¿Cómo controla New Horizons su actitud?

Intentaré responder a su pregunta general con una aplicación a la nave espacial New Horizons de la NASA.

El subsistema AOCS/GNC (Actitud y Control Orbital del Sistema/Guía de Navegación y Control) se encarga de que una nave espacial apunte a un punto específico en el espacio, determina la actitud s/c y realiza correcciones de trayectoria.

Entonces, en términos simples, un sistema AOCS se construye mediante:

• sensores (seguidores de estrellas, sensor de tierra, magnetómetro IMU, etc.)
• actuadores (los diferentes propulsores, ruedas de reacción, magnetorquers)
• algoritmo de control (por ejemplo código C).

Ahora, para poner esto en perspectiva, necesita un diagrama básico para comprender los conceptos básicos de la ingeniería de control:

^{Un circuito de retroalimentación típico de una sola entrada y una sola salida con descripciones de sus diversas partes. Imagen: Wikimedia Commons}

No entraré en demasiados detalles. En esencia: está tratando de minimizar el error en función de la retroalimentación sensorial mediante el control de los actuadores s/c.

De acuerdo con la descripción de la misión del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins (APL), página de Sistemas y componentes de naves espaciales , New Horizons tiene el siguiente sistema GNC:

La determinación de la actitud (saber en qué dirección mira New Horizons) se realiza mediante cámaras de seguimiento de estrellas, unidades de medición inercial (que contienen giroscopios y acelerómetros sofisticados que miden la rotación y el movimiento horizontal/vertical) y sensores solares digitales. El control de actitud de la nave espacial, ya sea en un modo de apuntamiento constante de tres ejes o en un modo de giro estabilizado, se logra mediante propulsores.

Las IMU y los rastreadores de estrellas brindan información de posición constante al procesador de Orientación y Control de la nave espacial, que al igual que el procesador de Manejo de Datos y Comando es un Mongoose V de 12 MHz. New Horizons lleva dos copias de cada una de estas unidades para redundancia. Las cámaras de seguimiento de estrellas almacenan un mapa de unas 3.000 estrellas; Diez veces por segundo, una de las cámaras toma una imagen de gran angular del espacio, compara las ubicaciones de las estrellas con su mapa a bordo y calcula la orientación de la nave espacial. La IMU transmite información de movimiento 100 veces por segundo. Si los datos muestran que New Horizons está fuera de una posición predeterminada, se dispararán pequeños propulsores de hidracina para reorientar la nave espacial. Los sensores solares respaldan a los rastreadores de estrellas; encontrarían y apuntarían New Horizons hacia el Sol (con la Tierra cerca) si los otros sensores no pudieran encontrar su hogar en una emergencia.

Los operadores usan propulsores para maniobrar la nave espacial, que no tiene ruedas de reacción internas. Sus propulsores más pequeños se utilizan para apuntar con precisión; Se utilizan propulsores que son aproximadamente cinco veces más potentes durante las maniobras de curso de trayectoria que guían a New Horizons hacia sus objetivos. New Horizons gira, generalmente a 5 revoluciones por minuto (RPM), durante las maniobras de corrección de trayectoria y largos contactos de radio con la Tierra, y mientras "hibernaba" durante largos períodos de crucero. Los operadores estabilizan y apuntan la nave espacial durante las observaciones científicas y las comprobaciones del sistema de instrumentos.

Según el sitio de la NASA New Horizon

New Horizons ha operado principalmente en un modo estabilizado por giro mientras viajaba entre planetas, y también en un modo de "punteo" de tres ejes que permite apuntar o escanear instrumentos durante calibraciones y encuentros planetarios (como el sobrevuelo de Júpiter y, por supuesto, en Plutón). No hay ruedas de reacción en la nave espacial; pequeños propulsores en el sistema de propulsión manejan las correcciones de orientación, giro y rumbo.

La medición de la actitud se realiza mediante una unidad de navegación inercial (giroscopios) y mediante rastreadores de estrellas Galileo Avionica A-STR modificados .

La posición de Plutón no es medida por la nave espacial . Durante el encuentro, la nave espacial está preprogramada para apuntar en la dirección X en el momento Y y tienen que esperar que Plutón esté en el marco. (fuente: el documental de National Geographic "Mission Pluto")

De un artículo reciente del Washington Post :

Le pregunté al Gerente de Proyecto Glen Fountain si era posible que la nave espacial girara en la dirección equivocada y tomara fotografías del espacio vacío, y dijo que no, a menos que los datos de las efemérides estuvieran muy equivocados.

El énfasis es mío: utilizan datos de efemérides recogidos en la Tierra, además de imágenes de navegación realizadas por las cámaras principales de NH que se interpretan en la Tierra.

Para el control de actitud, NH utiliza 12 propulsores de hidracina Aerojet MR-103H , que se eligieron porque pueden funcionar en intervalos tan cortos como 4 ms. Una sola válvula solenoide controla la cantidad de combustible inyectado. Debido a que se trata de un monopropulsor, no hay duda sobre la mezcla de propulsor y oxidante, y el empuje es predecible incluso en estas ráfagas cortas. El resultado es que la nave se puede apuntar con suficiente precisión usando solo propulsores.