Determinación y control de la actitud de la nave espacial

La estabilización por rotación se logra haciendo girar la nave espacial, utilizando la acción giroscópica de la masa giratoria como mecanismo estabilizador. Los propulsores del sistema de propulsión se activan solo ocasionalmente para realizar los cambios deseados en la velocidad de rotación o en la actitud estabilizada. Si se desea, la rotación puede detenerse mediante el uso de propulsores o mediante un sistema de desrotación tipo yo-yo . Las sondas Pioneer 10 y Pioneer 11 en el sistema solar exterior son ejemplos de naves espaciales estabilizadas por rotación. ^{[ 2 ]}

La estabilización en tres ejes es un método alternativo de control de actitud de las naves espaciales en el que la nave se mantiene fija en la orientación deseada sin ninguna rotación.

• Un método consiste en utilizar pequeños propulsores para mover continuamente la nave espacial hacia adelante y hacia atrás dentro de un margen de error de actitud permitido. Los propulsores también pueden denominarse sistemas de control de expulsión de masa (MEC) ^{[ 3 ]} o sistemas de control de reacción (RCS). Las sondas espaciales Voyager 1 y Voyager 2 emplean este método y, a julio de 2015, habían consumido aproximadamente tres cuartas partes ^{[ 4 ]} de sus 100  kg de propulsor.
• Otro método para lograr la estabilización en tres ejes consiste en utilizar ruedas de reacción eléctricas , también llamadas ruedas de impulso, que se montan en tres ejes ortogonales a bordo de la nave espacial. Estas ruedas permiten el intercambio de momento angular entre la nave y las ruedas. Para rotar el vehículo sobre un eje determinado, la rueda de reacción en ese eje se acelera en la dirección opuesta. Para que el vehículo vuelva a su posición original, la rueda se desacelera. El exceso de momento que se acumula en el sistema debido a pares externos, como la presión de los fotones solares o los gradientes gravitatorios , debe eliminarse ocasionalmente aplicando un par controlado a la nave espacial para que las ruedas alcancen la velocidad deseada bajo control informático. Esto se realiza durante maniobras denominadas desaturación o descarga de momento. La mayoría de las naves espaciales utilizan un sistema de propulsores para aplicar el par en las maniobras de desaturación. El Telescopio Espacial Hubble , que contaba con ópticas sensibles susceptibles de contaminarse con los gases de escape de los propulsores, empleó un enfoque diferente y, en su lugar, utilizó actuadores magnéticos para las maniobras de desaturación.

Tanto la estabilización por giro como la estabilización en tres ejes presentan ventajas y desventajas. Las naves estabilizadas por giro proporcionan un movimiento de barrido continuo, deseable para instrumentos de campo y partículas, así como para algunos instrumentos de escaneo óptico. Sin embargo, pueden requerir sistemas complejos para detener la rotación de antenas o instrumentos ópticos que deben apuntar a objetivos para observaciones científicas o comunicaciones con la Tierra. Las naves controladas en tres ejes pueden apuntar instrumentos ópticos y antenas sin necesidad de detener su rotación, pero pueden requerir maniobras de rotación especiales para optimizar el uso de sus instrumentos de campo y partículas. Si se utilizan propulsores para la estabilización rutinaria, las observaciones ópticas, como la obtención de imágenes, deben diseñarse teniendo en cuenta que la nave se balancea lentamente de un lado a otro, y no siempre de forma predecible. Las ruedas de reacción proporcionan una nave mucho más estable para realizar observaciones, pero aumentan la masa de la nave, tienen una vida útil mecánica limitada y requieren maniobras frecuentes de desaturación de momento, lo que puede perturbar las soluciones de navegación debido a las aceleraciones generadas por el uso de propulsores.

Los propulsores Vernier son los actuadores más comunes, ya que también pueden usarse para mantener la posición. Los propulsores deben estar organizados como un sistema para proporcionar estabilización en los tres ejes, y generalmente se usan al menos dos propulsores en cada eje para proporcionar un par de torsión y evitar así impartir una traslación al vehículo. Sus limitaciones son el consumo de combustible, el desgaste del motor y los ciclos de las válvulas de control. La eficiencia de combustible de un sistema de control de actitud está determinada por su impulso específico (proporcional a la velocidad de escape) y el impulso de par mínimo que puede proporcionar (lo que determina con qué frecuencia deben dispararse los propulsores para proporcionar un control preciso). Los propulsores deben dispararse en una dirección para iniciar la rotación, y de nuevo en la dirección opuesta si se quiere mantener una nueva orientación. Los sistemas de propulsión se han utilizado en la mayoría de los vehículos espaciales tripulados, incluidos Vostok , Mercury , Gemini , Apollo , Soyuz y el transbordador espacial .

