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Control de actitud

Febrero 08, 2022

El control de actitud es el ejercicio de acciones para controlar la orientación de un objeto con respecto a un sistema de referencia inercial u otra entidad (la esfera celeste, ciertos campos, objetos en las cercanías, etc.). El término es especialmente utilizado para referirse a los controles que se ejercen para controlar la orientación de las naves espaciales (tripuladas o no como es el caso de los satélites artificiales).

Para controlar la actitud de un vehículo u objeto es preciso disponer de: sensores para medir la actitud del vehículo u objeto, actuadores para aplicar los torques requeridos para re-orientar al vehículo u objeto de forma tal que adopte la actitud requerida, y algoritmos para comandar los actuadores basándose en las mediciones de actitud actuales de los sensores y las especificaciones de la actitud requerida. El campo integral que estudia las combinaciones de sensores, actuadores y algoritmos se denomina "Guiado, Navegación y Control" (GNC).

Sensores

Sensores de actitud relativa

Muchos sensores producen señales de salida que indican el ritmo de cambio de la actitud. Ellos requieren de una actitud inicial conocida, o información externa para usar esos ritmos de cambio y calcular la actitud actual. Muchos sensores de este tipo poseen señales "ruidosas", lo que conduce a ciertas imprecisiones si no se corrigen los cálculos mediante información provista por sensores absolutos de actitud.

Giróscopos

Los giróscopos son dispositivos que detectan la rotación en el espacio tridimensional sin depender de la observación de objetos externos. Si bien un giróscopo clásico consiste de una masa que rota sobre sí misma, existen también "giróscopos láser" que utilizan una luz coherente reflejada en un camino cerrado. Otro tipo de "giróscopo" es un giróscopo por resonador semiesférico en el cual una cazoleta de cristal con la forma de una copa de vino puede ser puesta en oscilación o vibración de la misma forma que la copa de vino "suena" cuando se pasa el dedo por su borde. La orientación de la oscilación es fijada en el espacio inercial, por lo que la medición de la orientación de la oscilación relativa a la nave se puede utilizar para medir el movimiento de la nave con respecto al sistema inercial.[1]​

Unidades de movimiento de referencia

Unidades de movimiento de referencia son sensores de uno o varios ejes. Los mismos utilizan sensores de tecnología tipo Micro-Electro-Mecánico-Estructural (MEMS por sus siglas en inglés). Estos sensores están revolucionando la tecnología de sensores inerciales al combinar elementos de micro-electrónica con tecnología de micro-maquinado, para producir sistemas completos que caben en el volumen de un chip de computadora y poseen gran precisión. Entre los usos típicos de las unidades de movimiento de referencia se encuentran:
  • Compensación de movimiento y estabilización de antenas
  • Posicionamiento dinámico
  • Compensación de carga de grúas offshore
  • Sistemas para control de movimiento y amortiguamiento de vehículos de alta velocidad
  • Posicionado hidro acústico
  • Compensación de movimiento de ecosondas de ejes múltiples o mono eje
  • Mediciones de ondas oceánicas
  • Monitoreo de movimiento de estructuras offshore
  • Mediciones de orientación y actitud en vehículos submarinos autónomos (AUVs) y ROVs
  • Monitoreo de movimiento de barcos

Sensores de actitud absoluta

Esta clase de sensores determina la posición u orientación de campos, objetos u otros fenómenos fuera de la nave espacial.

Sensor de horizonte

Un sensor de horizonte es un instrumento óptico que detecta luz del borde de la atmósfera de la Tierra, o sea en el horizonte. A menudo se utiliza sensado infrarrojo térmico, que mide la temperatura de la atmósfera, comparada con el fondo cósmico que es mucho más frío. Este sensor brinda orientación con respecto a los ejes ortogonales a la Tierra. Tiende a ser menos preciso que los sensores basados en la observación estelar. A veces colocado dentro de la categoría de los sensores terrestres.

Girocompás orbital

De manera similar a como un girocompás terrestre usa un péndulo para medir la gravedad local y hacer que su giróscopo se alinee con el vector de spin de la Tierra, y por lo tanto apunte hacia el Norte, un girocompás orbital utiliza un sensor de horizonte para determinar la dirección al centro de la Tierra, y un giróscopo para medir la rotación alrededor de un eje normal al plano de la órbita. Por lo tanto el sensor de horizonte brinda información de cabeceo (pitch) y alabeo (roll), y el girocompás informa sobre el guiñada (yaw). Véase ángulos Tait-Bryan.

