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Como se apoiar no vazio?


“Dê-me um ponto de apoio e eu virei a Terra de cabeça para baixo” - então, segundo a lenda, disse Arquimedes, explicando cientificamente o princípio intuitivo da alavanca. Mas não há suporte no vácuo cósmico. E os satélites precisam que os painéis solares olhem para o Sol, as antenas para a Terra, a câmera para a parte interessante de Marte e o mecanismo para corrigir a órbita no ponto exato do espaço. Você tem que inventar algo para se apoiar no vazio.

Motores de orientação


A opção mais óbvia é colocar pequenos motores especiais que controlam a orientação do dispositivo: Motores de


orientação do módulo lunar Os

motores podem ser potentes para girar veículos pesados ​​ou girar mais rápido, ou muito fracos para girar com precisão. Eles são relativamente leves e não precisam de eletricidade quando não estão funcionando. Tudo ficaria bem, mas, para virar, você precisa gastar combustível e sempre há uma quantidade limitada. E os próprios motores têm limitações no número de partidas e no tempo total de operação.
Os motores de orientação também podem ser usados ​​para manobras orbitais, especialmente se o acoplamento estiver planejado. O motor principal pode empurrar o dispositivo apenas em uma direção e, com a ajuda dos motores de orientação, é possível mover-se ao longo de todos os eixos.

Vantagens:
  • Simplicidade.
  • Fornece orientação nos três eixos.
  • Massa relativamente pequena.
  • Flexibilidade: motores potentes ou muito precisos podem ser fabricados.
  • Pode ser usado para manobras em órbita.
  • Eles podem ficar fora por um longo tempo.

Desvantagens:
  • Consumo de combustível.
  • Limite do número de partidas e do tempo total de operação.
  • A contaminação dos arredores do aparelho com combustível queimado (pode ser relevante para telescópios).

Os motores de orientação são geralmente usados ​​onde é necessária uma mudança de orientação ativa, relativamente rara ou com curto espaço de tempo. Portanto, eles estão em todos os veículos tripulados e geralmente são preferidos para estações interplanetárias, que voam por meses e anos no modo de suspensão, mantendo a orientação construída.


Motores de amarração e orientação para a sonda Soyuz na MAKS-2005. Vermelho - capas protetoras que são removidas antes do voo


Operação da sonda Soyuz durante o acoplamento com a ISS em reprodução acelerada

Estabilização de rotação


Desde a infância, todos sabemos a capacidade do topo de manter uma posição vertical. Se você girar a espaçonave, ela se comportará exatamente da mesma maneira, mantendo a estabilização ao longo do eixo de rotação.



Se a estabilização em um eixo nos convém, não vamos girar o dispositivo em direções diferentes e tirar fotografias de longa exposição, esse método pode ser muito econômico.

Vantagens:
  • Simplicidade.
  • Rentabilidade - nós relaxamos uma vez e giramos por séculos.

Desvantagens:
  • Estabilização apenas em um eixo.
  • Não gire o dispositivo.
  • A rotação pode interferir na operação do equipamento.

Historicamente, a estabilização por rotação é muito popular entre os americanos. Todas as sondas do programa Pioneer foram estabilizadas por rotação. Nos primeiros dispositivos, isso foi feito devido à baixa capacidade de carga dos mísseis - era impossível estabilizar o Pioneer-4 de seis quilogramas de outras maneiras, usando as tecnologias de 1959. A estabilização por rotação dos "Pioneiros" -10 e -11 parece uma excelente solução - se o movimento orbital da Terra se encaixar no padrão de radiação da antena, a sonda está constantemente "em contato", sem gastar um único grama de combustível e sem ter medo de uma falha no sistema de orientação. Duas sondas Pioneer-Venus foram estabilizadas por rotação, provavelmente já por hábito - em uma delas a antena girava mecanicamente para mirar na Terra, que não parece mais muito racional.
Além das estações interplanetárias, os americanos usaram amplamente o giro dos estágios superiores. Nesse caso, os blocos auxiliares de combustível sólido não precisavam de um sistema de orientação separado.


