Una rueda de reacción (RW) es un tipo de volante utilizado principalmente por naves espaciales para el control de actitud de tres ejes , que no requiere cohetes ni aplicadores externos de torsión. Proporcionan una alta precisión de apuntado, [1] : 362 y son particularmente útiles cuando la nave espacial debe rotarse en cantidades muy pequeñas, como mantener un telescopio apuntando a una estrella.
A veces, una rueda de reacción se opera como (y se denomina) rueda de momento , al operarla a una velocidad de rotación constante (o casi constante), con el fin de imbuir un satélite con una gran cantidad de momento angular almacenado . Hacerlo altera la dinámica de rotación de la nave espacial de modo que los pares de perturbación perpendiculares a un eje del satélite (el eje paralelo al eje de giro de la rueda) no dan como resultado directamente un movimiento angular de la nave espacial alrededor del mismo eje que el par de perturbación; en cambio, dan como resultado un movimiento angular (generalmente más pequeño) ( precesión ) del eje de la nave espacial alrededor de un eje perpendicular. Esto tiene el efecto de tender a estabilizar el eje de la nave espacial para apuntar en una dirección casi fija, [1] : 362permitiendo un sistema de control de actitud menos complicado. Los satélites que utilizan este enfoque de estabilización de "sesgo de impulso" incluyen SCISAT-1 ; al orientar el eje de la rueda de impulso para que sea paralelo al vector de órbita normal, este satélite se encuentra en una configuración de "sesgo de impulso de tono".
Un giroscopio de momento de control (CMG) es un tipo de actuador de actitud relacionado pero diferente, que generalmente consiste en una rueda de impulso montada en un cardán de uno o dos ejes . [1] : 362 Cuando se monta en una nave espacial rígida, aplicar un par constante a la rueda usando uno de los motores cardán hace que la nave espacial desarrolle una velocidad angular constante alrededor de un eje perpendicular, permitiendo así el control de la dirección de apuntamiento de la nave espacial. Los CMG generalmente pueden producir pares sostenidos más grandes que los RW con menos calentamiento del motor, y se usan preferentemente en naves espaciales más grandes y / o más ágiles, incluidas Skylab , Mir y la Estación Espacial Internacional .
Teoría
Las ruedas de reacción se utilizan para controlar la actitud de un satélite sin el uso de propulsores, lo que reduce la fracción de masa necesaria para el combustible.
Funcionan equipando la nave espacial con un motor eléctrico conectado a un volante que, cuando se cambia su velocidad de rotación, hace que la nave espacial comience a girar en sentido contrario proporcionalmente a través de la conservación del momento angular . [2] Las ruedas de reacción pueden girar una nave espacial solo alrededor de su centro de masa (ver torque ); no son capaces de mover la nave espacial de un lugar a otro (ver fuerza de traslación ).
Implementación
Para el control de tres ejes, las ruedas de reacción deben montarse a lo largo de al menos tres direcciones, con ruedas adicionales que brindan redundancia al sistema de control de actitud. Una configuración de montaje redundante podría consistir en cuatro ruedas a lo largo de ejes tetraédricos, [3] o una rueda de repuesto llevada además de una configuración de tres ejes. [1] : 369 Los cambios de velocidad (en cualquier dirección) se controlan electrónicamente por computadora. La resistencia de los materiales usados en una rueda de reacción determina la velocidad a la que la rueda se rompería y, por lo tanto, cuánto momento angular puede almacenar.
Dado que la rueda de reacción es una pequeña fracción de la masa total de la nave espacial, los cambios temporales fáciles de controlar en su velocidad dan como resultado pequeños cambios de ángulo. Por tanto, las ruedas permiten cambios muy precisos en la actitud de una nave espacial . Por esta razón, las ruedas de reacción se utilizan a menudo para apuntar naves espaciales que llevan cámaras o telescopios.
Con el tiempo, las ruedas de reacción pueden acumular suficiente impulso almacenado para superar la velocidad máxima de la rueda, llamada saturación, que deberá cancelarse. Por lo tanto, los diseñadores complementan los sistemas de ruedas de reacción con otros mecanismos de control de actitud. En presencia de un campo magnético (como en la órbita terrestre baja), una nave espacial puede emplear pares magnéticos (más conocidos como barras de torsión) para transferir el momento angular a la Tierra a través de su campo magnético planetario. [1] : 368 En ausencia de un campo magnético, la práctica más eficiente es usar chorros de actitud de alta eficiencia, como propulsores de iones , o velas solares pequeñas y livianas colocadas en lugares alejados del centro de masa de la nave espacial, como en matrices de células solares o mástiles salientes.