Sensor solar

Un sensor solar es un dispositivo que mide la dirección del Sol. Puede ser tan simple como algunas celdas solares y sombras, o tan complejo como un telescopio orientable, dependiendo de los requerimientos de la misión.

Sensor terrestre

Un sensor terrestre es un dispositivo que mide la dirección a la Tierra. Por lo general es una cámara infrarroja; a comienzos del siglo XXI el principal método para detectar actitud es el rastreador de estrellas, pero aún se utilizan sensores terrestres en los satélites a causa de su bajo costo y alta confiabilidad.

Rastreador de estrellas

Un rastreador de estrellas (en inglés, star tracker) es un dispositivo óptico que mide la posición de una o varias estrella utilizando fotodetectores o una cámara.[2]​

Actualmente hay muchos modelos disponibles.[3]​[4]​[5]​[6]​[7]​ También existen proyectos abiertos diseñados para ser utilizados por la comunidad global de investigadores y desarrolladores de cubesats.

Los rastreadores de estrellas actuales, que requieren una alta sensibilidad, pueden confundirse con la luz solar reflejada desde la nave espacial o con las columnas de gases de escape de los propulsores de la nave espacial (ya sea por reflejo de la luz solar o contaminación de la ventana del rastreador de estrellas). Los rastreadores de estrellas también son susceptibles a una variedad de errores (baja frecuencia espacial, alta frecuencia espacial, temporal, etc.) además de una variedad de fuentes ópticas de error (aberración esférica, aberración cromática, etc.). También hay muchas fuentes potenciales de confusión para el algoritmo de identificación de estrellas (planetas, cometas, supernovas, el carácter bimodal de la función de dispersión puntual para estrellas adyacentes, otros satélites cercanos, contaminación lumínica de fuentes puntuales de las grandes ciudades de la Tierra, etc.).

En la actualidad hay aproximadamente 57 estrellas de navegación brillantes de uso común. Sin embargo, para misiones más complejas, se utilizan bases de datos de campos estelares completas para determinar la orientación de la nave espacial. Un catálogo de estrellas de alta fidelidad típico para la determinación de la actitud se origina a partir de un catálogo base estándar (por ejemplo, del Observatorio Naval de los Estados Unidos) y luego se filtra para eliminar estrellas problemáticas, por ejemplo, debido a la variabilidad de magnitud aparente, la incertidumbre del índice de color o una ubicación. dentro del diagrama de Hertzsprung-Russell que implique poca fiabilidad. Este tipo de catálogos de estrellas pueden tener miles de estrellas almacenadas en la memoria a bordo de la nave espacial, o bien procesadas usando herramientas en la estación terrestre y luego enviadas a la nave.

Magnetómetro

Un magnetómetro es un dispositivo que mide la intensidad del campo magnético y, si se utiliza una triada de tres ejes, la dirección del campo magnético. Como ayuda a la navegación de una nave espacial, mide la intensidad y dirección del campo y la compara con un mapa del campo magnético de la Tierra almacenado en la memoria a bordo o en una computadora de guiado terrestre. Una vez que se conoce la posición de la nave espacial es posible inferir la actitud.

Algoritmos

Los algoritmos de control son programas de computadora que reciben datos de los sensores del vehículo y determinan cuales son los comandos apropiados para los actuadores para rotar el vehículo y llevarlo a la actitud deseada. Existen algoritmos desde extremadamente simples, por ejemplo control proporcional, hasta estimadores no lineales complejos o numerosos tipos intermedios, dependiendo de los requerimientos de la misión. Por lo general los algoritmos de control de actitud forman parte del software que se ejecuta en el hardware que recibe comandos desde la Tierra y formatea datos de telemetría de vehículo para transmisión a una estación terrestre.