Para minimizar la limitación de combustible en la duración de la misión, se pueden utilizar sistemas auxiliares de control de actitud para reducir la rotación del vehículo a niveles más bajos, como pequeños propulsores iónicos que aceleran eléctricamente gases ionizados a velocidades extremas, utilizando energía de células solares.

Las ruedas de inercia son rotores accionados por motores eléctricos diseñados para girar en la dirección opuesta a la necesaria para reorientar el vehículo. Debido a que las ruedas de inercia representan una pequeña fracción de la masa de la nave espacial y están controladas por computadora, proporcionan un control preciso. Generalmente, las ruedas de inercia se suspenden sobre cojinetes magnéticos para evitar la fricción y los problemas de avería. ^{[ 5 ]} Las ruedas de reacción de las naves espaciales suelen utilizar cojinetes de bolas mecánicos.

Para mantener la orientación en el espacio tridimensional se debe utilizar un mínimo de tres ruedas de reacción, ^{[ 6 ]} con unidades adicionales que proporcionan protección contra fallas individuales. Véase ángulos de Euler .

Se trata de rotores que giran a velocidad constante, montados sobre cardanes para proporcionar control de actitud. Aunque un CMG proporciona control sobre los dos ejes ortogonales al eje de giro del giroscopio, el control triaxial aún requiere dos unidades. Un CMG es algo más caro en términos de costo y masa, ya que se deben proporcionar los cardanes y sus motores de accionamiento. El par máximo (pero no el cambio máximo de momento angular) ejercido por un CMG es mayor que el de una rueda de inercia, lo que lo hace más adecuado para naves espaciales grandes. Una desventaja importante es la complejidad adicional, que aumenta el número de puntos de fallo. Por esta razón, la Estación Espacial Internacional utiliza un conjunto de cuatro CMG para proporcionar tolerancia a fallos dual.

Las pequeñas velas solares (dispositivos que generan empuje como fuerza de reacción al reflejar la luz incidente) pueden utilizarse para realizar pequeños ajustes de control de actitud y velocidad. Esta aplicación permite ahorrar grandes cantidades de combustible en misiones de larga duración, ya que genera impulsos de control sin consumir combustible. Por ejemplo, la sonda Mariner 10 ajustó su actitud utilizando sus células solares y antenas como pequeñas velas solares.

En órbita, una nave espacial con un eje mucho más largo que los otros dos se orientará espontáneamente de manera que su eje longitudinal apunte al centro de masa del planeta. Este sistema tiene la ventaja de no requerir un sistema de control activo ni consumir combustible. El efecto se produce por una fuerza de marea . El extremo superior del vehículo experimenta una menor atracción gravitatoria que el inferior. Esto proporciona un par de torsión restaurador cuando el eje longitudinal no es colineal con la dirección de la gravedad. A menos que se proporcione algún medio de amortiguación, la nave espacial oscilará alrededor de la vertical local. A veces se utilizan cables para conectar dos partes de un satélite y aumentar el par de torsión estabilizador. Un problema con estos cables es que meteoroides tan pequeños como un grano de arena pueden separarlos.

Las bobinas o (en satélites muy pequeños) los imanes permanentes ejercen un momento contra el campo magnético local. Este método solo funciona donde existe un campo magnético contra el cual reaccionar. Una "bobina" de campo clásica consiste en un cable conductor en el campo magnético planetario. Dicho cable conductor también puede generar energía eléctrica, a costa de la pérdida de órbita . Por el contrario, al inducir una contracorriente, utilizando energía de células solares, se puede elevar la órbita. Debido a la enorme variabilidad del campo magnético terrestre con respecto a un campo radial ideal, las leyes de control basadas en pares acoplados a este campo serán altamente no lineales. Además, solo se dispone de control en dos ejes en un momento dado, lo que significa que puede ser necesario reorientar el vehículo para anular todas las velocidades.

Existen tres tipos principales de control de actitud pasivo para satélites. El primero utiliza el gradiente gravitatorio y genera cuatro estados estables con el eje longitudinal (el de menor momento de inercia) apuntando hacia la Tierra. Dado que este sistema cuenta con cuatro estados estables, si el satélite tiene una orientación preferida, por ejemplo, una cámara apuntando al planeta, se requiere algún método para girar el satélite y su cable de conexión.

