGC e um receptor GPS. Desde a sua proposição (em
2004) pouco foi feito, estando o projeto em TRL2. Estima-se que seriam
necessários recursos da ordem de R$ 500.000,00 para chegar em TRL8,
mas no momento, mesmo que estes fossem disponibilizados, não há
recursos humanos disponíveis no INPE para serem alocados no programa.
GCG: Projeto de um giroscópio mecânico. Existem peças prontas para parte
de um protótipo. É semelhante aos giros usados no CBERS. Encontra-se
em TRL3, podendo chegar, havendo disponibilidade de recursos, em TRL6
(com testes no LIT) em 1 ano. Estima-se em R$ 500.000,00 para chegar em
TRL6 e R$ 1.700.000,00 para chegar em TRL8 (BRASIL, 2008c, p.179180).
No entanto, cabe ressaltar que nenhum desses projetos de sensores
inerciais do INPE utiliza tecnologia fotônica, permanecendo a lacuna de uma análise
dessa natureza, a ser preenchida pelo presente trabalho monográfico.
Ademais, com relação às atividades e projetos desenvolvidos no âmbito
da Comando da Marinha do Brasil, este trabalho monográfico não identificou
documentos ostensivos que permitam mensurar o nível de maturidade tecnológica
dos respectivos sensores inerciais.
Enfatiza-se que grande parte das informações demandadas pelos níveis
iniciais do Indicador TRL (TRL-1 a TRL-3), usualmente associadas a estudos e
procedimentos
teóricos
relativos
a
sensores
inerciais
fotônicos,
conforme
demandado durante o preenchimento dos diversos itens descritivos mostrados no
TRL Calculator, encontram-se na literatura técnica internacional e em documentos e
artigos de análise situacional tecnológica (BURNS, 1993; CGEE, 2006; LAWRENCE,
1998, p. 4-11; LEFÈVRE, 1993; MALYSHEV et al., 1996; NATO, 2004, p. 2.6;
TITTERTON; WESTON, 2005). Portanto, essas informações são de domínio público,
necessitando apenas da existência de grupos de pesquisadores nacionais atuantes
54
na área de sensores inerciais fotônicos, para que se caracterize o domínio
tecnológico nacional correspondente. Em particular, a EFO-IEAv tem mantido grupos
de pesquisadores bem preparados e atuantes na área de sensores inerciais
fotônicos desde a década de 80 (BRASIL, 2008b).
Faz-se relevante enfatizar que este trabalho monográfico buscou usar
dados técnicos ostensivos disponíveis na literatura técnica, e em relatórios e
documentos institucionais, a fim de tornar o acesso aos resultados aqui obtidos
acessíveis ao público em geral. Ratifica-se, ainda, que o objetivo precípuo deste
trabalho volta-se primordialmente para o uso do Indicador TRL no processo de
mensuração do nível de maturidade tecnológica de sensores inerciais fotônicos
nacionais, consolidando as bases para que um levantamento completo e
aprofundado das informações referentes ao estágio de desenvolvimento em que
esses se encontram possa ser realizado em trabalhos futuros.
Durante o preenchimento dos itens descritivos do TRL Calculator, optouse por realizar uma avaliação intrínseca apenas do Indicador TRL. Portanto, foram
desativados os itens descritivos relacionados com o MRL e o PRL; ao se fazer isso,
a definição de Integrated Product Team (IPT) fica mascarada na apresentação da
planilha eletrônica do TRL Calculator, e por isso está sendo aqui ratificada. Existem
duas siglas definidas apenas na documentação eletrônica do TRL Calculator, quais
sejam: Developmental Test and Evaluation (DT&E) e Operational Test and
Evaluation (OT&E). Há, ainda, uma sigla usada no TRL Calculator, mas que não se
encontra explicitamente definida na versão adotada, por advir de versões anteriores
– trata-se da abreviação de Modeling and Simulation (M&S). Em virtude da natureza
física dos sensores inerciais fotônicos, optou-se por selecionar a opção Only
Hardware. Os demais parâmetros e variáveis usadas pelo TRL Calculator foram
mantidos em suas formas e valores originais, encontrados na versão aqui utilizada
(v. 2.2).