Actuadores

El control de la actitud se puede realizar mediante diversos mecanismos:

Propulsores

Artículo principal: Motor de cohete
Los actuadores más comunes son los propulsores, ya que se pueden utilizar también para mantener la órbita. Los propulsores (a menudo cohete de monopropelente), deben estar configurados como un sistema de control de reacción para brindar una estabilización en tres ejes. Sus limitaciones son el consumo de combustible, desgaste del motor, y ciclos de las válvulas de control. La eficiencia de combustible de un sistema de control de actitud queda determinada por su impulso específico (ISP - esencialmente, la velocidad de escape de gases del cohete) y el menor impulso de torque que puede dar. En la práctica, el spin del vehículo se reduce a un ritmo equivalente a esta cantidad. Por lo general se induce una pequeña cantidad de impulso en una dirección, y unas decenas de segundos más tarde, es preciso proveer un impulso en dirección contraria para mantener los errores en la orientación dentro de límites aceptables. Para minimizar la limitación que la disponibilidad de combustible impone sobre la duración de la misión, es posible utilizar sistemas de control de actitud auxiliares para reducir la rotación del vehículo a niveles bajos, por ejemplo usando pequeños propulsores vernier de bajo impulso que aceleran eléctricamente gases ionizados a velocidades extremas, utilizando potencia proveniente de celdas solares.

Estabilización de spin

Es posible hacer rotar todo el vehículo espacial de manera de estabilizar la orientación de un único eje del vehículo (este principio es similar a lo que se hace con los proyectiles a las cuales el ánima estriada de los rifles les confiere un movimiento de giro alrededor del eje de traslación de la bala). Este método es ampliamente utilizado para estabilizar la etapa final de un vehículo de lanzamiento. Toda la nave espacial y el motor de combustible sólido adosado a ella son hechos rotar alrededor del eje de propulsión del cohete, sobre una "plataforma de spin" orientada por el sistema de control de actitud de la etapa baja sobre la cual está montada la plataforma de spin. Cuando se alcanza la órbita final, es posible frenar la rotación del satélite mediante diversos métodos, o dejar que siga rotando sobre sí mismo. La estabilización del spin de satélites solo es aplicable a aquellas misiones donde no se requiere que el eje primario de orientación sea modificado de manera apreciable durante la vida útil del satélite y no requieren de una precisión muy grande respecto a donde están apuntados. Es también adecuado para misiones con instrumentos que deben barrer el campo estelar o la superficie o atmósfera terrestre.

Ruedas de inercia

Artículo principal: Rueda de reacción
Las mismas son rotores que se hacen girar mediante un motor eléctrico en una dirección que es la opuesta a aquella necesaria para reorientar el vehículo. Dado que las ruedas de inercia poseen una masa que es solo una pequeña fracción de la masa total de la nave espacial y son controladas por una computadora, las mismas permiten ejercer un control extremadamente preciso. Las ruedas de inercia o de reacción por lo general se encuentran alojadas sobre rodamientos magnéticos para evitar la fricción en los rodamientos mecánicos y las fallas por rotura. Para mantener la orientación en el espacio tridimensional se deben utilizar por lo menos tres,[8]​ y algunas unidades adicionales son necesarias para otorgar redundancia y protección ante las fallas simples. Véase ángulos de Euler.

Giróscopos de control de momento (CMG)

Artículo principal: Giroscopio de control de momento
Estos son rotores que giran a velocidad constante, montados sobre una suspensión cardánica para permitir controlar la actitud. Aunque un CMG permite ejercer control sobre los dos ejes ortogonales al eje de rotación del giróscopo, el control triaxial requiere disponer de dos unidades. Un CMG es un poco más costoso, dado que se deben proveer la suspensión cardánica y los motores que mantienen la rotación. El torque máximo (aunque no el máximo cambio de momento angular) ejercido por un CMG es mayor que el que provee una rueda de inercia, lo cual lo hace más conveniente para una nave espacial grande. Un desventaja importante es su complejidad adicional, la cual aumenta la cantidad de puntos de falla. Por esta razón, la International Space Station utiliza cuatro CMGs para tener tolerancia doble ante las fallas.

Velas solares

Artículo principal: Vela solar
Es posible utilizar pequeñas velas solares, (dispositivos que producen propulsión en forma de una fuerza de reacción inducida al reflejar la luz incidente) para realizar ajustes de actitud y velocidad pequeños. Este método permite ahorrar grandes cantidades de combustible en una misión de larga duración al producir momentos de control sin consumir combustible. Por ejemplo, el Mariner 10 corregía su actitud utilizando sus paneles solares y antenas como pequeñas velas solares.

