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¿Cómo apoyarse en el vacío?


"Dame un punto de apoyo, y pondré la Tierra al revés", así que, según la leyenda, dijo Arquímedes, explicando científicamente el principio intuitivo de la palanca. Pero no hay apoyo en el vacío cósmico. Y los satélites necesitan los paneles solares para mirar al Sol, las antenas a la Tierra, la cámara a la parte interesante de Marte y el motor para corregir la órbita al punto exacto en el espacio. Tienes que encontrar algo para apoyarte en el vacío.

Motores de orientación


La opción más obvia es instalar motores pequeños especiales que controlen la orientación del dispositivo: motores de


orientación del módulo lunar Los

motores pueden ser potentes para girar vehículos pesados ​​o girar más rápido, o muy débiles para girar con mucha precisión. Son relativamente livianos y no requieren electricidad cuando no están funcionando. Todo estaría bien, pero para girar, debes gastar combustible, y siempre hay una cantidad limitada. Y los propios motores tienen limitaciones en cuanto al número de arranques y al tiempo total de operación.
Los motores de orientación también se pueden usar para maniobras orbitales, especialmente si se planea el acoplamiento. El motor principal puede empujar el dispositivo solo en una dirección, y con la ayuda de los motores de orientación es posible moverse a lo largo de todos los ejes.

Ventajas:
  • Sencillez.
  • Proporciona orientación en los tres ejes.
  • Masa relativamente pequeña.
  • Flexibilidad: se pueden hacer motores potentes o muy precisos.
  • Se puede utilizar para maniobrar en órbita.
  • Pueden estar fuera por mucho tiempo.

Desventajas
  • El consumo de combustible.
  • Límite en la cantidad de arranques y el tiempo total de operación.
  • Contaminación del entorno del aparato con combustible quemado (puede ser relevante para telescopios).

Los motores de orientación generalmente se usan cuando se requiere un cambio de orientación activo, relativamente raro o de tiempo corto. Por lo tanto, se encuentran en todos los vehículos tripulados, y generalmente se prefieren para estaciones interplanetarias, que vuelan durante meses y años en modo de suspensión, mientras mantienen la orientación construida.


Motores de amarre y orientación para la nave espacial Soyuz en MAKS-2005. Rojo: cubiertas protectoras que se quitan antes del vuelo


Operación de la nave espacial Soyuz durante el acoplamiento con la EEI en reproducción acelerada

Estabilización de rotación


Desde la infancia, todos conocemos la capacidad de la parte superior para mantener una posición erguida. Si gira la nave espacial, se comportará exactamente igual, mientras mantiene la estabilización a lo largo del eje de rotación.



Si la estabilización en un eje nos conviene, no vamos a rotar el dispositivo en diferentes direcciones y tomar fotografías de larga exposición, este método puede ser muy económico.

Ventajas:
  • Sencillez.
  • Rentabilidad: nos relajamos una vez y giramos durante siglos.

Desventajas
  • Estabilización en un solo eje.
  • No gire el dispositivo.
  • La rotación puede interferir con la operación del equipo.

Históricamente, la estabilización por rotación es muy popular entre los estadounidenses. Todas las sondas del programa Pioneer se estabilizaron por rotación. En los primeros dispositivos, esto se hizo debido a la baja capacidad de carga de los misiles: era imposible estabilizar el Pioneer-4 de seis kilogramos de otras maneras utilizando las tecnologías de 1959. La estabilización por rotación de los "Pioneros" -10 y -11 parece una excelente solución: si el movimiento orbital de la Tierra se ajusta al patrón de radiación de la antena, la sonda está constantemente "en contacto", sin gastar un solo gramo de combustible y sin tener miedo de una falla del sistema de orientación. Dos sondas Pioneer-Venus se estabilizaron por rotación, probablemente ya por costumbre: en una de ellas la antena rotó mecánicamente para apuntar a la Tierra, que ya no parece muy racional.
Además de las estaciones interplanetarias, los estadounidenses utilizaron ampliamente el giro de las etapas superiores. En este caso, los bloques de refuerzo de combustible sólido no necesitaban un sistema de orientación separado.


