¿Cómo se configuran los propulsores de las Voyagers de una manera novedosa para minimizar las aceleraciones a lo largo del eje Tierra-nave espacial?

Acabo de leer en Eshleman et al 1977 Radio Science Investigations with Voyager que los viajeros tienen:

...una novedosa configuración de propulsores de control de actitud que minimiza las aceleraciones a lo largo de la línea de visión de la Tierra y la nave espacial;

Supongo que el objetivo sería minimizar cualquier pequeña cantidad de delta-v que pudiera afectar las mediciones de velocidad Doppler, ya que hay mucha ciencia disponible en estas mediciones de precisión.

¿Significa esto simplemente que la "nueva configuración de propulsores de control de actitud" está diseñada para equilibrar el impulso de los propulsores utilizados de modo que solo se aplique par sobre el centro de masa de la nave espacial? Si es así, ¿cómo se logró esta novedosa minimización?

Si no es así, ¿qué significa?

Creo que la respuesta a su pregunta está en la página 258 de este documento, pero no la entiendo lo suficientemente bien como para escribir una respuesta: users.cecs.anu.edu.au/~Jonghyuk.Kim/teaching/KF%20Voyager. pdf
@OrganicMarble que está repleto de ventajas técnicas, disfrutaré investigando eso con seguridad, ¡gracias!
Hice una búsqueda bastante extensa, pero no puedo encontrar ninguna información sobre cómo se instalan los propulsores. A pesar del documento al que hace referencia @OrganicMarble, encontré varios textos que dicen que los propulsores funcionan en pares, pero no ofrecen más detalles. Ese documento tampoco entra en detalles sobre la configuración del propulsor.
@Hobbes gracias por investigar esto más a fondo. Hay comentarios sobre ¿Cómo están orientados los 16 propulsores de la Voyager? pero allí tampoco hay respuestas. ¡Todo un rompecabezas! Me pregunto si es hora de empezar a buscar modelos 3D y calcular momentos nosotros mismos. Solo necesita 1) recopilar todos estos diagramas, 2) obtener un sistema de coordenadas y 3) una referencia que establezca las coordenadas del centro de masa en ese sistema.
Los diagramas disponibles muestran dónde están los grupos de propulsores, pero no tienen suficiente resolución para mostrar en qué dirección apuntan las toberas.
La Figura 4 del enlace de mármol orgánico de @Hobbes tiene etiquetas "cabeceo, balanceo, guiñada" y el diagrama de RussellBorogove en esta respuesta tiene algunas agrupaciones codificadas por colores agradables tomadas de algún lugar, también debe haber más. También está el diagrama de modos de control de actitud en spaceflight101.com/newhorizons/spacecraft-overview
Voyager Backgrounder ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19810001583.pdf y todas las demás referencias que he encontrado dicen que hay 12 chorros en dos sistemas de 6, solo se usa un sistema en un momento. Ahora, si solo tiene 6 chorros, obviamente no pueden disparar en pares (aparte del sentido trivial de que uno dispara para iniciar un movimiento y el opuesto dispara para detenerlo) porque solo tiene 1 chorro/dirección/eje.
@OrganicMarble Estaba a punto de decir que siempre puedes girar la nave espacial en una dirección, pero luego recordé que la descarga de impulso necesitaría propulsores bidireccionales.
Sí, sería un poco difícil detener su rotación si sus chorros solo apuntaran en una dirección...
@OrganicMarble ¡Oh, eso fue una tontería! no importa :-)
Eso es Nuevos Horizontes, ¿no?
@OrganicMarble Hice un GIF de propulsores opuestos, así que lo recordaré la próxima vez. Este es New Horiiiiiiiizohons ... i.stack.imgur.com/D7iHh.gif de youtu.be/j3Jm5POCAj8?t=106 (alerta de música alta)
ah ¡Buen trabajo! Siempre me olvido de mirar mis corredores de memoria :(
@OrganicMarble: para el control de actitud, solo debe preocuparse por los 3 grados de libertad de rotación, por lo que 6 propulsores son suficientes. Se operan en pares +-, según el diagrama en su primer comentario. El documento mencionado en la pregunta también dice lo siguiente sobre los propulsores: "la nueva configuración del propulsor mejora la navegación de la nave espacial y ayuda a las investigaciones de la mecánica celeste". Esto está en la sección 7, donde parece que la "novela" aquí solo significa "nuevo", como en, es un diseño diferente al que tenían antes.
@IronEagle todas mis publicaciones aquí han respaldado mi argumento de que 6 propulsores fueron suficientes. No estoy seguro de qué punto está tratando de hacer, si está apoyando mis argumentos, ¡gracias!
La recompensa de @IronEagle vence en 22 horas y hay un período de gracia de 24 horas después de eso. Creo que hay suficiente información en los comentarios y enlaces aquí para escribir una respuesta; sería genial si la recompensa no se desperdiciara :-)
@uhoh: gracias por el empujón, creo que en realidad lo descubrí.
@uhoh, este resurgimiento recordó que hace años, mientras investigaba esto, encontré un dibujo mecánico de 3 vistas que muestra las ubicaciones de los 12 propulsores. Lamentablemente, ya no recuerdo exactamente dónde encontré el dibujo :( Pero aquí hay un recorte que muestra los 12 propulsores y un recorte que muestra la placa de identificación del dibujo. i.imgur.com/53QJwDJ.jpg i.imgur.com/xtsVWFz.png
@uhoh Me fascinó especialmente que los 4 impulsores de paso estén básicamente ubicados en el mismo lugar.
@uhoh, sospecho que la "configuración novedosa" puede tener que ver con el hecho de que los impulsores de paso están inclinados 45 grados. Tenga en cuenta que los propulsores de guiñada y balanceo, que proporcionarán los movimientos de traslación no deseados perpendiculares a la línea de visión de la antena, no están inclinados de manera similar. Solo los propulsores de inclinación, que provocarían la traslación a lo largo de la línea de visión, tienen esa inclinación. Pero voy a tener que pensar en cómo ayudaría eso.
@OrganicMarble vea la discusión debajo de la respuesta actual, estoy pensando que no ayudaría, y mi cita original es incorrecta.
@uhoh, sospecho que la cita también es un error.
@OrganicMarble: tendería a estar de acuerdo en que los 45 grados serían lo novedoso ... el control normal los tendría alineados con la antena. Pero tampoco entiendo por qué los 45 grados?
Lo único que puedo pensar es que reduce la cantidad de aceleración a lo largo de la línea de visión en comparación con el mismo propulsor alineado a lo largo de la línea de visión. Entonces, para algunos valores de "minimiza"...
De hecho, apuesto a que es exactamente de lo que están hablando. Si puedo sacar algunos números, puedo escribir una respuesta.
@OrganicMarble ¡Adelante!