Em caso de necessidade de eliminação de ambigüidade de definição do
Indicador TRL mais apropriado à tecnologia de um determinado sensor inercial
fotônico, estimado por meio do uso do TRL Calculator, convencionou-se optar pela
interpretação do texto completo constante da definição integral dada pela NASA
para cada nível do Indicador TRL (ANEXO A).
Dessa forma, tomando-se como base as informações específicas contidas
55
nas seções anteriores, apresentam-se a seguir os resultados da mensuração dos
níveis de maturidade tecnológica dos sensores inerciais fotônicos nacionais.
4.1 ACELERÔMETROS FOTÔNICOS
Em virtude do fato de este trabalho monográfico ter restringido a gama de
acelerômetros fotônicos representativos aos projetos e trabalhos de potencial
emprego em aplicações aeroespaciais de interesse do COMAER (CAZO et al., 2008;
MORIKAWA, 2004), buscou-se realizar o preenchimento dos diversos itens
descritivos do TRL Calculator utilizando-se os dados específicos provenientes da
capacidade combinada dessas duas referências.
O detalhamento do preenchimento dos itens descritivos do TRL Calculator
é mostrado no APÊNDICE A, concluindo-se que os acelerômetros fotônicos
nacionais apresentam, segundo as definições do Indicador TRL, um nível de
maturidade tecnológica TRL-4 (cor verde), com os níveis inferiores também
completos (cor verde) e alguns poucos itens descritivos completos nos níveis TRL-5
e TRL-6 (ambos na cor vermelha). Os níveis TRL-7 a TRL-9 não apresentaram
qualquer item descritivo preenchido.
A Figura 17 mostra um resumo condensado do resultado da mensuração
do nível de maturidade tecnológica dos acelerômetros fotônicos nacionais,
considerando-se os dados de preenchimento do TRL Calculator mostrados no
APÊNDICE A.
Figura 17: Ilustração esquemática do resumo condensado do TRL Calculator para a estimativa do
nível de maturidade tecnológica dos acelerômetros fotônicos nacionais.
Fonte: Autor.
4.2 GIRÔMETROS FOTÔNICOS
A fim de subsidiar adequadamente a mensuração de nível de maturidade
56
tecnológica de girômetros fotônicos, optou-se por abordar duas classes distintas de
aplicações desses, segundo o tipo de aplicação de interesse do COMAER: tática ou
estratégica. Ademais, apenas a vertente tecnológica de GFO será analisada, uma
vez que essa é a única vertente tecnológica de girômetros fotônicos pesquisada e
desenvolvida no Brasil.
Cabe lembrar que, em virtude da abordagem deste trabalho monográfico
ser de caráter ostensivo, apenas as informações dessa natureza foram
apresentadas ou referenciadas neste trabalho monográfico, servindo de subsídio
para a determinação do respectivo nível de maturidade tecnológica; em particular,
serão utilizadas as informações referentes a dois projetos específicos, GIROMAR e
SIA, que contemplam atividades tecnológicas em GFOs de aplicação tática e
estratégica, respectivamente.
Tendo-se
exposto
essas
observações
gerais,
apresenta-se
separadamente a seguir os resultados da estimação do Indicador TRL de girômetros
de aplicação tática e estratégica.
4.2.1 GIRÔMETRO FOTÔNICO DE APLICAÇÃO TÁTICA
O preenchimento dos diversos itens descritivos do TRL Calculator para os
girômetros fotônicos nacionais de aplicação tática foi realizado utilizando-se os
dados específicos, diretos e indiretos, provenientes do projeto GIROMAR. As fontes
de dados selecionadas são apenas as de caráter ostensivo, em virtude da natureza
sigilosa dos resultados técnicos completos. Além das fontes de dados descritas na
subseção 3.2.1.2 e no corpo principal da subseção 4.2, destacam-se os dados
constantes dos relatórios técnicos reportados à FINEP, via Fundação Casimiro
Montenegro Filho (FCMF).17
é mostrado no APÊNDICE B, concluindo-se que o girômetro fotônico nacional de
aplicação tática apresenta, segundo as definições do Indicador TRL, um nível de
maturidade tecnológica TRL-6 (cor verde), com os níveis inferiores também
completos (cor verde) e alguns poucos itens descritivos preenchidos nos níveis TRL7 e TRL-8 (ambos na cor vermelha). O nível TRL-9 não apresentou qualquer item
17
Disponível em: <http://fcmf.com.br/sitenovo/desen_tecno.php>. Acesso em: 08 ago. 2008.
