Una rueda de reacción (RW) se utiliza principalmente en naves espaciales para el control de actitud de tres ejes y no requiere cohetes ni aplicadores externos de torque. Proporcionan una alta precisión de puntería, [1] : 362 y son particularmente útiles cuando la nave espacial debe girarse en cantidades muy pequeñas, como cuando se mantiene un telescopio apuntando a una estrella.
Una rueda de reacción a veces se opera como (y se la denomina) rueda de impulso , operándola a una velocidad de rotación constante (o casi constante), para proporcionar a un satélite una gran cantidad de momento angular almacenado . Al hacerlo, se altera la dinámica de rotación de la nave espacial de modo que los pares de perturbación perpendiculares a un eje del satélite (el eje paralelo al eje de giro de la rueda) no resultan directamente en un movimiento angular de la nave espacial alrededor del mismo eje que el par de perturbación; en cambio, dan como resultado un movimiento angular (generalmente más pequeño) ( precesión ) del eje de la nave espacial alrededor de un eje perpendicular. Esto tiene el efecto de tender a estabilizar el eje de la nave espacial para que apunte en una dirección casi fija, [1] : 362 permitiendo un sistema de control de actitud menos complicado. Los satélites que utilizan este enfoque de estabilización de "sesgo de impulso" incluyen SCISAT-1 ; Al orientar el eje de la rueda de impulso para que sea paralelo al vector de órbita normal, este satélite se encuentra en una configuración de "sesgo de impulso de tono".
Un giroscopio de momento de control (CMG) es un tipo de actuador de actitud relacionado pero diferente, que generalmente consiste en una rueda de impulso montada en un cardán de uno o dos ejes . [1] : 362 Cuando se monta en una nave espacial rígida, la aplicación de un par constante a la rueda usando uno de los motores de cardán hace que la nave espacial desarrolle una velocidad angular constante alrededor de un eje perpendicular, permitiendo así controlar la dirección de orientación de la nave espacial. Los CMG generalmente son capaces de producir pares sostenidos mayores que los RW con menos calentamiento del motor, y se utilizan preferentemente en naves espaciales más grandes o más ágiles (o ambas), incluidas Skylab , Mir y la Estación Espacial Internacional .
Las ruedas de reacción se utilizan para controlar la actitud de un satélite sin el uso de propulsores, lo que reduce la fracción de masa necesaria para el combustible.
Funcionan equipando la nave espacial con un motor eléctrico conectado a un volante que, cuando se cambia su velocidad de rotación, hace que la nave espacial comience a contrarotar proporcionalmente mediante la conservación del momento angular . [2] Las ruedas de reacción pueden hacer girar una nave espacial sólo alrededor de su centro de masa (ver par ); no son capaces de mover la nave espacial de un lugar a otro (ver fuerza de traslación ).
Para el control de tres ejes, las ruedas de reacción deben montarse en al menos tres direcciones, con ruedas adicionales que proporcionen redundancia al sistema de control de actitud. Una configuración de montaje redundante podría consistir en cuatro ruedas a lo largo de ejes tetraédricos, [3] o una rueda de repuesto además de una configuración de tres ejes. [1] : 369 Los cambios de velocidad (en cualquier dirección) se controlan electrónicamente por computadora. La resistencia de los materiales utilizados en una rueda de reacción determina la velocidad a la que la rueda se separaría y, por tanto, cuánto momento angular puede almacenar.
Dado que la rueda de reacción es una pequeña fracción de la masa total de la nave espacial y es fácil de controlar, los cambios temporales en su velocidad dan como resultado pequeños cambios de ángulo. Por tanto, las ruedas permiten cambios muy precisos en la actitud de una nave espacial . Por esta razón, las ruedas de reacción se utilizan a menudo para orientar naves espaciales que llevan cámaras o telescopios.
Con el tiempo, las ruedas de reacción pueden acumular suficiente impulso almacenado para exceder la velocidad máxima de la rueda, lo que se denomina saturación. Sin embargo, al frenar las ruedas se imparte un par que provoca una rotación no deseada. Por lo tanto, los diseñadores complementan los sistemas de ruedas de reacción con otros mecanismos de control de actitud para cancelar el par causado por la "desaturación" de las ruedas de reacción. [4] Normalmente los diseñadores utilizan "sistemas de control de reacción"; conjuntos de pequeños motores de cohetes químicos que se disparan cuando las ruedas reducen la velocidad para contrarrestar el par que las ruedas imparten a la nave espacial a medida que reducen la velocidad. [4]
Con el tiempo se han desarrollado métodos más eficientes en cuanto a consumo de combustible para la desaturación de las ruedas de reacción. Al reducir la cantidad de combustible con el que se necesita lanzar la nave espacial, aumentan la carga útil útil que se puede poner en órbita. Estos métodos incluyen magnetorquers (más conocidos como barras de torsión), que transfieren momento angular a la Tierra a través de su campo magnético planetario, requiriendo sólo energía eléctrica y no combustible. [1] : 368 Sin embargo, están limitados a áreas del espacio con un campo magnético suficientemente grande (como en la órbita terrestre baja). En ausencia de un campo magnético suficientemente fuerte, la siguiente práctica más eficiente es utilizar jets de actitud de alta eficiencia, como propulsores de iones .