Lançamento de um satélite com um amplificador PAM-D a partir do ônibus espacial

Após a aceleração, foi possível simplesmente desacelerar a rotação usando a lei de conservação do momento angular ( um exemplo de leveza , um exemplo de vedações ) - pequenas cargas foram desenroladas nos cabos e retardaram a rotação do dispositivo .

Volante (roda de reação)


Assim como um gato, que no outono torce a cauda na direção oposta à curva do corpo, a sonda pode controlar a orientação usando o volante. Por exemplo, se quisermos girar o dispositivo no sentido horário:
  1. Estado inicial: o aparelho está parado, o volante está parado.
  2. Giramos o volante no sentido anti-horário, o dispositivo começa a girar no sentido horário.
  3. Quando girado no ângulo desejado: paramos a rotação do volante, o dispositivo para.

Se o volante do motor já estiver girando, alterando sua velocidade, podemos criar uma força que gira o dispositivo. Aqui neste vídeo, você pode determinar, pelo tom da rotação do volante, que diminuir a velocidade de rotação (som mais baixo) cria uma força que gira a plataforma no sentido horário, aumentando a velocidade (som mais alto) é contra:



O uso dos volantes permite girar com alta precisão e não desperdiçar combustível precioso. Mas, como qualquer outro sistema técnico, os volantes têm suas desvantagens. Primeiro de tudo, um volante pode girar o dispositivo ao longo de apenas um eixo. Para controlar totalmente a orientação do dispositivo, você precisa de três volantes. E, dada a necessidade de redundância, seis ou mais. Além disso, a velocidade de rotação é diretamente proporcional à massa do volante e sua velocidade de rotação e inversamente proporcional à massa do aparelho. Em termos simples, quanto maior a massa do aparelho, mais pesados ​​devem ser os volantes. Além disso, qualquer volante tem uma velocidade máxima de rotação e pode estourar se for desenrolada mais. E se a força perturbadora atuar no dispositivo em uma direção, o volante atingirá a velocidade máxima,e você precisará descarregá-lo com outro sistema. E, finalmente, como qualquer mecânico, o volante se desgasta com o tempo e pode falhar.

Vantagens:
  • Não requer consumo de combustível.
  • Permite apontar com precisão o dispositivo.

Desvantagens:
  • Inadequado para manobras ativas, a rotação é relativamente lenta.
  • É necessário outro sistema de orientação para descarregar os volantes do motor.
  • Com o tempo, eles se desgastam e falham.
  • Cada eixo precisa de pelo menos um volante.

Os volantes são muito benéficos se precisarmos redirecionar o dispositivo sem alterar sua órbita. Portanto, os volantes estão em telescópios orbitais. Por exemplo, o Hubble possui quatro volantes, fornecendo controle redundante em dois eixos. O Hubble não tem tarefa de girar em torno de seu eixo; portanto, os volantes são usados ​​para girar o telescópio "para cima / para baixo" e "esquerda / direita".


Um dos volantes do telescópio Hubble

Gyrodin (giroscópio do momento de controle)


A propriedade da parte superior para manter uma posição vertical pode ser usada de outra maneira - você pode confiar nela:



Se você colocar uma tampa desse tipo em um sistema de suspensão, poderá "confiar" nela, virar na direção certa. Tais projetos são chamados giroscópios de força ou girodinâmica. A principal diferença entre um gyrodin e um volante é que o volante é montado rigidamente em um eixo e controla a orientação, alterando a velocidade de sua rotação. O Gyrodin é instalado em uma suspensão, que pode girar em um ou vários planos e não pode alterar a velocidade de sua rotação. Neste vídeo, o movimento da suspensão é claramente visível, apesar de o tom do gyrodin não mudar.