57
descritivo preenchido.
Cabe ressaltar que os girômetros fotônicos nacionais de aplicação tática
não realizaram vôos em mísseis anti-radiação (durante lançamentos ou ainda que
apenas solidários a uma aeronave), em virtude do fato de o projeto de
desenvolvimento do míssil anti-radiação ter sofrido atrasos. No entanto, considerouse que os rigorosos ensaios ambientais a que esses sensores foram submetidos
sejam representativos de um ambiente relevante, conforme interpretação do texto
descritivo geral atribuído para o TRL-6 (ANEXO A).
do nível de maturidade tecnológica dos girômetros fotônicos nacionais de aplicação
tática, considerando-se os dados de preenchimento do TRL Calculator mostrados no
APÊNDICE B.
nível de maturidade tecnológica dos girômetros fotônicos nacionais de aplicação tática.
Fonte: Autor.
Em seguida, similarmente ao que foi realizado para os girômetros
fotônicos nacionais de aplicação tática, determina-se a seguir o nível de maturidade
tecnológica associados aos girômetros fotônicos nacionais de aplicação estratégica
para os interesses do COMAER.
4.2.2 GIRÔMETRO FOTÔNICO DE APLICAÇÃO ESTRATÉGICA
O preenchimento dos diversos itens descritivos do TRL Calculator para os
girômetros fotônicos nacionais de aplicação estratégica foi realizado utilizando-se os
dados específicos, diretos e indiretos, provenientes do projeto SIA. As fontes de
dados selecionadas são apenas as de caráter ostensivo, em virtude da natureza
sigilosa dos resultados técnicos completos. Além das fontes de dados descritas na
subseção 3.2.1.2 e no corpo principal da subseção 4.2, destacam-se os dados
58
constantes dos relatórios técnicos reportados à FINEP, via Fundação de
Desenvolvimento da Pesquisa (FUNDEP).18
é mostrado no APÊNDICE C, concluindo-se que o girômetro fotônico nacional de
aplicação estratégica apresenta, segundo as definições do Indicador TRL, um nível
de maturidade tecnológica TRL-7 (cor verde), com os níveis inferiores também
completos (cor verde) e alguns poucos itens descritivos completos nos níveis TRL-8
(cor vermelha). O nível TRL-9 não apresentou qualquer item descritivo preenchido.
do nível de maturidade tecnológica dos girômetros fotônicos nacionais de aplicação
estratégica, considerando-se os dados de preenchimento do TRL Calculator
mostrados no APÊNDICE C.
nível de maturidade tecnológica dos girômetros fotônicos nacionais de aplicação estratégica.
Fonte: Autor.
Os resultados acima apresentados mostraram os níveis de maturidade
tecnológica dos sensores inerciais fotônicos nacionais.
A Figura 20 mostra um histograma que retrata o resumo da mensuração
do nível de maturidade tecnológica dos diversos sensores inerciais fotônicos
nacionais analisados neste trabalho, por meio do uso do TRL Calculator. As barras
na cor verde indicam o nível de maturidade tecnológica acreditado, enquanto que as
barras adicionais, em vermelho, fornecem uma informação gradual do potencial de
evolução da maturação dessas tecnologias, segundo convenção adotada pelo TRL
Calculator. Nota-se que não foram observados quaisquer níveis de maturidade
associados à cor amarela convencionada no TRL Calculator.
18
Disponível em: <http://www.fundep.br>. Acesso em: 08 ago. 2008.
59
Nível de maturidade tecnológica
8
6
4
2
0
Acelerômetro
Fotônico
Girômetro
Fotônico
(Tático)
Girômetro
Fotônico
(Estratégico)
Figura 20: Histograma das estimativas de nível de maturidade tecnológica de sensores inerciais
fotônicos nacionais, obtidas por meio do uso do TRL Calculator.
Fonte: Autor.
A seguir, serão apresentadas as conclusões apreendidas durante a
realização deste trabalho monográfico.
60
5 CONCLUSÃO
A mensuração do nível de maturidade tecnológica é uma importante
ferramenta métrica para o gerenciamento de risco tecnológico e, por essa razão, de
grande relevância para o correto direcionamento dos limitados recursos humanos,
materiais e financeiros disponíveis para alocação nas atividades e projetos voltados
para as aplicações aeroespaciais de interesse do COMAER.