Ejemplos de naves espaciales que utilizan ruedas de reacción
Beresheet
Beresheet fue lanzado en un cohete Falcon 9 el 22 de febrero de 2019 1:45 UTC, [4] con el objetivo de aterrizar en la luna . Beresheet utiliza la técnica de transferencia de baja energía para ahorrar combustible. Desde su cuarta maniobra [5] en su órbita elíptica, para evitar temblores cuando la cantidad de combustible líquido se agotaba, era necesario utilizar una rueda de reacción.
Vela ligera 2
LightSail 2 se lanzó el 25 de junio de 2019 y se centró en el concepto de vela solar . LightSail 2 utiliza un sistema de rueda de reacción para cambiar la orientación en cantidades muy pequeñas, lo que le permite recibir diferentes cantidades de impulso de la luz a través de la vela, lo que resulta en una mayor altitud. [6]
Fallos e impacto de la misión
La falla de una o más ruedas de reacción puede hacer que una nave espacial pierda su capacidad para mantener la actitud (orientación) y, por lo tanto, potencialmente causar una falla en la misión. Estudios recientes concluyen que estas fallas pueden correlacionarse con los efectos del clima espacial . Estos eventos probablemente causaron fallas al inducir descargas electrostáticas en los rodamientos de bolas de acero de las ruedas Ithaco, comprometiendo la suavidad del mecanismo. [7]
Hubble
Dos misiones de servicio al Telescopio Espacial Hubble han reemplazado una rueda de reacción. En febrero de 1997, la Segunda Misión de Servicio ( STS-82 ) reemplazó uno [8] después de "anomalías eléctricas", en lugar de cualquier problema mecánico. [9] El estudio del mecanismo devuelto brindó una rara oportunidad para estudiar equipos que habían sido sometidos a un servicio a largo plazo (7 años) en el espacio, particularmente por los efectos del vacío en los lubricantes . Se encontró que el compuesto lubricante estaba en 'excelentes condiciones'. [9] En 2002, la misión de servicio 3B ( STS-109 ), los astronautas del transbordador Columbia reemplazaron otra rueda de reacción. [8] Ninguna de estas ruedas había fallado y el Hubble fue diseñado con cuatro ruedas redundantes y mantuvo la capacidad de apuntar mientras tres fueran funcionales. [10]
Hayabusa
En 2004, durante la misión de la nave espacial Hayabusa , falló una rueda de reacción del eje X. La rueda del eje Y falló en 2005, lo que provocó que la nave dependiera de propulsores químicos para mantener el control de actitud. [11]
Kepler
Desde julio de 2012 hasta el 11 de mayo de 2013, dos de las cuatro ruedas de reacción del telescopio Kepler fallaron. Esta pérdida obstaculizó gravemente la capacidad de Kepler para mantener una orientación suficientemente precisa para continuar con su misión original. [12] El 15 de agosto de 2013, los ingenieros concluyeron que las ruedas de reacción de Kepler no se pueden recuperar y que la búsqueda de planetas utilizando el método de tránsito (midiendo los cambios en el brillo de las estrellas causados por los planetas en órbita) no podría continuar. [13] [14] [15] [16] Aunque las ruedas de reacción fallidas aún funcionan, experimentan una fricción que excede los niveles aceptables y, en consecuencia, dificultan la capacidad del telescopio para orientarse correctamente. El telescopio Kepler fue devuelto a su "estado de reposo puntual", una configuración estable que utiliza pequeñas cantidades de combustible del propulsor para compensar las ruedas de reacción fallidas, mientras que el equipo de Kepler consideró usos alternativos para Kepler que no requieren una precisión extrema en su orientación. según lo requiera la misión original. [17] El 16 de mayo de 2014, la NASA extendió la misión Kepler a una nueva misión llamada K2 , que usa Kepler de manera diferente, pero le permite continuar buscando exoplanetas . [18] El 30 de octubre de 2018, la NASA anunció el final de la misión Kepler después de que se determinó que el suministro de combustible se había agotado. [19]
Amanecer
Dawn tuvo un exceso de fricción en una rueda de reacción en junio de 2010, y originalmente estaba programado para partir de Vesta y comenzar su viaje de dos años y medio a Ceres el 26 de agosto de 2012. [20] Sin embargo, un problema con otra de las reacciones de la nave espacial. Las ruedas obligaron a Dawn a retrasar brevemente su salida de la gravedad de Vesta hasta el 5 de septiembre de 2012, y planeó usar propulsores en lugar de las ruedas de reacción durante el viaje de tres años a Ceres. [20] La pérdida de las ruedas de reacción limitó las observaciones de la cámara en el acercamiento a Ceres.