Em termos de funcionalidade, o gyrodin é um volante "avançado". Os girodinos são mais eficazes que os volantes convencionais, mas também mais difíceis. Eles podem controlar a orientação de dispositivos muito mais pesados, mas compartilham as vantagens e desvantagens dos volantes. Este vídeo mostra que os girodinos, como os volantes, precisam ser descarregados - quando o eixo da suspensão não pode mais girar, a bicicleta começa a cair:



Vantagens:
  • Igual ao volante.
  • Mais eficaz que um volante - um girodino da mesma massa pode controlar a orientação de um aparelho muito mais pesado.

Desvantagens:
  • Igual ao volante.
  • Mais duro que o volante.

Os girodins, devido à sua eficácia, são utilizados em estações orbitais. Por exemplo, na ISS existem quatro girodinos de 300 kg cada.


Substituição de ISS girodina

Sistema de orientação eletromagnética


O campo magnético da Terra é capaz de girar a agulha da bússola, o que significa que essa força pode ser usada para controlar a orientação da espaçonave. Se você colocar ímãs permanentes no satélite, a força de atuação será incontrolável. E se você colocar bobinas solenóides, aplicando corrente a elas, poderá criar o momento de controle desejado:



Três solenóides montados em planos perpendiculares permitem controlar a orientação do satélite ao longo dos três eixos. Mais precisamente, eles fornecem um bom controle em dois eixos, tentando instalar o dispositivo como uma agulha de bússola. O controle ao longo do terceiro eixo é fornecido alterando a direção do campo magnético da Terra quando o veículo está voando em órbita.



A orientação eletromagnética pode não ser precisa devido a flutuações aleatórias no campo magnético da Terra e sua eficácia diminui com a altura. E, em geral, as forças criadas pelos solenóides são pequenas. Além disso, seu uso é limitado a corpos celestes com um campo magnético suficientemente forte; por exemplo, na órbita de Marte, eles são praticamente inúteis. Mas os solenóides não contêm partes móveis, não gastam combustível e são eficientes em termos energéticos.

Vantagens:
  • Simplicidade.
  • Não precisa de combustível.
  • Peso leve.
  • Eles não contêm peças móveis e praticamente não se desgastam.

Desvantagens:
  • Pequenas forças de controle.
  • Baixa precisão.
  • Um campo magnético é necessário para o corpo celeste, ao redor do qual o aparelho gira.
  • A eficiência depende da altura.

A orientação eletromagnética é usada como principal em cubsats e outros pequenos dispositivos. Também é frequentemente usado para descarregar volantes ou girodinos. Por exemplo, o telescópio Hubble usa volantes como o principal sistema de orientação e os descarrega com um sistema eletromagnético.


Um exemplo de um solenóide para naves espaciais. O site do fabricante alega que mais de 80 solenóides já estão instalados em vários satélites.

Estabilização da gravidade


A atração de dois corpos é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. Portanto, se o nosso satélite apresentar um poste longo com carga, o "haltere" resultante tenderá a ocupar uma posição vertical quando sua parte inferior for atraída para a Terra um pouco mais do que a parte superior. Aqui está uma simulação de computador de 1963 (!) Mostrando este efeito:



Na primeira parte do vídeo, o satélite está em uma posição estável ao longo do eixo da Terra. Na realidade, distúrbios aleatórios atrapalharão o equilíbrio perfeito, e o satélite oscilará em torno de seu eixo; portanto, esses sistemas geralmente são complementados com um amortecedor. Um pequeno recipiente com líquido transforma a energia vibracional em calor e "acalma" o satélite.

Vantagens:
  • Sistema muito simples.
  • A orientação é construída passivamente, sem um sistema de controle.

Desvantagens:
  • A orientação é construída lentamente devido à fraqueza das forças que atuam no corpo.
  • Baixa precisão.
  • Apenas um tipo de orientação - eixo em direção ao centro da terra.
  • O efeito cai com a altura.
  • O satélite pode rolar de cabeça para baixo em relação à orientação desejada.

