Roda de reação - Reaction wheel

Uma pequena roda de reação vista de perfil
Uma roda de impulso / reação que compreende parte de um Sensor Cônico de Terra de alta precisão para manter a atitude precisa de um satélite

Uma roda de reação (RW) é um tipo de volante usado principalmente por naves espaciais para controle de atitude de três eixos , que não requer foguetes ou aplicadores externos de torque. Eles fornecem uma alta precisão de apontamento e são particularmente úteis quando a espaçonave deve ser girada por quantidades muito pequenas, como manter um telescópio apontado para uma estrela.

Uma roda de reação é algumas vezes operada como (e referida como) uma roda de momento , operando-a em uma velocidade de rotação constante (ou quase constante), a fim de imbuir um satélite com uma grande quantidade de momento angular armazenado . Isso altera a dinâmica rotacional da espaçonave de modo que os torques de perturbação perpendiculares a um eixo do satélite (o eixo paralelo ao eixo de rotação da roda) não resultem diretamente no movimento angular da espaçonave em torno do mesmo eixo do torque de perturbação; em vez disso, eles resultam em um movimento angular (geralmente menor) ( precessão ) do eixo da espaçonave em torno de um eixo perpendicular. Isso tende a estabilizar o eixo da espaçonave para apontar em uma direção quase fixa, permitindo um sistema de controle de atitude menos complicado. Os satélites que usam essa abordagem de estabilização de "polarização de impulso" incluem SCISAT-1 ; orientando o eixo da roda de momentum para ser paralelo ao vetor normal de órbita, este satélite está em uma configuração de "pitch momentum bias".

Um giroscópio de momento de controle (CMG) é um tipo relacionado, mas diferente, de atuador de atitude, geralmente consistindo em uma roda de momento montada em um gimbal de um ou dois eixos . Quando montada em uma espaçonave rígida, a aplicação de um torque constante à roda usando um dos motores do cardan faz com que a espaçonave desenvolva uma velocidade angular constante em torno de um eixo perpendicular, permitindo assim o controle da direção de apontamento da espaçonave. Os CMGs geralmente são capazes de produzir torques sustentados maiores do que os RWs com menos aquecimento do motor e são usados ​​preferencialmente em espaçonaves maiores e / ou mais ágeis, incluindo Skylab , Mir e a Estação Espacial Internacional .

Teoria

As rodas de reação são usadas para controlar a atitude de um satélite sem o uso de propulsores, o que reduz a fração de massa necessária para o combustível.

Eles funcionam equipando a espaçonave com um motor elétrico acoplado a um volante, que, quando sua velocidade de rotação é alterada, faz com que a espaçonave comece a girar em sentido contrário proporcionalmente através da conservação do momento angular . As rodas de reação podem girar uma espaçonave apenas em torno de seu centro de massa (ver torque ); eles não são capazes de mover a espaçonave de um lugar para outro (ver força translacional ).

Implementação

Para o controle de três eixos, as rodas de reação devem ser montadas ao longo de pelo menos três direções, com rodas extras fornecendo redundância ao sistema de controle de atitude. Uma configuração de montagem redundante pode consistir em quatro rodas ao longo de eixos tetraédricos ou uma roda sobressalente transportada além de uma configuração de três eixos. Mudanças na velocidade (em qualquer direção) são controladas eletronicamente por computador. A resistência dos materiais usados ​​em uma roda de reação determina a velocidade com que a roda se desfaria e, portanto, quanto momento angular ela pode armazenar.

Como a roda de reação é uma pequena fração da massa total da espaçonave, facilmente controlada, mudanças temporárias em sua velocidade resultam em pequenas mudanças no ângulo. As rodas, portanto, permitem mudanças muito precisas na atitude de uma espaçonave . Por esta razão, as rodas de reação são freqüentemente usadas para apontar espaçonaves carregando câmeras ou telescópios.

Com o tempo, as rodas de reação podem acumular quantidade de movimento armazenada suficiente para exceder a velocidade máxima da roda, chamada de saturação, que precisará ser cancelada. Os projetistas, portanto, complementam os sistemas de rodas de reação com outros mecanismos de controle de atitude. Na presença de um campo magnético (como na órbita baixa da Terra), uma espaçonave pode empregar magnetorquers (mais conhecidas como barras de torque) para transferir o momento angular para a Terra por meio de seu campo magnético planetário. Na ausência de um campo magnético, a prática mais eficiente é usar jatos de atitude de alta eficiência, como propulsores de íons , ou velas solares pequenas e leves colocadas em locais distantes do centro de massa da espaçonave, como em matrizes de células solares ou projeção de mastros.