Este trabalho monográfico buscou realizar a mensuração do nível de
maturidade tecnológica de sensores inerciais fotônicos nacionais – acelerômetros e
girômetros de aplicações tática e estratégica – por meio de metodologia de pesquisa
do tipo exploratória, com levantamento de dados com enfoque documental e
bibliográfico de caráter ostensivo.
Seguindo-se à apresentação da metodologia empregada, procedeu-se à
descrição dos diversos aspectos históricos e tecnológicos relacionados com os
sensores
inerciais,
com
ênfase
na
vertente
fotônica.
Analisaram-se
as
características gerais de sensores inerciais usados em Sistemas Inerciais para
aplicações aeroespaciais, de diversas vertentes tecnológicas, com foco específico
naqueles baseados em tecnologia fotônica. No âmbito nacional, foram identificadas
atividades de pesquisa e desenvolvimento de sensores inerciais fotônicos
existentes, que contribuem para o domínio científico e tecnológico nacional de
interesse para as aplicações aeroespaciais no âmbito do COMAER, em algumas
instituições e empresas, com destaque para os projetos carreados pelos
pesquisadores do EFO-IEAv. Nesse contexto, identificou-se que os acelerômetros
abordam a linha tecnológica optomecânica utilizando grades de Bragg em fibras
ópticas, enquanto que os girômetros, tanto os de aplicação tática como estratégica,
abordam a vertente tecnológica de GFOs. Foram apresentados e referenciados os
dados de caráter ostensivo relacionados com os resultados tecnológicos alcançados
pelos projetos e estudos associados a esses sensores inerciais, de forma a subsidiar
a respectiva mensuração do nível de maturidade tecnológica.
Foram, então, identificadas e analisadas metodologias, processos e
ferramentas de mensuração do nível de maturidade tecnológica aplicáveis à
tecnologia de sensores inerciais fotônicos. Observou-se, no entanto, que o
61
referencial
teórico
encontra-se
predominantemente
disperso
em
diversos
documentos emanados por instituições governamentais internacionais, em virtude
de o conceito de mensuração do nível de maturidade tecnológica ser relativamente
recente, com teorias ainda em fase embrionária. Consideraram-se, portanto, as
teorias associadas ao uso da estimação de maturidade tecnológica como uma
ferramenta metodológica de referência métrica para o gerenciamento de riscos
tecnológicos, como sendo as mais adequadas para o escopo teórico deste trabalho.
Optou-se, então, pelo uso do Indicador TRL, por suas características gerais e pela
sua aceitabilidade internacional, como metodologia de mensuração do nível de
maturidade tecnológica de sensores inerciais fotônicos de interesse nas aplicações
aeroespaciais existentes no âmbito do COMAER; essa escolha foi ratificada pela
constatação da adoção e aceitação crescentes do Indicador TRL por instituições
nacionais e internacionais associadas à área de Defesa (DoD, UK MoD, etc.) e ao
setor aeroespacial (NASA, ESA, ECSS, INPE, etc.), que corroboram a relevância
desse indicador para as atividades científico-tecnológicas de interesse para o
COMAER. De modo a sistematizar o processo de mensuração, optou-se pelo uso do
software TRL Calculator como ferramenta computacional de orientação e facilitação
do processo de mensuração do nível de maturidade tecnológica dos sensores
inerciais fotônicos pesquisados e/ou desenvolvidos no Brasil.
Na medida em que a metodologia, o processo e a ferramenta de
mensuração do nível de maturidade tecnológica foram compreendidos, e os dados
relevantes dos sensores inerciais fotônicos nacionais foram levantados, procedeu-se
então à realização da mensuração objetivada por este trabalho monográfico.
Concluiu-se, por meio da mensuração realizada, que os acelerômetros fotônicos
nacionais encontram-se no nível de maturidade tecnológica TRL-4, enquanto que os
girômetros fotônicos nacionais, de aplicação tática e estratégica, encontram-se,
respectivamente, nos níveis de maturidade tecnológica TRL-6 e TRL-7.