El segundo sistema pasivo orienta el satélite a lo largo del campo magnético terrestre gracias a un imán. ^{[ 7 ]} Estos sistemas de control de actitud puramente pasivos tienen una precisión de apuntamiento limitada, ya que la nave espacial oscilará alrededor de mínimos de energía. Este inconveniente se supera añadiendo un amortiguador, que puede ser de materiales histeréticos o un amortiguador viscoso. El amortiguador viscoso es un pequeño recipiente o depósito de fluido montado en la nave espacial, posiblemente con deflectores internos para aumentar la fricción interna. La fricción dentro del amortiguador convertirá gradualmente la energía de oscilación en calor que se disipa dentro del amortiguador viscoso.

Una tercera forma de control de actitud pasivo es la estabilización aerodinámica. Esto se logra mediante un gradiente de arrastre, como se demostró en la demostración tecnológica del satélite GASPACS (Get Away Special Passive Attitude Control Satellite) . En órbita terrestre baja, la fuerza debida al arrastre es varios órdenes de magnitud mayor que la fuerza impartida por los gradientes gravitatorios. ^{[ 8 ]} Cuando un satélite utiliza el control de actitud pasivo aerodinámico, las moléculas de aire de la atmósfera superior de la Tierra impactan contra el satélite de tal manera que el centro de presión permanece detrás del centro de masa, de forma similar a como las plumas de una flecha la estabilizan. GASPACS utilizó un "AeroBoom" inflable de 1 m, que se extendía detrás del satélite, creando un par estabilizador a lo largo del vector de velocidad del satélite. ^{[ 9 ]}

Otra forma de control de actitud pasivo es el des-giro yo-yo . ^{[ 10 ]} Los dispositivos de des-giro yo-yo son controvertidos ya que generan basura espacial y se utilizan principalmente para naves espaciales de espacio profundo. ^{[ 11 ]}

Muchos sensores generan señales que reflejan la tasa de cambio de actitud. Para ello, requieren una actitud inicial conocida o información externa que permita determinarla. Muchos de estos sensores presentan cierto ruido, lo que provoca imprecisiones si no se corrigen con sensores de actitud absolutos.

Este tipo de sensores detecta la posición u orientación de campos, objetos u otros fenómenos situados fuera de la nave espacial.

Rastreador de estrellas

Un rastreador de estrellas es un dispositivo óptico que mide la posición de una o varias estrellas mediante una o varias fotocélulas o una cámara. ^{[ 17 ]} Utiliza la magnitud del brillo y el tipo espectral para identificar y calcular la posición relativa de las estrellas que lo rodean.

Los métodos de estimación de actitud estática son soluciones al problema de Wahba . Se han propuesto muchas soluciones, en particular el método q de Davenport, QUEST, TRIAD y la descomposición en valores singulares . ^{[ 19 ]}

Crassidis, John L., y John L. Junkins. Chapman and Hall/CRC, 2004.

El filtrado de Kalman se puede utilizar para estimar secuencialmente la actitud, así como la velocidad angular. Debido a que la dinámica de actitud (combinación de la dinámica del cuerpo rígido y la cinemática de actitud) es no lineal, un filtro de Kalman lineal no es suficiente. Debido a que la dinámica de actitud no es muy no lineal, el filtro de Kalman extendido suele ser suficiente (sin embargo, Crassidis y Markely demostraron que el filtro de Kalman sin aroma podría utilizarse y puede proporcionar beneficios en casos donde la estimación inicial es deficiente). ^{[ 20 ]} Se han propuesto múltiples métodos, sin embargo, el filtro de Kalman extendido multiplicativo (MEKF) es, con mucho, el enfoque más común. Este enfoque utiliza la formulación multiplicativa del cuaternión de error, lo que permite manejar mejor la restricción de unidad en el cuaternión. También es común utilizar una técnica conocida como reemplazo de modelo dinámico, donde la velocidad angular no se estima directamente, sino que se utiliza directamente la velocidad angular medida por el giroscopio para propagar la dinámica rotacional hacia adelante en el tiempo. Esto es válido para la mayoría de las aplicaciones, ya que los giroscopios suelen ser mucho más precisos que el conocimiento que se tiene de los pares de torsión perturbadores que actúan sobre el sistema (lo cual es necesario para una estimación precisa de la velocidad angular).