Respuestas (2)

Esta respuesta es algo especulativa y se basa en una interpretación generosa de lo que significa "minimiza las aceleraciones".

Obtuve un dibujo de tres vistas de la Voyager de un enlace en esta respuesta . ¿Qué significa cuando las Voyagers "cambian de propulsor"?

ingrese la descripción de la imagen aquí

He recortado y anotado una parte del dibujo que trata sobre los impulsores de paso.

ingrese la descripción de la imagen aquí

De manera algo inusual, los propulsores de paso no están montados perpendicularmente al eje sobre el que están diseñados para producir rotación. En cambio, están inclinados aproximadamente 45 grados. Los propulsores de guiñada y balanceo de la Voyager no muestran esta inclinación.

Dado que todos los documentos que he encontrado afirman que en el sistema de control de actitud de la Voyager, un solo chorro se dispara para inducir una rotación, necesariamente también se produce una traslación no deseada. Al inclinar los chorros de inclinación 45 grados, la cantidad de aceleración de traslación a lo largo de la línea de visión (LOS) de la antena se reduce en ~30 %.

La línea roja que agregué al dibujo representa un vector de empuje hipotético de un chorro de cabeceo. La línea verde es su componente en la dirección de la antena LOS. La línea morada es el mismo vector de empuje dirigido a lo largo de LOS y sirve para mostrar el aumento de ~30 % en el empuje a lo largo de LOS en comparación con el producido por el chorro inclinado.

¿Es el 30% una minimización significativa? Un escéptico podría señalar que la inclinación también permite que los chorros etiquetados como "-P1" y "-P2" minimicen su incidencia en la parte posterior de la antena. Pero una buena característica de diseño puede servir para más de una función.