Conclui-se, portanto, que os estudos apresentados e os resultados
obtidos atenderam plenamente às expectativas definidas pelo objetivo geral deste
trabalho monográfico, detalhado pelos objetivos específicos e respectivas questões
norteadoras, e definido como sendo o de mensurar o nível de maturidade
tecnológica em que se encontram os sensores inerciais fotônicos nacionais,
demandados por Sistemas Inerciais usados em aplicações aeroespaciais de
62
Dessa forma, vislumbra-se que este trabalho monográfico possa servir de
referência
para
balizar
futuros
desdobramentos
e
trabalhos
científicos,
especialmente para aqueles voltados às diversas áreas científico-tecnológicas e de
gerenciamento de riscos tecnológicos, potencialmente versando sobre os tópicos
listados a seguir, dentre muitos possíveis:
a) acompanhamento contínuo da evolução do nível de maturidade dos
sensores inerciais fotônicos nacionais aqui abordados;
b) extensão da aplicação do conceito de mensuração do nível de
maturidade tecnológica para outras tecnologias associadas a sensores
inerciais de interesse do COMAER;
c) atualização do referencial teórico associado ao uso da mensuração do
nível de maturidade tecnológica no gerenciamento de riscos
tecológicos, durante o desenvolvimento ou aquisição de novas
tecnologias, visando a identificar uma teoria de base estabelecida para
essa área;
d) abordagem de metodologias direta ou indiretamente relacionadas com
o gerenciamento de risco tecnológico, como o TRA e o TPMM;
e) análise focal de ferramentas metodológicas métricas relacionadas com
o gerenciamento de risco tecnológico, como o IRL, MRL e SRL; e
f) adaptação do TRL Calculator de modo a adequar os itens descritivos
às necessidades científico-tecnológicas específicas em áreas de
Finalmente, enfatiza-se uma vez mais a alta relevância do uso de
metodologias de mensuração do nível de maturidade tecnológica, exemplificado
neste trabalho monográfico pelo Indicador TRL, para as atividades e objetivos do
COMAER, conforme evidenciada ao longo do discorrer deste trabalho científico, que,
por sua vez, almeja servir de ponto de partida para futuros estudos e trabalhos
correlatos.
63
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69
GLOSSÁRIO
ACELERÔMETRO – dispositivo sensor capaz de medir aceleração.
FOTÔNICA – ramo da ciência que estuda a natureza, geração, controle e detecção
de fótons (unidades elementares da radiação eletromagnética na faixa espectral
visível ao olho humano e nas faixas espectrais adjacentes (infravermelha e
ultravioleta).
GIRÔMETRO – dispositivo sensor capaz de medir rotação.
GUIAMENTO – conjunto de operações para encaminhar um veículo de um ponto
inicial a um determinado objetivo.
HARDWARE – qualquer sistema ou subsistema físico (componente ou
equipamento) que é parte ou representativo de uma determinada tecnologia ou
engenharia.
NAVEGAÇÃO INERCIAL – modalidade de navegação aérea que utiliza equipamento
capaz de, automaticamente, determinar a posição da aeronave através de uma
ampla integração dos sinais emitidos por acelerômetros e introduzidos em um
computador. A navegação inercial necessita de um pré-alinhamento dos eixos
giroscópicos em relação a um referencial inercial, da informação da posição inicial, e
do conhecimento dos dados da rota tridimensional a ser percorrida.
PSICOMETRIA – é uma área da Psicologia que faz a ponte entre as ciências exatas,
principalmente a Matemática Aplicada (Estatística) e a Psicologia. Sua definição
consiste no conjunto de técnicas utilizadas para mensurar, de forma adequada e
comprovada experimentalmente, um conjunto ou uma gama de comportamentos que
se deseja conhecer melhor.
SENSOR INERCIAL – dispositivo sensor capaz de medir aceleração e/ou rotação.
SISTEMA DE ESTABILIZAÇÃO INERCIAL – sistema tecnológico autônomo (que
dispõe apenas de informações internas ao sistema) capaz de manter o
direcionamento e controle de um corpo físico, visando manter a atitude e/ou posição
desse com relação a um referencial inercial.
SISTEMA DE NAVEGAÇÃO INERCIAL – sistema tecnológico autônomo capaz de
manter o direcionamento e controle dos movimentos de um corpo físico móvel
(veículo ou sistema), visando guiá-lo através de um caminho desejado.