Exemplos de espaçonaves usando rodas de reação

Beresheet

O Beresheet foi lançado em um foguete Falcon 9 em 22 de fevereiro de 2019 1:45 UTC, com o objetivo de pousar na lua . O Beresheet usa a técnica de transferência de baixa energia para economizar combustível. Desde a quarta manobra em sua órbita elíptica, para evitar tremores quando a quantidade de combustível líquido se esgotava, foi necessário o uso de uma roda de reação.

LightSail 2

O LightSail 2 foi lançado em 25 de junho de 2019, focado no conceito de vela solar . O LightSail 2 usa um sistema de roda de reação para mudar a orientação em quantidades muito pequenas, permitindo receber diferentes quantidades de impulso da luz que cruza a vela, resultando em uma altitude maior.

Falhas e impacto da missão

A falha de uma ou mais rodas de reação pode fazer com que uma espaçonave perca sua capacidade de manter a atitude (orientação) e, portanto, pode causar uma falha na missão. Estudos recentes concluem que essas falhas podem ser correlacionadas com os efeitos do clima espacial . Esses eventos provavelmente causaram falhas por indução de descarga eletrostática nos rolamentos de esferas de aço das rodas Ithaco, comprometendo a suavidade do mecanismo.

Hubble

Duas missões de serviço para o Telescópio Espacial Hubble substituíram uma roda de reação. Em fevereiro de 1997, a Segunda Missão de Manutenção ( STS-82 ) substituiu um após 'anomalias elétricas', em vez de qualquer problema mecânico. O estudo do mecanismo devolvido forneceu uma rara oportunidade de estudar equipamentos que haviam passado por um serviço de longo prazo (7 anos) no espaço, especialmente para os efeitos do vácuo nos lubrificantes . O composto lubrificante foi considerado em 'excelentes condições'. Em 2002, Servicing Mission 3B ( STS-109 ), os astronautas do ônibus espacial Columbia substituíram outra roda de reação. Nenhuma dessas rodas falhou e o Hubble foi projetado com quatro rodas redundantes e manteve a capacidade de apontar enquanto três estivessem funcionais.

Hayabusa

Em 2004, durante a missão da espaçonave Hayabusa , uma roda de reação do eixo X falhou. A roda do eixo Y falhou em 2005, fazendo com que a nave dependesse de propulsores químicos para manter o controle de atitude.

Kepler

De julho de 2012 a 11 de maio de 2013, duas das quatro rodas de reação do telescópio Kepler falharam. Essa perda prejudicou severamente a capacidade do Kepler de manter uma orientação suficientemente precisa para continuar sua missão original. Em 15 de agosto de 2013, os engenheiros concluíram que as rodas de reação do Kepler não podem ser recuperadas e que a busca de planetas usando o método de trânsito (medindo as mudanças no brilho das estrelas causadas por planetas em órbita) não poderia continuar. Embora as rodas de reação com falha ainda funcionem, elas estão experimentando atrito excedendo os níveis aceitáveis ​​e, conseqüentemente, impedindo a capacidade do telescópio de se orientar adequadamente. O telescópio Kepler foi devolvido ao seu "estado de repouso do ponto", uma configuração estável que usa pequenas quantidades de combustível do propulsor para compensar as rodas de reação que falharam, enquanto a equipe do Kepler considerou usos alternativos para o Kepler que não requerem extrema precisão em sua orientação conforme necessário para a missão original. Em 16 de maio de 2014, a NASA estendeu a missão Kepler para uma nova missão chamada K2 , que usa o Kepler de maneira diferente, mas permite que continue procurando por exoplanetas . Em 30 de outubro de 2018, a NASA anunciou o fim da missão Kepler depois que foi determinado que o suprimento de combustível havia se esgotado.

Alvorecer

Dawn tinha excesso de atrito em uma das rodas de reação em junho de 2010 e estava originalmente programado para partir de Vesta e começar sua jornada de dois anos e meio para Ceres em 26 de agosto de 2012. No entanto, um problema com outra das rodas de reação da espaçonave forçou Dawn para atrasar brevemente sua partida da gravidade de Vesta até 5 de setembro de 2012, e planejou usar jatos de propulsão em vez das rodas de reação durante a viagem de três anos para Ceres. A perda das rodas de reação limitou as observações da câmera na abordagem de Ceres.

Veja também

Referências

links externos