Estabilización por gradiente de gravedad

En órbita, una nave espacial que tenga un eje mucho más largo que los otros dos se orientara de manera espontánea de forma tal que su eje más largo apunte hacia el centro de masa del planeta. Este sistema posee la ventaja que no precisa de un sistema de control activo o consumo de combustible. El efecto es causado por una fuerza de marea. El extremo superior del vehículo experimenta una fuerza de gravedad menor que el extremo inferior. Lo cual provee un torque restaurador cuando el eje largo no se encuentra co-lineal con la dirección de la gravedad. A menos de que se provea de ciertos medios de amortiguamiento, la nave espacial oscilara en torno a la vertical local. A veces se utilizan cables (tethers) para conectar dos partes de un satélite, e incrementar el torque estabilizador. Un problema con este tipo de cables es que micro meteoritos tan pequeños como un grano de arena pueden cortarlos.

Torsión magnética

Las espiras o (en satélites muy pequeños) imanes permanentes ejercen un momento contra un campo magnético local. Este método funciona solo donde existe un campo magnético contra el cual se pueda reaccionar. Una "espira" clásica es la formada por un cable conductivo en un campo magnético planetario. Tal tipo de cable conductivo puede también generar potencia eléctrica, con el consecuente descenso de la órbita. Sin embargo si se induce una contra corriente, utilizando una celda solar, es posible elevar la órbita. A causa de la gran variabilidad del campo magnético de la Tierra con respecto a un campo radial ideal, las leyes de control basadas en torques que se acoplan con este campo son altamente no lineales.

Control de actitud exclusivamente pasivo

Existen dos tipos principales de control pasivo para satélites. El primero utiliza el gradiente gravitatorio, y conduce a cuatro estados estables con el eje más largo (eje con el menor momento de inercia) apuntando hacia la Tierra. Debido a que este sistema posee cuatro estados estables, si el satélite posee una orientación preferida, por ejemplo una cámara apuntando hacia el planeta, es preciso proveer algún medio para rotar el satélite. El otro sistema pasivo utiliza un imán para orientar el satélite con el campo magnético terrestre.[9]​ Estos sistemas de control de actitud puramente pasivos tienen una limitada precisión para apuntar, porque la nave espacial oscilará alrededor de la posición de energía mínima. Este inconveniente es resuelto agregando un amortiguador, el cual puede ser o materiales con histéresis o un amortiguador viscoso. El amortiguador viscoso es un recipiente o tanque pequeño conteniendo fluido colocado en la nave espacial, posiblemente con divisores internos para aumentar la fricción interna. La fricción dentro del amortiguador gradualmente convierte la energía oscilatoria en calor disipado dentro del amortiguador viscoso.

Véase también

Referencias

  1. Hemispherical Resonator Gyros, Northrop Grumman Corp.
  2. . NASA. 05/04. Archivado desde el original el 21 de julio de 2011. Consultado el 25 de mayo de 2012. 
  3. . Goodrich. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2008. Consultado el 25 de mayo de 2012. 
  4. «Ball Aerospace star trackers». Ballaerospace.com. Consultado el 9 de septiembre de 2013. 
  5. «Attitude and Orbit Control Systems». Jena-optronik.de. Consultado el 9 de septiembre de 2013. 
  6. «Optronic activities». Sodern. Consultado el 9 de noviembre de 2017. 
  7. «OpenStartracker». UBNL. Consultado el 14 de enero de 2018. 
  8. . Archivado desde el original el 22 de abril de 2014. Consultado el 6 de abril de 2013. 
  9. Attitude and Determination Control Systems para los nanosatélites OUFTI. Vincent Francois-Lavet (2010-05-31)
  •   Datos: Q83001

