magnetorque

Un magnetorquer o par magnético (también conocido como barra de torsión ) es un sistema satelital para el control de actitud , la corrección de vuelcos y la estabilización, construido a partir de bobinas electromagnéticas . El magnetorquer crea un dipolo magnético que interactúa con un campo magnético ambiental, generalmente el de la Tierra , de modo que las fuerzas opuestas producidas proporcionan un par útil .

Los magnetorquers son conjuntos de electroimanes dispuestos para generar un campo magnético asimétrico rotacionalmente ( anisotrópico ) sobre una superficie extensa. Este campo se controla activando o desactivando el flujo de corriente a través de las bobinas, generalmente mediante un sistema de retroalimentación computarizado . Los imanes están anclados mecánicamente a la nave, de modo que cualquier fuerza magnética que ejerzan sobre el campo magnético circundante genera una fuerza magnética inversa, resultando en un par mecánico alrededor del centro de gravedad de la nave . Esto permite girar libremente la nave dentro de un gradiente local conocido del campo magnético utilizando únicamente energía eléctrica.

El dipolo magnético generado por el magnetorquer se expresa mediante la fórmula

${\displaystyle \mathbf {m} =nI\mathbf {A},}$

donde n es el número de vueltas del cable, I es la corriente suministrada y A es el área vectorial de la bobina. El dipolo interactúa con el campo magnético generando un par motor.

${\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}=\mathbf {m} \times \mathbf {B} ,}$

donde m es el vector del dipolo magnético, B el vector del campo magnético (para una nave espacial es el vector del campo magnético terrestre) y τ es el vector del par generado.

La construcción de un magnetorquer se basa en la realización de una bobina con un área definida y un número de espiras según las prestaciones requeridas. Sin embargo, existen diferentes maneras de obtener la bobina; por lo tanto, dependiendo de la estrategia de construcción, es posible encontrar tres tipos de magnetorquer, aparentemente muy diferentes entre sí pero basados ​​en el mismo concepto: ^{[ 1 ]}

magnetorquer de núcleo de aire

Esto comprende el concepto básico de magnetorquer, un cable conductor enrollado alrededor de un soporte no conductor anclado al satélite. Este tipo de magnetorquer puede proporcionar un dipolo magnético constante con una masa y un peso aceptables.

bobina incrustada

Este diseño se construye creando una pista en espiral dentro de las placas de circuito impreso de los paneles solares, lo que genera el efecto de bobina. Esta solución es la que menos impacto tiene en el satélite, ya que está completamente integrada en los paneles solares. Sin embargo, debido a la limitación física del grosor de la placa y a la presencia de otros circuitos y componentes electrónicos, no es posible alcanzar un valor elevado del dipolo magnético.

Barra de torsión

Esta es la solución más eficiente. Un hilo conductor se enrolla alrededor de un núcleo ferromagnético que se magnetiza al ser excitado por la bobina, generando así un dipolo considerablemente mayor que en las otras soluciones. Sin embargo, la desventaja radica en la presencia de un dipolo magnético residual que persiste incluso al apagar la bobina, debido a la histéresis en la curva de magnetización del núcleo. Por lo tanto, es necesario desmagnetizar el núcleo mediante un procedimiento adecuado. Normalmente, la presencia del núcleo (generalmente de metal pesado) aumenta la masa del sistema.

Normalmente se utilizan tres bobinas, aunque configuraciones reducidas de dos o incluso un imán pueden ser suficientes cuando no se requiere un control de actitud completo o cuando fuerzas externas como la resistencia asimétrica permiten un control subactuado . El conjunto de tres bobinas suele adoptar la forma de tres bobinas perpendiculares, ya que esta configuración iguala la simetría rotacional de los campos que se pueden generar; independientemente de la posición del campo externo y de la nave entre sí, siempre se puede generar aproximadamente el mismo par simplemente utilizando diferentes cantidades de corriente en las tres bobinas.

Mientras haya corriente eléctrica pasando por las bobinas y la nave espacial aún no se haya estabilizado en una orientación fija con respecto al campo externo, la nave seguirá girando.

Los magnetorquers son ligeros, fiables y energéticamente eficientes. A diferencia de los propulsores convencionales , no requieren propelente desechable , por lo que, en teoría, podrían funcionar indefinidamente siempre que haya suficiente energía disponible para igualar la carga resistiva de las bobinas. En órbita terrestre, la luz solar es una de esas fuentes de energía prácticamente inagotables, gracias al uso de paneles solares .

Otra ventaja sobre las ruedas de inercia y los giroscopios de momento de control es la ausencia de piezas móviles , lo que se traduce en una fiabilidad significativamente mayor.

La principal desventaja de los magnetorquers es que se necesitan densidades de flujo magnético muy altas si se requiere girar rápidamente naves grandes. Esto exige una corriente muy alta en las bobinas o densidades de flujo ambiental mucho mayores que las disponibles en órbita terrestre . En consecuencia, los pares proporcionados son muy limitados y solo sirven para acelerar o desacelerar el cambio de actitud de una nave espacial en pequeñas cantidades. Con el tiempo, el control activo puede producir giros rápidos incluso en la Tierra, pero para un control y estabilización de actitud precisos, los pares proporcionados suelen ser insuficientes. Para superar esto, los magnetorquers se suelen combinar con ruedas de reacción .

Una desventaja más amplia es la dependencia de la intensidad del campo magnético terrestre, lo que hace que este enfoque no sea adecuado para misiones en el espacio profundo, y también más apropiado para órbitas terrestres bajas en comparación con órbitas más altas como la geosíncrona . La dependencia de la intensidad altamente variable del campo magnético terrestre es problemática porque entonces el problema del control de actitud se vuelve altamente no lineal . También es imposible controlar la actitud en los tres ejes incluso si se utilizan las tres bobinas completas, porque el par solo se puede generar perpendicularmente al vector del campo magnético terrestre. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Cualquier satélite en rotación fabricado con un material conductor perderá momento angular en el campo magnético terrestre debido a la generación de corrientes parásitas en su interior y a la correspondiente fuerza de frenado proporcional a su velocidad de rotación. ^{[ 5 ]} Las pérdidas por fricción aerodinámica también pueden influir. Esto implica que el magnetorquer deberá funcionar de forma continua y a un nivel de potencia suficiente para contrarrestar las fuerzas de resistencia presentes. Esto no siempre es posible dentro de las limitaciones energéticas de la nave.

El Laboratorio de Exploración de Michigan (MXL) sospecha que el CubeSat M-Cubed , un proyecto conjunto del MXL y el JPL , se unió magnéticamente al Explorer-1 Prime , un segundo CubeSat lanzado simultáneamente, mediante potentes imanes a bordo utilizados para el control pasivo de la actitud, tras su despliegue el 28 de octubre de 2011. ^{[ 6 ]} Este es el primer caso de acoplamiento no destructivo de dos satélites. ^{[ 7 ]}

• Estabilización por gradiente gravitatorio , una técnica de estabilización pasiva.