Lanzamiento de un satélite con un refuerzo PAM-D desde el transbordador espacial

Después de la aceleración, fue posible simplemente ralentizar la rotación utilizando la ley de conservación del momento angular ( un ejemplo de ingravidez , un ejemplo de sellos ): pequeñas cargas se desenrollaron en los cables y ralentizaron la rotación del dispositivo .

Volante (rueda de reacción)


Al igual que un gato, que en el otoño gira su cola en la dirección opuesta al giro del cuerpo, la nave espacial puede controlar la orientación utilizando el volante. Por ejemplo, si queremos rotar el dispositivo en sentido horario:
  1. Estado inicial: el aparato es estacionario, el volante es estacionario.
  2. Giramos el volante hacia la izquierda, el dispositivo comienza a girar en sentido horario.
  3. Cuando se gira al ángulo deseado: detenemos la rotación del volante, el dispositivo se detiene.

Si el volante ya está girando, al cambiar su velocidad, podemos crear una fuerza que hace girar el dispositivo. Aquí en este video, puede determinar por el tono de la rotación del volante que al reducir la velocidad de rotación (sonido más bajo) se crea una fuerza que gira la plataforma en el sentido de las agujas del reloj, aumentando la velocidad (sonido más alto) está en contra



El uso de los volantes le permite girar con gran precisión y no desperdiciar combustible valioso. Pero, como cualquier otro sistema técnico, los volantes tienen sus inconvenientes. En primer lugar, un volante puede rotar el dispositivo a lo largo de un solo eje. Para controlar completamente la orientación del dispositivo, necesita tres volantes. Y dada la necesidad de redundancia, seis o más. Además, la velocidad de rotación es directamente proporcional a la masa del volante y su velocidad de rotación e inversamente proporcional a la masa del aparato. En términos simples, cuanto mayor sea la masa del aparato, más pesados ​​deberían ser los volantes. Además, cualquier volante tiene una velocidad máxima de rotación y puede explotar si se desenrolla más. Y si la fuerza perturbadora actúa sobre el dispositivo en una dirección, el volante finalmente alcanzará la velocidad máxima,y deberás descargarlo con algún otro sistema. Y finalmente, como cualquier mecánico, el volante se desgasta con el tiempo y puede fallar.

Ventajas:
  • No requiere consumo de combustible.
  • Le permite apuntar con mucha precisión el dispositivo.

Desventajas
  • Inadecuado para maniobras activas, la rotación es relativamente lenta.
  • Se requiere otro sistema de orientación para descargar los volantes.
  • Con el tiempo, se desgastan y fallan.
  • Cada eje necesita al menos un volante.

Los volantes son muy beneficiosos si a menudo tenemos que redirigir el dispositivo sin cambiar su órbita. Por lo tanto, los volantes están en telescopios orbitales. Por ejemplo, el Hubble tiene cuatro volantes, que proporcionan un control redundante en dos ejes. El Hubble no tiene la tarea de rotar alrededor de su eje, por lo que los volantes se usan para rotar el telescopio "arriba / abajo" y "izquierda / derecha".


Uno de los volantes del telescopio Hubble

Gyrodin (giroscopio de momento de control)


La propiedad de la parte superior para mantener una posición vertical se puede utilizar de otra manera: puede confiar en ella:



Si coloca dicha parte superior en un sistema de suspensión, puede "confiar" en ella y girar en la dirección correcta. Dichos diseños se denominan giroscopios de fuerza o girodinámica. La principal diferencia entre un gyrodin y un volante es que el volante está montado rígidamente en un eje y controla la orientación cambiando la velocidad de su rotación. Gyrodin se instala en una suspensión, que puede girar en uno o varios planos, y no puede cambiar la velocidad de su rotación. En este video, el movimiento de la suspensión es claramente visible, a pesar de que el tono del gyrodin no cambia.