Ver también
- Giroscopio de momento de control
- Sistema de control de reacciones
- Propulsión de naves espaciales
- ROSAT , un satélite perdido cuando se superaron las limitaciones en su envolvente de control
- UTC Aerospace Systems , el propietario de Ithaco Space Systems, Inc., que construyó las desafortunadas ruedas de reacción para (entre otras) las naves espaciales Kepler, Dawn y Hayabusa.
Referencias
- ↑ a b c d e Wiley J Larson y James R Wertz (enero de 1999). Análisis y diseño de misiones espaciales (3 ed.). Prensa de microcosmos. ISBN 1-881883-10-8.
- ^ "Rueda de reacción / impulso" . NASA . Consultado el 15 de junio de 2018 .
- ^ "Control de actitud" . Universität Stuttgart Institut für Raumfahrtsysteme . Consultado el 12 de agosto de 2016 .
- ^ "misión-israels-luna-lanzada-con éxito" .
- ^ "Spaceil-conduce-otra-maniobra-exitosa" .
- ^ "nave espacial financiada por crowdfunding-lightsail-2-se prepara-para-navegar-en-la-luz del sol" .
- ^ W. Bialke, E. Hansell " Una rama recién descubierta del árbol de fallas que explica las fallas y anomalías de la rueda de reacción sistémica ", 2017
- ^ a b "Equipo Hubble: misiones de servicio - Misión de servicio 3B" .
Los astronautas reemplazaron uno de los cuatro conjuntos de ruedas de reacción que componen el sistema de control de apuntamiento del Hubble.
- ^ a b Carré, DJ; Bertrand, PA (1999). "Análisis del lubricante de rueda de reacción del telescopio espacial Hubble". Diario de naves espaciales y cohetes . 36 (1): 109-113. Código bibliográfico : 1999JSpRo..36..109C . doi : 10,2514 / 2,3422 .
- ^ "Giroscopios" . ESA . Consultado el 8 de abril de 2016 .
- ^ "Hayabusa" . NASA . Archivado desde el original el 1 de junio de 2013 . Consultado el 15 de mayo de 2013 .
- ^ Mike Wall (15 de mayo de 2013). "La nave espacial Kepler de caza de planetas sufre un gran fracaso, dice la NASA" . Space.com . Consultado el 15 de mayo de 2013 .
- ^ "NASA pone fin a los intentos de recuperar completamente la nave espacial Kepler, posibles nuevas misiones consideradas" . 15 de agosto de 2013 . Consultado el 15 de agosto de 2013 .
- ^ Overbye, Dennis (15 de agosto de 2013). "Kepler de la NASA remendado, pero puede que nunca se recupere por completo" . New York Times . Consultado el 15 de agosto de 2013 .
- ^ Wall, Mike (15 de agosto de 2013). "Días de caza de planetas de la nave espacial Kepler de la NASA probablemente más" . Space.com . Consultado el 15 de agosto de 2013 .
- ^ "Kepler: NASA retira prolífico telescopio de deberes de caza de planetas" .
- ^ Hunter, Roger. "Actualización de Kepler Mission Manager: señalar los resultados de la prueba" . NASA.gov . NASA . Consultado el 24 de septiembre de 2013 .
- ^ Sobeck, Charlie (16 de mayo de 2014). Johnson, Michele (ed.). "Actualización de Kepler Mission Manager: ¡K2 ha sido aprobado!" . nasa.gov . Funcionario de la NASA: Brian Dunbar; Créditos de la imagen: NASA Ames / W. Stenzel. NASA . Archivado desde el original el 17 de mayo de 2014 . Consultado el 17 de mayo de 2014 .
- ^ Chou, Felicia (30 de octubre de 2018). "NASA retira el telescopio espacial Kepler, pasa la antorcha de caza de planetas" . NASA . Consultado el 16 de noviembre de 2018 .
- ^ a b Cook, Jia-Rui C. (18 de agosto de 2012). "Los ingenieros de Dawn evalúan la rueda de reacción" . NASA / Laboratorio de propulsión a chorro. Archivado desde el original el 15 de marzo de 2015 . Consultado el 22 de enero de 2015 .
enlaces externos
- Sinclair, Doug; Grant, C. Cordell; Zee, Robert E. (2007). "Habilitación de la tecnología de rueda de reacción para el control de actitud de nanosatélites de alto rendimiento" (PDF) .
- "Rueda de reacción en Wolfram Research" . Junio de 2008.
- Markley, F. Landis; Reid G. Reynolds; Frank X. Liu; Kenneth L. Lebsock (2009). "Envolventes de momento y par máximo para matrices de ruedas de reacción" (PDF) .