SISTEMA INERCIAL - Sistema de Navegação ou de Estabilização Inercial.
70
APÊNDICE A – Estimativa do Nível de Maturidade Tecnológica de
acelerômetros fotônicos nacionais usando o TRL Calculator
Mostra-se a seguir (Figura 21 a Figura 28) as ilustrações esquemáticas
referentes ao preenchimento dos itens descritivos do TRL Calculator com os dados
referentes aos acelerômetros fotônicos nacionais; a seqüência de figuras a seguir é
mostrada na ordem normal em que as diversas seções de tela são apresentadas
nessa planilha eletrônica. As ilustrações referentes aos níveis TRL-7 ao TRL-9 foram
suprimidas, por não acrescentarem qualquer informação útil para o contexto dos
acelerômetros fotônicos nacionais, em virtude de essa tecnologia encontrar-se em
um estágio inicial de maturidade tecnológica.
Figura 21: Ilustração esquemática da visão de alto nível do ambiente de demonstração da tecnologia
– acelerômetro fotônico – TRL Calculator.
Fonte: Autor.
Figura 22: Ilustração esquemática dos itens descritivos do TRL-1 – acelerômetro fotônico – TRL
Calculator.
Fonte: Autor.
71
Calculator.
Fonte: Autor.
Calculator.
Fonte: Autor.
Calculator.
Fonte: Autor.
72
Figura 26: Ilustração esquemática dos itens descritivos do TRL-5 – acelerômetro fotônico.
Fonte: Autor.
Calculator.
Fonte: Autor.
73
Figura 28: Ilustração esquemática do resumo estendido da avaliação de maturidade tecnológica dos
acelerômetros fotônicos nacionais, utilizando o TRL Calculator.
Fonte: Autor.
74
APÊNDICE B – Estimativa do Nível de Maturidade Tecnológica de girômetros
fotônicos nacionais de aplicação tática usando o TRL Calculator
referentes aos girômetros fotônicos nacionais de aplicação tática; a seqüência de
figuras a seguir é mostrada na ordem normal em que as diversas seções de tela são
apresentadas nessa planilha eletrônica. As ilustrações referentes aos níveis TRL-1 a
TRL-4 foram suprimidas, por serem idênticas ao do caso dos acelerômetros
fotônicos nacionais (Figura 22 a Figura 25). A ilustração referente ao nível TRL-9 foi
suprimida, por não apresentar qualquer item descritivo preenchido. Isso ocorre
devido ao fato de a tecnologia de girômetros fotônicos nacionais de aplicação tática
encontrar-se em um estágio intermediário de maturidade tecnológica.
– girômetro fotônico de aplicação tática – TRL Calculator.
Fonte: Autor.
Figura 30: Ilustração esquemática dos itens descritivos do TRL-5 – girômetro fotônico de aplicação
tática – TRL Calculator.
Fonte: Autor.
75
Fonte: Autor.
Fonte: Autor.
Fonte: Autor.
76
girômetros fotônicos nacionais de aplicação tática, utilizando o TRL Calculator.
Fonte: Autor.
77
APÊNDICE C – Estimativa do Nível de Maturidade Tecnológica de girômetros
fotônicos nacionais de aplicação estratégica usando o TRL Calculator
referentes aos girômetros fotônicos nacionais de aplicação estratégica; a seqüência
de figuras a seguir é mostrada na ordem normal em que as diversas seções de tela
são apresentadas nessa planilha eletrônica. As ilustrações referentes aos níveis
TRL-1 a TRL-6 foram suprimidas, por serem idênticas ao do caso dos girômetros
fotônicos nacionais para aplicação tática (Figura 22 a Figura 25, bem como a Figura
30 e Figura 31). A ilustração referente ao nível TRL-9, apesar de não apresentar
qualquer item descritivo preenchido, é apresentada para expor os itens descritivos
referentes a esse nível. A tecnologia de girômetros fotônicos nacionais de aplicação
estratégica encontra-se em um estágio intermediário, mas já próximo a avançado,
de maturidade tecnológica.
– girômetro fotônico de aplicação estratégica – TRL Calculator.
Fonte: Autor.
estratégica – TRL Calculator.
78
Fonte: Autor.
Fonte: Autor.
Fonte: Autor.
79
girômetros fotônicos nacionais de aplicação estratégica, utilizando o TRL Calculator.