Beresheet fue lanzado en un cohete Falcon 9 el 22 de febrero de 2019 a las 1:45 UTC, [5] con el objetivo de aterrizar en la Luna . Beresheet utiliza la técnica de transferencia de baja energía para ahorrar combustible. Desde su cuarta maniobra [6] en su órbita elíptica, para evitar sacudidas cuando la cantidad de combustible líquido se agotaba, era necesario utilizar una rueda de reacción.
El telescopio espacial James Webb tiene seis ruedas de reacción construidas por Rockwell Collins Deutschland. [7]
LightSail 2 se lanzó el 25 de junio de 2019 y se centró en el concepto de vela solar . LightSail 2 utiliza un sistema de rueda de reacción para cambiar la orientación en cantidades muy pequeñas, lo que le permite recibir diferentes cantidades de impulso de la luz a través de la vela, lo que resulta en una mayor altitud. [8]
La falla de una o más ruedas de reacción puede hacer que una nave espacial pierda su capacidad de mantener la actitud (orientación) y, por lo tanto, potencialmente provocar el fracaso de la misión. Estudios recientes concluyen que estos fallos pueden correlacionarse con los efectos del clima espacial . Estos hechos probablemente provocaron fallas al inducir descargas electrostáticas en los rodamientos de bolas de acero de las ruedas Ithaco , comprometiendo la suavidad del mecanismo. [9]
Dos misiones de mantenimiento al Telescopio Espacial Hubble han sustituido una rueda de reacción. En febrero de 1997, la Segunda Misión de Servicio ( STS-82 ) reemplazó uno [10] después de "anomalías eléctricas", en lugar de cualquier problema mecánico. [11] El estudio del mecanismo de retorno brindó una oportunidad única para estudiar equipos que habían estado en servicio a largo plazo (siete años) en el espacio, particularmente para determinar los efectos del vacío en los lubricantes . Se encontró que el compuesto lubricante estaba en "excelentes condiciones". [11] En 2002, durante la Misión de Servicio 3B ( STS-109 ), los astronautas del transbordador Columbia reemplazaron otra rueda de reacción. [10] Ninguna de estas ruedas había fallado y el Hubble fue diseñado con cuatro ruedas redundantes y mantuvo la capacidad de apuntar mientras tres fueran funcionales. [12]
En 2004, durante la misión de la nave espacial Hayabusa , falló una rueda de reacción del eje X. La rueda del eje Y falló en 2005, lo que provocó que la nave dependiera de propulsores químicos para mantener el control de actitud. [13]
Desde julio de 2012 hasta el 11 de mayo de 2013, dos de las cuatro ruedas de reacción del telescopio Kepler fallaron. Esta pérdida afectó gravemente a la capacidad de Kepler para mantener una orientación suficientemente precisa para continuar con su misión original. [14] El 15 de agosto de 2013, los ingenieros concluyeron que las ruedas de reacción de Kepler no se pueden recuperar y que la búsqueda de planetas utilizando el método de tránsito (que mide los cambios en el brillo de las estrellas causados por los planetas en órbita) no podía continuar. [15] [16] [17] [18] Aunque las ruedas de reacción defectuosas todavía funcionan, están experimentando una fricción que excede los niveles aceptables y, en consecuencia, dificultan la capacidad del telescopio para orientarse adecuadamente. El telescopio Kepler volvió a su "estado de reposo puntual", una configuración estable que utiliza pequeñas cantidades de combustible de propulsión para compensar las ruedas de reacción fallidas, mientras que el equipo de Kepler consideró usos alternativos para Kepler que no requieren una precisión extrema en su orientación. necesario para la misión original. [19] El 16 de mayo de 2014, la NASA amplió la misión Kepler a una nueva misión llamada K2 , que utiliza Kepler de manera diferente, pero le permite continuar buscando exoplanetas . [20] El 30 de octubre de 2018, la NASA anunció el final de la misión Kepler después de que se determinó que se había agotado el suministro de combustible. [21]
La sonda espacial Dawn de la NASA tuvo un exceso de fricción en una rueda de reacción en junio de 2010. Originalmente estaba previsto que partiera de Vesta y comenzara su viaje de dos años y medio a Ceres el 26 de agosto de 2012; [22] sin embargo, un problema con otra de las ruedas de reacción de la nave espacial obligó a Dawn a retrasar brevemente su salida de la gravedad de Vesta hasta el 5 de septiembre de 2012, y planeó usar chorros de propulsión en lugar de las ruedas de reacción durante el viaje de tres años a Ceres. . [22] La pérdida de las ruedas de reacción limitó las observaciones de la cámara en la aproximación a Ceres.
En la noche del martes 18 de enero de 2022, una posible falla de una de las ruedas de reacción del Observatorio Swift provocó que el equipo de control de la misión apagara la rueda sospechosa, poniendo el observatorio en modo seguro como medida de precaución. Esta fue la primera vez que falló una rueda de reacción en Swift en 17 años. Swift reanudó las operaciones científicas el 17 de febrero de 2022. [23]
Los astronautas reemplazaron uno de los cuatro conjuntos de ruedas de reacción que componen el sistema de control de orientación del Hubble.