En términos de funcionalidad, gyrodin es un volante "avanzado". Los gyrodines son más efectivos que los volantes convencionales, pero también son más difíciles. Pueden controlar la orientación de dispositivos mucho más pesados, pero comparten las ventajas y desventajas de los volantes. Este video muestra que los gyrodines, como los volantes, necesitan descargarse: cuando el eje de suspensión ya no puede girar, la bicicleta comienza a caer:



Ventajas:
  • Igual que el volante.
  • Más eficaz que un volante de inercia: un girodin de la misma masa puede controlar la orientación de un aparato mucho más pesado.

Desventajas
  • Igual que el volante.
  • Más duro que el volante.

Gyrodins, debido a su eficacia, se utilizan en estaciones orbitales. Por ejemplo, en la EEI hay cuatro girodinios de 300 kg cada uno.


ISS reemplazo de gyrodin

Sistema de orientación electromagnética


El campo magnético de la Tierra es capaz de girar la aguja de la brújula, lo que significa que esta fuerza se puede utilizar para controlar la orientación de la nave espacial. Si coloca imanes permanentes en el satélite, la fuerza de actuación será incontrolable. Y si coloca bobinas solenoides, al aplicarles corriente, puede crear el momento de control deseado:



Tres solenoides montados en planos perpendiculares le permiten controlar la orientación del satélite a lo largo de los tres ejes. Más precisamente, proporcionan un buen control en dos ejes, tratando de instalar el dispositivo como una aguja de brújula. El control a lo largo del tercer eje se proporciona cambiando la dirección del campo magnético de la Tierra cuando el vehículo está volando en órbita.



La orientación electromagnética puede no ser precisa debido a fluctuaciones aleatorias en el campo magnético de la Tierra, y su efectividad disminuye con la altura. Y en general, las fuerzas creadas por los solenoides son pequeñas. Además, su uso se limita a los cuerpos celestes con un campo magnético suficientemente fuerte, por ejemplo, en la órbita de Marte, son prácticamente inútiles. Pero los solenoides no contienen partes móviles, no gastan combustible y son energéticamente eficientes.

Ventajas:
  • Sencillez.
  • No requieren combustible.
  • Peso ligero
  • No contienen partes móviles y prácticamente no se desgastan.

Desventajas
  • Pequeñas fuerzas de control.
  • Baja exactitud.
  • Se requiere un campo magnético para el cuerpo celeste, alrededor del cual gira el aparato.
  • La eficiencia depende de la altura.

La orientación electromagnética se utiliza como la principal en cubsats y otros dispositivos pequeños. También se usa a menudo para descargar volantes o giroscopios. Por ejemplo, el telescopio Hubble utiliza volantes como el sistema de orientación principal y los descarga con un sistema electromagnético.


Un ejemplo de un solenoide para naves espaciales. El sitio web del fabricante afirma que más de 80 solenoides ya están instalados en varios satélites.

Estabilización de la gravedad


La atracción de dos cuerpos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Por lo tanto, si nuestro satélite presenta un poste largo con una carga, la "pesa" resultante tenderá a ocupar una posición vertical cuando su parte inferior sea atraída hacia la Tierra un poco más que la superior. Aquí hay una simulación por computadora de 1963 (!) Que muestra este efecto:



En la primera parte del video, el satélite está en una posición estable a lo largo del eje hacia la Tierra. En realidad, las perturbaciones aleatorias alterarán el equilibrio perfecto y el satélite oscilará alrededor de su eje, por lo que, por lo general, dichos sistemas se complementan con un amortiguador. Un recipiente pequeño con líquido convertirá la energía vibracional en calor y "calmará" el satélite.

Ventajas:
  • Sistema muy simple.
  • La orientación se construye pasivamente, sin un sistema de control.

