Una rueda de reacción ( RW ) es un motor eléctrico unido a un volante de inercia , que, cuando se cambia su velocidad de rotación, provoca una contrarrotación proporcionalmente a través de la conservación del momento angular . [1] Una rueda de reacción solo puede girar alrededor de su centro de masa ; no es capaz de moverse de un lugar a otro ( fuerza de traslación ).
Las ruedas de reacción se utilizan principalmente en naves espaciales para el control de actitud de tres ejes y no requieren cohetes ni aplicadores externos de par , lo que reduce la fracción de masa necesaria para el combustible. Proporcionan una alta precisión de apuntamiento, [2] : 362 y son particularmente útiles cuando la nave espacial debe rotarse en cantidades muy pequeñas, como para mantener un telescopio apuntando a una estrella.
A veces, se hace funcionar una rueda de reacción 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 rotacional 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 resulten directamente en un movimiento angular de la nave espacial sobre el mismo eje que el par de perturbación; en cambio, resultan en un movimiento angular (generalmente menor) ( precesión ) de ese eje de la nave espacial sobre un eje perpendicular. Esto tiene el efecto de tender a estabilizar ese eje de la nave espacial para que apunte en una dirección casi fija, [2] : 362 lo que permite un sistema de control de actitud menos complicado. Los satélites que utilizan este enfoque de estabilización de "sesgo de momento" incluyen SCISAT-1 ; al orientar el eje de la rueda de momento para que sea paralelo al vector normal de la órbita, este satélite está en una configuración de "sesgo de momento de cabeceo".
Para el control de tres ejes, las ruedas de reacción deben montarse a lo largo de 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 transportada además de una configuración de tres ejes. [2] : 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 se desarmaría la rueda y, por lo 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 se puede controlar fácilmente, los cambios temporales en su velocidad dan como resultado pequeños cambios en el ángulo. Por lo tanto, las ruedas permiten cambios muy precisos en la actitud de una nave espacial . Por este motivo, las ruedas de reacción se utilizan a menudo para apuntar naves espaciales que transportan cámaras o telescopios.
Con el tiempo, las ruedas de reacción pueden acumular suficiente impulso almacenado para superar la velocidad máxima de la rueda, llamada saturación. Sin embargo, al reducir la velocidad de 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 encienden cuando las ruedas reducen la velocidad para contrarrestar el par que las ruedas imparten a la nave espacial a medida que disminuyen la velocidad. [4]
Con el tiempo se han desarrollado métodos más eficientes en cuanto al 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 que se puede entregar a la órbita. Estos métodos incluyen magnetorquers (mejor conocidos como barras de torsión), que transfieren el momento angular a la Tierra a través de su campo magnético planetario requiriendo solo energía eléctrica y nada de combustible. [2] : 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 chorros de actitud de alta eficiencia, como propulsores iónicos .
Beresheet fue lanzado a bordo de 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 temblores cuando la cantidad de combustible líquido se agotaba, fue 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 una 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 lo largo de la vela, lo que da como resultado una mayor altitud. [8]
El fallo 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 causar un fracaso de la misión. Estudios recientes concluyen que estos fallos pueden estar correlacionados con efectos del clima espacial . Estos eventos probablemente causaron fallos al inducir descargas electrostáticas en los cojinetes de bolas de acero de las ruedas de Ithaco , comprometiendo la suavidad del mecanismo. [9]
Dos misiones de mantenimiento al telescopio espacial Hubble han reemplazado una rueda de reacción. En febrero de 1997, la segunda misión de mantenimiento ( STS-82 ) reemplazó una [10] debido a "anomalías eléctricas", en lugar de cualquier problema mecánico. [11] El estudio del mecanismo devuelto proporcionó una oportunidad poco común para estudiar el equipo que había estado en servicio a largo plazo (siete años) en el espacio, en particular para los efectos del vacío en los lubricantes . Se encontró que el compuesto lubricante estaba en "excelentes condiciones". [11] En 2002, durante la misión de mantenimiento 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 estuvieron en funcionamiento. [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 obligó a la nave a depender de propulsores químicos para mantener el control de la actitud. [13]
Desde julio de 2012 hasta el 11 de mayo de 2013, dos de las cuatro ruedas de reacción del telescopio espacial Kepler fallaron. Esta pérdida afectó gravemente la capacidad del Kepler de mantener una orientación lo suficientemente precisa como para continuar con su misión original. [14] El 15 de agosto de 2013, los ingenieros concluyeron que las ruedas de reacción del Kepler no se pueden recuperar y que la búsqueda de planetas mediante el método de tránsito (que mide los cambios en el brillo de las estrellas causados por los planetas en órbita) no podría continuar. [15] [16] [17] [18] Aunque las ruedas de reacción fallidas todavía funcionan, están experimentando una fricción que excede los niveles aceptables y, en consecuencia, obstaculizan la capacidad del telescopio para orientarse correctamente. El telescopio Kepler regresó 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 requieran la extrema precisión en su orientación necesaria para la misión original. [19] El 16 de mayo de 2014, la NASA extendió 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 determinara que el suministro de combustible se había agotado. [21]
La sonda espacial de la NASA Dawn tuvo un exceso de fricción en una rueda de reacción en junio de 2010. Originalmente estaba programado que saliera 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 propulsores a chorro 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.
El martes 18 de enero de 2022 por la tarde, una posible falla en una de las ruedas de reacción del Observatorio Swift provocó que el equipo de control de la misión apagara la rueda sospechosa, poniendo al observatorio en modo seguro como medida de precaución. Esta fue la primera vez que una rueda de reacción falló en Swift en 17 años. Swift reanudó sus operaciones científicas el 17 de febrero de 2022. [23]
Un giroscopio de momento de control (CMG) es un tipo relacionado pero diferente de actuador de actitud, que generalmente consiste en una rueda de momento montada en un cardán de uno o dos ejes . [2] : 362 Cuando se monta en una nave espacial rígida, la aplicación de un par constante a la rueda utilizando uno de los motores del cardán hace que la nave espacial desarrolle una velocidad angular constante alrededor de un eje perpendicular, lo que permite el control de la dirección de apuntamiento de la nave espacial. Los CMG generalmente pueden producir pares sostenidos más grandes 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 .
Los astronautas reemplazaron uno de los cuatro conjuntos de ruedas de reacción que forman el sistema de control de orientación del Hubble.
