Estabilizando una nave espacial

Cuando se lanza al espacio un satélite (o una nave espacial propiamente dicha), es impresindible para su aprovechamiento el conocer con exactitud su posición relativa desde la Tierra, o la información que se genere se perderá. Este problema conlleva a la búsqueda de métodos que permitan eliminar movientos incontrolables e impredicibles, así como su localización en el espacio, para que los sistemas de comunicación funcionen correctamente.

La mayoría de los métodos de estabilización que han probado la mejor relación costo – beneficio están basados en el movimiento circular, y sus diferencias se deben a la manera en que se busca su aplicación, en base a la estructura, tamaño, tipo de misión, etc.

El ejemplo más identificable de un movimiento circular es el trompo o perinola. Mientras gira con la velocidad suficiente, tiende a mantenerse estable, aún si inclinamos el plano sobre el que este girando. Al hacer esto, si la perinola gira rápidamente y la velocidad circular que tienen las partes del disco es muy grande, la nueva velocidad que le comunicamos al hacer que se incline es insignificante en comparación con la que ya tenía, por eso se suma a ella, produciendo una velocidad resultante, que se aproxima mucho a la circular, y el movimiento de la perinola casi no varía. Esto explica por qué la perinola (o el trompo) parece que se resiste a que la vuelquen. Cuanto más pesada sea el trompo y más rápidamente gire, tanto más resistencia opone a ser volcado.” Fuente: Universidad del Sur, Depto. de Física.

De primera instancia podemos hablar de dos aplicaciones generales del movimiento circular: estabilización por Spin y estabilización por tres ejes. En la primera, a todo el cuerpo de la nave o satélite se le aplica la fuerza requerida para hacerlo girar sobre su propio eje, lo cual crea un efecto giroscópico que actúa como mecanismo estabilizador. En la segunda, llamada estabilización por tres ejes, se busca mover el vehículo siguiendo tres posibles ejes ortogonales de rotación: guiñada, alabeo y cabeceo. Para efectuar los giros se utilizan pequeños motores (thrusters), volantes de inercia (Momentum and Reaction wheels) o una combinación de ambos.

En el caso de los Volantes de inercia, el disco suele ser más pesado y está diseñado para rotar continuamente a una velocidad base que puede ser levemente modificada para actuar como volante de reacción, y que adicionalmente pueden tener uno o dos grados de libertad, según el número de soportes (cardanes).

cardanes

Otro método de estabilización es utilizando varillas magnéticas, que son elementos que aprovechan la fuerza de Lorentz (una partícula cargada en movimiento en un campo magnético experimenta una fuerza) en la presencia del campo magnético de la Tierra. Normalmente se usan para maniobras de adquisición de actitud (orientando al vehículo como si de una brújula se tratase) y para descargar el exceso de momento angular de las ruedas de reacción

También se utiliza el gradiente gravitatorio, o sea el momento ejercido por las fuerzas gravitatorias que se utiliza para que siempre apunte a un cuerpo central, que si bien es un método relativamente económico, tiene el inconveniente de no ser el mas preciso, y por ello normalmente se ocupa en conjunto con alguno de los métodos ya mencionados. El gradiente gravitatorio tiende a alinear el eje menor con la vertical local, el eje intermedio con la dirección de la órbita y el eje mayor perpendicular al plano de la órbita, lo cual debe ser considerado en el diseño.

Cuando la misión lo justifica, las naves estan dotadas de mecanismos de propulsión. Pueden necesitar pequeños motores (thrusters, en terminología inglesa) para corrección de trayectorias y control de la estabilidad (corrigiendo el spin o rotando según los tres ejes). Los combustibles más utilizados son materiales hipergólicos (dos sustancias que al mezclarse producen una explosión) y la hidracina (una sustancia que arde violentamente cuando entra en contacto con un catalizador metálico, almacenado en los motores).

Ahora bien, las misiones de naves no tripuladas como son los satélites requieren la verificación de la estabilización con procesos automáticos. Una de los métodos es localizar una estrella, o al propio Sol, para confirmar que el mismo se localiza en el ángulo que se espera y que corresponde a la posición deseada de la nave.

El diseño básico para la localización del Sol se diseña comúnmente como una hilera de sensores ópticos, los cuales se instalan coincidiendo a una reja, creando una sombra a los sensores que no están directamente alineados con el Sol.

Los sensores de estrellas se basan en un mapa estelar contra el cual se realiza la comparación de la imagen obtenida de los sensores. Es conveniente tener en cuenta que los sensores de estrellas no suelen ser útiles cuando el vehículo utiliza estabilización por spin.

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