Desventajas
  • La orientación se construye lentamente debido a la debilidad de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.
  • Baja exactitud.
  • Solo un tipo de orientación: eje hacia el centro de la tierra.
  • El efecto cae con la altura.
  • El satélite puede rodar boca abajo en relación con la orientación deseada.

El sistema de orientación gravitacional se utiliza principalmente en dispositivos pequeños que no requieren una estabilización precisa. Es adecuado para algunos tipos de cubsats; también, por ejemplo, el satélite Yubileiny estaba equipado con él:



Estabilización aerodinámica


Las huellas de la atmósfera de la Tierra también se notan a más de cien kilómetros, y la alta velocidad de los satélites significa que estarán más inhibidas. Por lo general, esta fuerza es un gran obstáculo, porque los satélites se ralentizan bastante rápido, descienden aún más y se queman en capas densas de la atmósfera. Pero, sin embargo, es una fuerza que siempre actúa contra el vector de velocidad orbital, y puede usarse. Los primeros experimentos se realizaron en los años 60. Aquí, por ejemplo, el Cosmos-149 doméstico, lanzado en 1967:



órbita baja, donde las fuerzas aerodinámicas son máximas, un lugar inhóspito. Pero a veces es necesario estar allí para una mayor precisión de las mediciones. Se usó una solución muy hermosa en el satélite GOCEquien estudió el campo gravitacional de la Tierra. Una órbita baja (~ 260 km) hizo efectivo el sistema de estabilización aerodinámica, y para evitar que el satélite se quemara demasiado rápido, fue constantemente acelerado por un pequeño motor de iones. El dispositivo resultante no se parece mucho a los satélites habituales, incluso alguien lo llamó "satélite de Ferrari":



gracias al motor de iones, GOCE pudo trabajar de 2009 a 2013, creando el mapa gravitacional más detallado de la Tierra.

Ventajas:
  • La potencia aerodinámica es gratuita y no requiere un sistema de control especial.


Desventajas
  • Se debe hacer algo para que el satélite no se queme rápidamente en las densas capas de la atmósfera.
  • La fuerza depende de la altura.
  • Solo es posible la orientación de un eje.


Vela solar


Para construir la orientación, aún puede usar la presión de la luz solar . La vela solar generalmente se considera una forma de movimiento, pero el Sol también actuará en un satélite de forma compleja con antenas y paneles solares. Esto puede considerarse como un obstáculo para otros sistemas de orientación o, si los desarrolladores calcularon los momentos de fuerza por adelantado, esto puede usarse para ayudar a construir la orientación del satélite. Ya en 1973, la sonda Mariner-10, que fue a Venus y Mercurio, utilizó presión solar para construir la orientación del dispositivo. Inspira la inventiva del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial- cuando dos de los cuatro volantes fallaron en el telescopio Kepler, el laboratorio desarrolló un método para construir la orientación utilizando los dos volantes restantes y la presión solar para que el telescopio examinara secuencialmente cuatro secciones de espacio por año:



el proyecto ruso Regatta-Plasma , desarrollado en 90 x años Con la ayuda de una vela estabilizadora solar y timones giratorios, el aparato ocupó una posición en dirección al Sol y, si fuera necesario, podría retorcerse:



incluso ahora, un sistema de este tipo sería único y muy interesante, es una pena que el proyecto se haya cerrado.

Ventajas:
  • Presión solar absolutamente libre.

Desventajas
  • No se puede construir una orientación arbitraria a lo largo de tres ejes.
  • No funciona a la sombra, lo cual es importante, por ejemplo, para una órbita terrestre baja.


Conclusión


Para las fuerzas que dependen de la altitud de vuelo, hay un gráfico aproximado:



otro video con sellos y girodinios reales de la NASA.
Un video más complejo sobre el mismo tema es "Diseño de un sistema de orientación y estabilización" de la comunidad "Su sector espacial".

Con la etiqueta "Dificultades invisibles", las publicaciones sobre motores, combustible, tanques, estructuras de arranque y similares son interesantes, pero no muy notables debido a su familiaridad.

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