Sí, creo que es probable que sea la mejor respuesta.
@uhoh gracias! De posible interés, subí el plano completo a archive.org/details/blueprint-voyager
Ahora tendré que salir y comprar un monitor más grande.

"Novedoso" aquí significa con respecto a otras misiones planetarias, y también el combustible del propulsor: las misiones anteriores a los planetas exteriores (Pioneer) fueron estabilizadas por giro , y las misiones anteriores a los planetas interiores utilizaron propulsores de gas frío. Una cita de más adelante en el mismo documento en su pregunta:

La nave espacial Voyager incorpora varias mejoras en el equipo y el diseño que mejorarán las investigaciones científicas de radio con respecto a las misiones planetarias anteriores ... la nueva configuración del propulsor mejora la navegación de la nave espacial al mismo tiempo que ayuda a las investigaciones de la mecánica celeste". (énfasis mío)

No se menciona mucho más en ese documento con respecto a los propulsores, pero creo que es solo esta distinción entre la Voyager y las misiones planetarias anteriores. El propulsor de hidracina MR-103 también era relativamente nuevo, con el primer vuelo del propulsor solo en 1974 , y este artículo se publicó en 1977.

En otras palabras, es una configuración de "propulsor novedoso", no una "configuración de propulsor novedoso".

Misiones a planetas interiores antes de 1977 por USA, con métodos de estabilización:

  • Mariner: 2 juegos de 6 propulsores de gas frío, 3 giroscopios ( enlace ) (Marte, Venus)
  • Pionero: estabilización de giro ( enlace ) (Júpiter, Saturno)
  • Viking: propulsores de gas frío ( enlace ) (Marte)
hmm ... la novela lo que sea "minimiza las aceleraciones a lo largo de la línea de visión de la Tierra y la nave espacial" y eso parece sugerirme al menos que la novedad proporciona una forma de controlar la actitud con una cantidad mínima de empuje a lo largo de la línea de visión -dirección de la vista. Eso sería importante para permitir el control de actitud durante una transmisión larga con fines de alcance (pueden ser diez horas o más para algunas naves espaciales) sin causar una falla de desplazamiento Doppler. Realmente creo que hay algo más en esto, como que los propulsores de cabeceo y guiñada tienen un empuje mínimo a lo largo de la dirección del eje de la antena.
@uhoh: puede haber, pero no parece haber mucha documentación. Mencionaría que una nave estabilizada por giro no tiene ninguna, así que tal vez eso es con lo que se están comparando. ¿Quizás uno de los autores del artículo todavía está vivo?
En realidad, el documento en el primer enlace bajo la pregunta Campbell, Synnott y Bierman 1983 Voyager Orbit Determination at Jupiter dice: "Un defecto de diseño de la nave espacial es que las columnas de escape de los propulsores de actitud de paso positivo y negativo, que tienen componentes de velocidad a lo largo del dirección de medición radiométrica". Busque "propulsor" en el documento para varias discusiones.
Si en sus tres ejemplos anteriores los propulsores no fueran perpendiculares al eje de la antena oa la dirección de "medición radiométrica", ¡entonces la configuración de la Voyager sería única!
Quedan 4 horas (más un período de gracia de 24 horas) en el temporizador de recompensas, pero sin presión :-)
@uhoh: interesante, continuando con su cita: "... Este hecho se conocía antes del lanzamiento, pero se creía que el efecto sería insignificante. La conclusión de un estudio posterior al lanzamiento fue que, de hecho, el efecto de impacto de la pluma es significativo. " Por lo tanto, los propulsores no son perpendiculares a la dirección radiométrica (que habría sido mínima), pero aparentemente estaban equilibrados en el diseño, que perdió este efecto.
¿Viste los comentarios de OM justo ahora debajo de la pregunta? ¡Ay, parecen unos 45 grados y no parecen equilibrados en absoluto! Por lo tanto, ciertamente impartirán alguna aceleración a lo largo de la dirección radiométrica. Me pregunto si la cita en la pregunta es simplemente incorrecta.
¿Cómo se configuran los propulsores de las Voyagers de una manera novedosa para minimizar las aceleraciones a lo largo del eje Tierra-nave espacial?
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