O sistema de orientação gravitacional é usado principalmente em pequenos dispositivos que não requerem estabilização precisa. É adequado para alguns tipos de cubsats; também, por exemplo, o satélite Yubileiny foi equipado com ele:



Estabilização aerodinâmica


Traços da atmosfera da Terra também são perceptíveis acima de cem quilômetros, e a alta velocidade dos satélites significa que eles serão mais inibidos. Normalmente, essa força é um grande obstáculo, porque os satélites desaceleram rapidamente, diminuem ainda mais e queimam em camadas densas da atmosfera. Mas, no entanto, é uma força que sempre age contra o vetor de velocidade orbital e pode ser usada. Os primeiros experimentos foram realizados nos anos 60. Aqui, por exemplo, o Cosmos-149 doméstico, lançado em 1967:



Órbita baixa, onde as forças aerodinâmicas são máximas, um lugar inóspito. Mas, às vezes, é necessário estar presente para maior precisão das medições. Uma solução muito bonita foi usada no satélite GOCEque estudaram o campo gravitacional da Terra. Uma órbita baixa (~ 260 km) tornou eficaz o sistema de estabilização aerodinâmica e, para impedir que o satélite se queimasse muito rapidamente, era constantemente acelerado por um pequeno motor de íons. O dispositivo resultante não é muito parecido com os satélites comuns, alguém até o chamou de "Ferrari via satélite":



graças ao mecanismo de íons, o GOCE conseguiu trabalhar de 2009 a 2013, fazendo o mapa gravitacional mais detalhado da Terra.

Vantagens:
  • A energia aerodinâmica é livre e não requer um sistema de controle especial.


Desvantagens:
  • Algo deve ser feito para que o satélite não se queime rapidamente nas densas camadas da atmosfera.
  • A força depende da altura.
  • Somente a orientação de um eixo é possível.


Vela solar


Para criar a orientação, você ainda pode usar a pressão da luz solar . A vela solar é geralmente considerada como uma forma de movimento, mas o Sol também atuará em um satélite de formato complexo com antenas e painéis solares. Isso pode ser considerado um obstáculo para outros sistemas de orientação ou, se os desenvolvedores calcularam os momentos de força com antecedência, isso pode ser usado para ajudar a construir a orientação do satélite. Já em 1973, a sonda Mariner-10, que foi a Vênus e Mercúrio, usou a pressão solar para construir a orientação do dispositivo. Inspira a inventividade do Laboratório de Física Atmosférica e Espacial- quando dois dos quatro volantes falharam no telescópio Kepler, o laboratório desenvolveu um método para construir a orientação usando os dois volantes restantes e a pressão solar, de modo que o telescópio examinasse sequencialmente quatro seções de espaço por ano:



O projeto Regatta-Plasma russo , desenvolvido em 90 x anos. Com a ajuda de uma vela estabilizadora solar e lemes rotativos, o aparelho ocupava uma posição na direção do Sol e poderia ser torcido, se necessário:



mesmo agora, esse sistema seria único e muito interessante, é uma pena que o projeto tenha sido fechado.

Vantagens:
  • Pressão solar absolutamente livre.

Desvantagens:
  • Você não pode construir uma orientação arbitrária ao longo de três eixos.
  • Não funciona na sombra, o que é importante, por exemplo, para uma órbita terrestre baixa.


Conclusão


Para forças que dependem da altitude de vôo, há um gráfico aproximado:



Outro vídeo com focas e girodênios reais da NASA.
Um vídeo mais complexo sobre o mesmo tópico é "Projetando um sistema de orientação e estabilização" da comunidade "Seu setor espacial".

Com a tag “Dificuldades invisíveis”, as publicações sobre motores, combustível, tanques, estruturas de partida e afins são interessantes, mas não muito visíveis devido à sua familiaridade.

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