Febrero 08, 2022
control, actitud, control, actitud, ejercicio, acciones, para, controlar, orientación, objeto, respecto, sistema, referencia, inercial, otra, entidad, esfera, celeste, ciertos, campos, objetos, cercanías, término, especialmente, utilizado, para, referirse, con. El control de actitud es el ejercicio de acciones para controlar la orientacion de un objeto con respecto a un sistema de referencia inercial u otra entidad la esfera celeste ciertos campos objetos en las cercanias etc El termino es especialmente utilizado para referirse a los controles que se ejercen para controlar la orientacion de las naves espaciales tripuladas o no como es el caso de los satelites artificiales Para controlar la actitud de un vehiculo u objeto es preciso disponer de sensores para medir la actitud del vehiculo u objeto actuadores para aplicar los torques requeridos para re orientar al vehiculo u objeto de forma tal que adopte la actitud requerida y algoritmos para comandar los actuadores basandose en las mediciones de actitud actuales de los sensores y las especificaciones de la actitud requerida El campo integral que estudia las combinaciones de sensores actuadores y algoritmos se denomina Guiado Navegacion y Control GNC Indice 1 Sensores 1 1 Sensores de actitud relativa 1 1 1 Giroscopos 1 1 2 Unidades de movimiento de referencia 1 2 Sensores de actitud absoluta 1 2 1 Sensor de horizonte 1 2 2 Girocompas orbital 1 2 3 Sensor solar 1 2 4 Sensor terrestre 1 2 5 Rastreador de estrellas 1 2 6 Magnetometro 2 Algoritmos 3 Actuadores 3 1 Propulsores 3 2 Estabilizacion de spin 3 3 Ruedas de inercia 3 4 Giroscopos de control de momento CMG 3 5 Velas solares 3 6 Estabilizacion por gradiente de gravedad 3 7 Torsion magnetica 3 8 Control de actitud exclusivamente pasivo 4 Vease tambien 5 ReferenciasSensores EditarSensores de actitud relativa Editar Muchos sensores producen senales de salida que indican el ritmo de cambio de la actitud Ellos requieren de una actitud inicial conocida o informacion externa para usar esos ritmos de cambio y calcular la actitud actual Muchos sensores de este tipo poseen senales ruidosas lo que conduce a ciertas imprecisiones si no se corrigen los calculos mediante informacion provista por sensores absolutos de actitud Giroscopos Editar Los giroscopos son dispositivos que detectan la rotacion en el espacio tridimensional sin depender de la observacion de objetos externos Si bien un giroscopo clasico consiste de una masa que rota sobre si misma existen tambien giroscopos laser que utilizan una luz coherente reflejada en un camino cerrado Otro tipo de giroscopo es un giroscopo por resonador semiesferico en el cual una cazoleta de cristal con la forma de una copa de vino puede ser puesta en oscilacion o vibracion de la misma forma que la copa de vino suena cuando se pasa el dedo por su borde La orientacion de la oscilacion es fijada en el espacio inercial por lo que la medicion de la orientacion de la oscilacion relativa a la nave se puede utilizar para medir el movimiento de la nave con respecto al sistema inercial 1 Unidades de movimiento de referencia Editar Unidades de movimiento de referencia son sensores de uno o varios ejes Los mismos utilizan sensores de tecnologia tipo Micro Electro Mecanico Estructural MEMS por sus siglas en ingles Estos sensores estan revolucionando la tecnologia de sensores inerciales al combinar elementos de micro electronica con tecnologia de micro maquinado para producir sistemas completos que caben en el volumen de un chip de computadora y poseen gran precision Entre los usos tipicos de las unidades de movimiento de referencia se encuentran Compensacion de movimiento y estabilizacion de antenas Posicionamiento dinamico Compensacion de carga de gruas offshore Sistemas para control de movimiento y amortiguamiento de vehiculos de alta velocidad Posicionado hidro acustico Compensacion de movimiento de ecosondas de ejes multiples o mono eje Mediciones de ondas oceanicas Monitoreo de movimiento de estructuras offshore Mediciones de orientacion y actitud en vehiculos submarinos autonomos AUVs y ROVs Monitoreo de movimiento de barcosSensores de actitud absoluta Editar Esta clase de sensores determina la posicion u orientacion de campos objetos u otros fenomenos fuera de la nave espacial Sensor de horizonte Editar Un sensor de horizonte es un instrumento optico que detecta luz del borde de la atmosfera de la Tierra o sea en el horizonte A menudo se utiliza sensado infrarrojo termico que mide la temperatura de la atmosfera