Fonte: Autor.
80
ANEXO A – Indicador TRL definido pela NASA
Quadro descritivo dos níveis de maturidade tecnológica preconizados pela NASA (MANKINS, 1995). O texto das
diversas definições foi mantido na língua inglesa, a fim de se evitar alterações de significado em uma eventual tradução.
TRL
1
Description
Basic principles
observed and
reported
2
Technology concept
and/or application
formulated
3
Analytical and
experimental critical
function and/or
characteristic proofof-concept
4
Component and/or
breadboard
validation in
laboratory
environment
Descriptive Discussion
Cost to Achieve
This is the lowest “level” of technology maturation. At this level, scientific research begins to be
translated into applied research and development. Examples might include studies of basic
properties of materials (e.g., tensile strength as a function of temperature for a new fiber).
Very Low ‘Unique’ Cost
(investment cost is borne
by scientific research
programs)
Once basic physical principles are observed, then at the next level of maturation, practical
applications of those characteristics can be ‘invented’ or identified. For example, following the
observation of high critical temperature (Htc) superconductivity, potential applications of the new
material for thin film devices (e.g., SIS mixers) and in instrument systems (e.g., telescope
sensors) can be defined. At this level, the application is still speculative: there is not
experimental proof or detailed analysis to support the conjecture.
At this step in the maturation process, active research and development (R&D) is initiated. This
must include both analytical studies to set the technology into an appropriate context and
laboratory-based studies to physically validate that the analytical predictions are correct. These
studies and experiments should constitute “proof-of-concept” validation of the
applications/concepts formulated at TRL 2. For example, a concept for High Energy Density
Matter (HEDM) propulsion might depend on slush or super-cooled hydrogen as a propellant:
TRL 3 might be attained when the concept-enabling phase/temperature/pressure for the fluid
was achieved in a laboratory.
Following successful “proof-of-concept” work, basic technological elements must be integrated
to establish that the “pieces” will work together to achieve concept-enabling levels of
performance for a component and/or breadboard. This validation must devised to support the
concept that was formulated earlier, and should also be consistent with the requirements of
potential system applications. The validation is relatively “low-fidelity” compared to the eventual
system: it could be composed of ad hoc discrete components in a laboratory. For example, a
TRL 4 demonstration of a new ‘fuzzy logic’ approach to avionics might consist of testing the
algorithms in a partially computer-based, partially bench-top component (e.g., fiber optic gyros)
demonstration in a controls lab using simulated vehicle inputs.
Very Low ‘Unique’ Cost
(investment cost is borne
by scientific research
programs)
Cost to Achieve: Low
‘Unique’ Cost (technology
specific)
Low-to-moderate ‘Unique’
Cost (investment will be
technology specific, but
probably several factors
greater than investment
required for TRL 3)
81
TRL
Description
5
Component and/or
breadboard
validation in relevant
environment
6
System/subsystem
model or prototype
demonstration in a
relevant
environment (ground
or space)
7
System prototype
demonstration in a
space environment
At this, the fidelity of the component and/or breadboard being tested has to increase
significantly. The basic technological elements must be integrated with reasonably realistic
supporting elements so that the total applications (component-level, sub-system level, or
system-level) can be tested in a ‘simulated’ or somewhat realistic environment. From one-toseveral new technologies might be involved in the demonstration. For example, a new type of
solar photovoltaic material promising higher efficiencies would at this level be used in an actual
fabricated solar array ‘blanket’ that would be integrated with power supplies, supporting
structure, etc., and tested in a thermal vacuum chamber with solar simulation capability.
A major step in the level of fidelity of the technology demonstration follows the completion of
TRL 5. At TRL 6, a representative model or prototype system or system – which would go well
beyond ad hoc, ‘patch-cord’ or discrete component level breadboarding – would be tested in a
relevant environment. At this level, if the only ‘relevant environment’ is the environment of
space, then the model/prototype must be demonstrated in space. Of course, the demonstration
should be successful to represent a true TRL 6. Not all technologies will undergo a TRL 6
demonstration: at this point the maturation step is driven more by assuring management
confidence than by R&D requirements. The demonstration might represent an actual system
application, or it might only be similar to the planned application, but using the same
technologies. At this level, several-to-many new technologies might be integrated into the
demonstration. For example, a innovative approach to high temperature/low mass radiators,
involving liquid droplets and composite materials, would be demonstrated to TRL 6 by actually
flying a working, sub-scale (but scaleable) model of the system on a Space Shuttle or
International Space Station ‘pallet’. In this example, the reason space is the ‘relevant’
environment is that microgravity plus vacuum plus thermal environment effects will dictate the
success/failure of the system – and the only way to validate the technology is in space.
