¿Cómo se estabilizan los satélites con tanta precisión?

Question

Mira la foto del Campo Ultra Profundo del Hubble. Las estrellas que aparecen en ella son del orden de 1 segundo de arco de diámetro. En un orden de magnitud, esto es $10^{-6}$ radianes en un $10\text m$ telescopio que se mantuvo fijo durante $10^6$ segundos.

En otras palabras, la velocidad de la abertura del telescopio alrededor de los sensores de luz debía ser del orden de un angstrom por segundo.

Quizá mis cálculos sean erróneos, pero parece una hazaña extraordinaria de control. No acabo de creérmelo. El programador informático que hay en mí sospecha que, dado que la imagen se capturó en varias ocasiones, cada una de ellas estaría algo menos manchada que una única exposición larga y algún tipo de algoritmo de búsqueda de correspondencias podría unir las imágenes (e inferir la deriva del telescopio). En cualquier caso, incluso si eso es lo que hicieron, el satélite se mantiene asombrosamente estable.

¿Cómo conseguirlo?

Answer 1

En realidad, las ruedas de reacción o los giroscopios de momento de control son sólo una parte de la respuesta. Para mantener la exactitud y precisión del orden de lo que exige Hubble se requiere un sistema F eedback Control System de actuadores y sensores. Para el apuntamiento microradiano, las ruedas de reacción proporcionan sólo la primera etapa de aislamiento de las perturbaciones en un sistema de control de apuntamiento de varias etapas.

Entre las perturbaciones que pueden interferir en la estabilización de la actitud figuran las procedentes del exterior de la nave espacial, como las anomalías magnéticas y el arrastre atmosférico de las órbitas planetarias, o los vientos solares de las naves espaciales más alejadas de un planeta, como ejemplos. Las perturbaciones también pueden provenir de la propia nave, como los modos vibratorios excitados por el escalonamiento de los paneles solares.

Se pueden utilizar ruedas de reacción o CMG para cambiar la actitud de la nave espacial y, junto con la retroalimentación de los giroscopios o las unidades de medición inercial (IMU), los sistemas de control de bucle cerrado mantienen la actitud en quizás 10 microrradianes frente a las perturbaciones.

Pero para llegar a una estabilidad microrradian o submicrorradian suele ser necesario disponer de componentes ópticos en la línea de visión que compensen la fluctuación residual de mayor frecuencia que el sistema de control de la rueda de reacción es incapaz de eliminar. Un espejo de dirección rápida, por ejemplo, puede inclinarse para realinear la trayectoria óptica en función de lo que el sensor de imagen lea de la estrella o galaxia objetivo.

Answer 2

Utilizan ruedas de reacción que son un tipo de volante para estabilizar muchas naves espaciales. Para las misiones que necesitan ser extremadamente estables (es decir, cualquier misión con telescopios como el Hubble), se intenta evitar el uso de los propulsores, ya que éstos provocan pequeñas vibraciones que "suenan" en toda la nave espacial. Las vibraciones pueden durar periodos relativamente largos en algunas naves espaciales debido a su diseño.

Editar
Debo añadir que las ruedas de reacción suelen estar fabricadas con materiales ferromagnéticos (o ligeramente magnéticos) por diversas razones. Desgraciadamente, esto causa muchos problemas para una nave espacial que necesite medir campos electromagnéticos, ya que un magneto giratorio produce campos enormes en comparación con, por ejemplo, el viento solar. El Hubble, afortunadamente, sólo se preocupa de la luz incidente, que en realidad no debería preocuparse por los pequeños campos producidos por estas ruedas. La nueva misión, Sonda Solar Plus , se preocupa por limpieza magnética por lo que están trabajando en el tratamiento de los campos inducidos de las ruedas de reacción.

Edición: 2
Para naves espaciales pequeñas, por ejemplo CubeSats que no se preocupan por la precisión absoluta en su control de actitud, pueden utilizar par magnético del campo magnético terrestre para alinear un eje de un gran imán dentro del cuerpo de la nave espacial. Esto puede ser útil para CubeSats que tengan un detector de partículas que desee permanecer mirando a lo largo del campo magnético de fondo.

Algunas naves espaciales, como Viento tienen sensores en estrella además de un sensor solar . Estos sistemas se utilizan para ayudar a mantener la dirección de apuntamiento deseada de una nave espacial. En el caso de Viento el equipo de operaciones de vuelo utiliza los sensores de estrellas y sol para mantener el eje de giro dentro de $<$ $1^{\circ}$ del polo sur de la eclíptica. El momento angular suministrado por la larga antena de hilo contribuye a mantener un eje de puntería muy estable.

Edición: 3
@PaulEGCopeBScARCSFBIS hizo una sugerencia útil en relación con la misión EXOSAT, que utilizó una combinación de giroscopios y propulsores para refinar su control de actitud. De Blanco y pavo real , [1988] resume las capacidades de la nave espacial:

Se utilizó un sistema de propulsión de gas frío propano tanto para las maniobras de giro como para el apuntamiento fino. La actitud se controló utilizando uno de los dos rastreadores de estrellas (cada uno de ellos conectado a un telescopio de baja energía), tres giroscopios y un sensor solar, y pudo mantenerse con una precisión de ~1 segundo de arco. Los rastreadores de estrellas necesitaban al menos una estrella (pero preferiblemente dos para una reconstrucción más precisa de la actitud) más brillante que la octava magnitud dentro de su campo de visión cuadrado de 3°.

Así que, como mencionó Paul, no debería haber descartado los controles de los propulsores tan rápidamente. El inconveniente de los propulsores es que limitan su vida útil y pueden introducir una nube de partículas neutras, que se ionizan rápidamente y pueden corromper las mediciones de partículas y campos.

Referencias
White, N.E. y A. Peacock "El observatorio EXOSAT". Mem. S. A. It. 59 , pp. 7-31, 1988.

Answer 3

Se necesitan tres capacidades para controlar con precisión la orientación de naves espaciales de alta precisión como el Hubble. La nave espacial debe tener

1. Una noción de hacia dónde debe apuntar,
2. Equipo que puede detectar la actitud y la velocidad de la nave espacial,
3. Equipos que modifican la actitud y la velocidad de la nave espacial,
4. Sistema de control que guía la nave espacial hacia un estado cercano al deseado.

La resolución de este problema es el tema del guiado, la navegación y el control de la actitud de las naves espaciales. El problema es irresoluble si falta alguna de esas piezas. Resulta ser un tema muy complejo. Las claves del rompecabezas son los puntos #2 y 3. El paso nº 1, saber hacia dónde apuntar, es sencillo: Es una orden desde el suelo. Paso #4, corregir el error es un tema bien conocido pero complejo (se necesita un máster, mínimo). Pasar del paso nº 1 al nº 4 es difícil. La nave espacial debe ser capaz de medir las desviaciones del valor nominal (paso nº 2) y de corregirlas (paso nº 3).