comparada con el fondo cosmico que es mucho mas frio Este sensor brinda orientacion con respecto a los ejes ortogonales a la Tierra Tiende a ser menos preciso que los sensores basados en la observacion estelar A veces colocado dentro de la categoria de los sensores terrestres Girocompas orbital Editar De manera similar a como un girocompas terrestre usa un pendulo para medir la gravedad local y hacer que su giroscopo se alinee con el vector de spin de la Tierra y por lo tanto apunte hacia el Norte un girocompas orbital utiliza un sensor de horizonte para determinar la direccion al centro de la Tierra y un giroscopo para medir la rotacion alrededor de un eje normal al plano de la orbita Por lo tanto el sensor de horizonte brinda informacion de cabeceo pitch y alabeo roll y el girocompas informa sobre el guinada yaw Vease angulos Tait Bryan Sensor solar Editar Un sensor solar es un dispositivo que mide la direccion del Sol Puede ser tan simple como algunas celdas solares y sombras o tan complejo como un telescopio orientable dependiendo de los requerimientos de la mision Sensor terrestre Editar Un sensor terrestre es un dispositivo que mide la direccion a la Tierra Por lo general es una camara infrarroja a comienzos del siglo XXI el principal metodo para detectar actitud es el rastreador de estrellas pero aun se utilizan sensores terrestres en los satelites a causa de su bajo costo y alta confiabilidad Rastreador de estrellas Editar Un rastreador de estrellas en ingles star tracker es un dispositivo optico que mide la posicion de una o varias estrella utilizando fotodetectores o una camara 2 Actualmente hay muchos modelos disponibles 3 4 5 6 7 Tambien existen proyectos abiertos disenados para ser utilizados por la comunidad global de investigadores y desarrolladores de cubesats Los rastreadores de estrellas actuales que requieren una alta sensibilidad pueden confundirse con la luz solar reflejada desde la nave espacial o con las columnas de gases de escape de los propulsores de la nave espacial ya sea por reflejo de la luz solar o contaminacion de la ventana del rastreador de estrellas Los rastreadores de estrellas tambien son susceptibles a una variedad de errores baja frecuencia espacial alta frecuencia espacial temporal etc ademas de una variedad de fuentes opticas de error aberracion esferica aberracion cromatica etc Tambien hay muchas fuentes potenciales de confusion para el algoritmo de identificacion de estrellas planetas cometas supernovas el caracter bimodal de la funcion de dispersion puntual para estrellas adyacentes otros satelites cercanos contaminacion luminica de fuentes puntuales de las grandes ciudades de la Tierra etc En la actualidad hay aproximadamente 57 estrellas de navegacion brillantes de uso comun Sin embargo para misiones mas complejas se utilizan bases de datos de campos estelares completas para determinar la orientacion de la nave espacial Un catalogo de estrellas de alta fidelidad tipico para la determinacion de la actitud se origina a partir de un catalogo base estandar por ejemplo del Observatorio Naval de los Estados Unidos y luego se filtra para eliminar estrellas problematicas por ejemplo debido a la variabilidad de magnitud aparente la incertidumbre del indice de color o una ubicacion dentro del diagrama de Hertzsprung Russell que implique poca fiabilidad Este tipo de catalogos de estrellas pueden tener miles de estrellas almacenadas en la memoria a bordo de la nave espacial o bien procesadas usando herramientas en la estacion terrestre y luego enviadas a la nave Magnetometro Editar Un magnetometro es un dispositivo que mide la intensidad del campo magnetico y si se utiliza una triada de tres ejes la direccion del campo magnetico Como ayuda a la navegacion de una nave espacial mide la intensidad y direccion del campo y la compara con un mapa del campo magnetico de la Tierra almacenado en la memoria a bordo o en una computadora de guiado terrestre Una vez que se conoce la posicion de la nave espacial es posible inferir la actitud Algoritmos EditarLos algoritmos de control son programas de computadora que reciben datos de los sensores del vehiculo y determinan cuales son los comandos apropiados para los actuadores para rotar el vehiculo y llevarlo a la actitud deseada Existen algoritmos desde extremadamente simples por ejemplo control proporcional hasta estimadores no lineales complejos o numerosos tipos intermedios dependiendo de los requerimientos de la mision Por lo general los algoritmos de control de actitud