TRL 7 is a significant step beyond TRL 6, requiring an actual system prototype demonstration in
a space environment. It has not always been implemented in the past. In this case, the
prototype should be near or at the scale of the planned operational system and the
demonstration must take place in space. The driving purposes for achieving this level of
maturity are to assure system engineering and development management confidence (more
than for purposes of technology R&D). Therefore, the demonstration must be of a prototype of
that application. Not all technologies in all systems will go to this level. TRL 7 would normally
only be performed in cases where the technology and/or subsystem application is mission
critical and relatively high risk. Example: the Mars Pathfinder Rover is a TRL 7 technology
demonstration for future Mars micro-rovers based on that system design. Example: X-vehicles
are TRL 7, as are the demonstration projects planned in the New Millennium spacecraft
program.
Cost to Achieve
Moderate ‘Unique’ Cost
(investment cost will be
technology dependent,
but likely to be several
factors greater that cost
to achieve TRL 4)
Technology and
demonstration specific; a
fraction of TRL 7 if on
ground; nearly the same
if space is required
Technology and
demonstration specific,
but a significant fraction
of the cost of TRL 8
(investment = “Phase C/D
to TFU” for demonstration
system)
82
TRL
Description
8
Actual system
completed and
“flight qualified”
through test and
demonstration
(ground or space)
9
Actual system “flight
proven” through
successful mission
operations
Cost to Achieve
By definition, all technologies being applied in actual systems go through TRL 8. In almost all
cases, this level is the end of true ‘system development’ for most technology elements.
Example: this would include DDT&E through Theoretical First Unit (TFU) for a new reusable
launch vehicle. This might include integration of new technology into an existing system.
Example: loading and testing successfully a new control algorithm into the onboard computer on
Hubble Space Telescope while in orbit.
By definition, all technologies being applied in actual systems go through TRL 9. In almost all
cases, the end of last ‘bug fixing’ aspects of true ‘system development’. For example, small
fixes/changes to address problems found following launch (through ‘30 days’ or some related
date). This might include integration of new technology into an existing system (such operating
a new artificial intelligence tool into operational mission control at JSC). This TRL does not
include planned product improvement of ongoing or reusable systems. For example, a new
engine for an existing RLV would not start at TRL 9: such ‘technology’ upgrades would start
over at the appropriate level in the TRL system.
Mission specific; typically
highest unique cost for a
new technology
(investment = “Phase C/D
to TFU” for actual
system)
Quadro 1: Technology Readiness Levels definidos pela NASA.
Fonte: Mankins (1995).
Mission Specific; less
than cost of TRL 8 (e.g.,
cost of launch plus 30
days of mission
operations)
83
ANEXO B – Indicador TRL definido pelo DoD para Hardware
A Figura 40 mostra os níveis de maturidade tecnológica para hardware
preconizados pelo DoD.
Figura 40: Descrição dos níveis de maturidade tecnológica do Indicador TRL do DoD para hardware.
Fonte: Department of Defense dos EUA (ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2005, Apêndice J).
84
ANEXO C – Indicador TRL definido pelo DoD para Software
A Figura 41 mostra os níveis de maturidade tecnológica para software
preconizados pelo DoD.
Figura 41: Descrição dos níveis de maturidade tecnológica do Indicador TRL do DoD para software.
Fonte: Department of Defense dos EUA (ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA, 2005, Apêndice J).
85
ANEXO D – Comparação entre as definições do Indicador TRL e os termos em
uso pela ESA e CNES
A Figura 42 mostra uma proposta preliminar de equivalência entre os
níveis de maturidade tecnológica do Indicador TRL adotados pela NASA e os termos
em uso na ESA e na CNES.
Figura 42: Quadro comparativo da equivalência entre o Indicador TRL da NASA e os termos em uso
na ESA e na CNES.
Fonte: Moore (2008).

Mensuração de Nível de Maturidade Tecnológica

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