forman parte del software que se ejecuta en el hardware que recibe comandos desde la Tierra y formatea datos de telemetria de vehiculo para transmision a una estacion terrestre Actuadores EditarEl control de la actitud se puede realizar mediante diversos mecanismos Propulsores Editar Articulo principal Motor de cohete Los actuadores mas comunes son los propulsores ya que se pueden utilizar tambien para mantener la orbita Los propulsores a menudo cohete de monopropelente deben estar configurados como un sistema de control de reaccion para brindar una estabilizacion en tres ejes Sus limitaciones son el consumo de combustible desgaste del motor y ciclos de las valvulas de control La eficiencia de combustible de un sistema de control de actitud queda determinada por su impulso especifico ISP esencialmente la velocidad de escape de gases del cohete y el menor impulso de torque que puede dar En la practica el spin del vehiculo se reduce a un ritmo equivalente a esta cantidad Por lo general se induce una pequena cantidad de impulso en una direccion y unas decenas de segundos mas tarde es preciso proveer un impulso en direccion contraria para mantener los errores en la orientacion dentro de limites aceptables Para minimizar la limitacion que la disponibilidad de combustible impone sobre la duracion de la mision es posible utilizar sistemas de control de actitud auxiliares para reducir la rotacion del vehiculo a niveles bajos por ejemplo usando pequenos propulsores vernier de bajo impulso que aceleran electricamente gases ionizados a velocidades extremas utilizando potencia proveniente de celdas solares Estabilizacion de spin Editar Es posible hacer rotar todo el vehiculo espacial de manera de estabilizar la orientacion de un unico eje del vehiculo este principio es similar a lo que se hace con los proyectiles a las cuales el anima estriada de los rifles les confiere un movimiento de giro alrededor del eje de traslacion de la bala Este metodo es ampliamente utilizado para estabilizar la etapa final de un vehiculo de lanzamiento Toda la nave espacial y el motor de combustible solido adosado a ella son hechos rotar alrededor del eje de propulsion del cohete sobre una plataforma de spin orientada por el sistema de control de actitud de la etapa baja sobre la cual esta montada la plataforma de spin Cuando se alcanza la orbita final es posible frenar la rotacion del satelite mediante diversos metodos o dejar que siga rotando sobre si mismo La estabilizacion del spin de satelites solo es aplicable a aquellas misiones donde no se requiere que el eje primario de orientacion sea modificado de manera apreciable durante la vida util del satelite y no requieren de una precision muy grande respecto a donde estan apuntados Es tambien adecuado para misiones con instrumentos que deben barrer el campo estelar o la superficie o atmosfera terrestre Ruedas de inercia Editar Articulo principal Rueda de reaccion Las mismas son rotores que se hacen girar mediante un motor electrico en una direccion que es la opuesta a aquella necesaria para reorientar el vehiculo Dado que las ruedas de inercia poseen una masa que es solo una pequena fraccion de la masa total de la nave espacial y son controladas por una computadora las mismas permiten ejercer un control extremadamente preciso Las ruedas de inercia o de reaccion por lo general se encuentran alojadas sobre rodamientos magneticos para evitar la friccion en los rodamientos mecanicos y las fallas por rotura Para mantener la orientacion en el espacio tridimensional se deben utilizar por lo menos tres 8 y algunas unidades adicionales son necesarias para otorgar redundancia y proteccion ante las fallas simples Vease angulos de Euler Giroscopos de control de momento CMG Editar Articulo principal Giroscopio de control de momento Estos son rotores que giran a velocidad constante montados sobre una suspension cardanica para permitir controlar la actitud Aunque un CMG permite ejercer control sobre los dos ejes ortogonales al eje de rotacion del giroscopo el control triaxial requiere disponer de dos unidades Un CMG es un poco mas costoso dado que se deben proveer la suspension cardanica y los motores que mantienen la rotacion El torque maximo aunque no el maximo cambio de momento angular ejercido por un CMG es mayor que el que provee una rueda de inercia lo cual lo hace mas conveniente para una nave espacial grande Un desventaja importante es su complejidad adicional la cual aumenta la cantidad de puntos de falla Por esta razon la International Space Station utiliza cuatro CMGs para tener tolerancia doble ante las fallas Velas solares Editar Articulo principal Vela solar Es posible utilizar pequenas velas solares dispositivos que producen propulsion en forma de una fuerza de reaccion inducida al reflejar la luz incidente para realizar ajustes de actitud y velocidad pequenos Este metodo permite ahorrar grandes cantidades de combustible en una mision de larga duracion al producir momentos de control sin consumir combustible Por ejemplo el Mariner 10 corregia su actitud utilizando sus paneles solares y antenas como pequenas velas solares Estabilizacion por gradiente de gravedad Editar En orbita una nave espacial que tenga un eje mucho mas largo que los otros dos se orientara de manera espontanea de forma tal que su eje mas largo apunte hacia el centro de masa del planeta Este sistema posee la ventaja que no precisa de un sistema de control activo o consumo de combustible El efecto es causado por una fuerza de marea El extremo superior del vehiculo experimenta una fuerza de gravedad menor que el extremo inferior Lo cual provee un torque restaurador cuando el eje largo no se encuentra co lineal con la direccion de la gravedad A menos de que se provea de ciertos medios de amortiguamiento la nave espacial oscilara en torno a la vertical local A veces se utilizan cables tethers para conectar dos partes de un satelite e incrementar el torque estabilizador Un problema con este tipo de cables es que micro meteoritos tan pequenos como un grano de arena pueden cortarlos Torsion magnetica Editar Las espiras o en satelites muy pequenos imanes permanentes ejercen un momento contra un campo magnetico local Este metodo funciona solo donde existe un campo magnetico contra el cual se pueda reaccionar Una espira clasica es la formada por un cable conductivo en un campo magnetico planetario Tal tipo de cable conductivo puede tambien generar potencia electrica con el consecuente descenso de la orbita Sin embargo si se induce una contra corriente utilizando una celda solar es posible elevar la orbita A causa de la gran variabilidad del campo magnetico de la Tierra con respecto a un campo radial ideal las leyes de control basadas en torques que se acoplan con este campo son altamente no lineales Control de actitud exclusivamente pasivo Editar Existen dos tipos principales de control pasivo para satelites El primero utiliza el gradiente gravitatorio y conduce a cuatro estados estables con el eje mas largo eje con el menor momento de inercia apuntando hacia la Tierra Debido a que este sistema posee cuatro estados estables si el satelite posee una orientacion preferida por ejemplo una camara apuntando hacia el planeta es preciso proveer algun medio para rotar el satelite El otro sistema pasivo utiliza un iman para orientar el satelite con el campo magnetico terrestre 9 Estos sistemas de control de actitud puramente pasivos tienen una limitada precision para apuntar porque la nave espacial oscilara alrededor de la posicion de energia minima Este inconveniente es resuelto agregando un amortiguador el cual puede ser o materiales con histeresis o un amortiguador viscoso El amortiguador viscoso es un recipiente o tanque pequeno conteniendo fluido colocado en la nave espacial posiblemente con divisores internos para aumentar la friccion interna La friccion dentro del amortiguador gradualmente convierte la energia oscilatoria en calor disipado dentro del amortiguador viscoso Vease tambien EditarOrientacion geometria Sistema de control de reaccionReferencias Editar Hemispherical Resonator Gyros Northrop Grumman Corp Star Camera NASA 05 04 Archivado desde el original el 21 de julio de 2011 Consultado el 25 de mayo de 2012 Star Trackers Goodrich Archivado desde el original el 17 de mayo de 2008 Consultado el 25 de mayo de 2012 Ball Aerospace star trackers Ballaerospace com Consultado el 9 de septiembre de 2013 Attitude and Orbit Control Systems Jena optronik de Consultado el 9 de septiembre de 2013 Optronic activities Sodern Consultado el 9 de noviembre de 2017 OpenStartracker UBNL Consultado el 14 de enero de 2018 Copia archivada Archivado desde el original el 22 de abril de 2014 Consultado el 6 de abril de 2013 Attitude and Determination Control Systems para los nanosatelites OUFTI Vincent Francois Lavet 2010 05 31 Datos Q83001 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Control de actitud amp oldid 139713699, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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