Estabilización de actitud pasiva con imanes: ¿existen estudios basados ​​en datos de vuelo reales?

Específicamente con la gente de satélites pequeños y cubesat, hay una idea bastante 'vieja': estabilización de actitud pasiva basada en imanes permanentes.

ingrese la descripción de la imagen aquí
Esquema de las líneas del campo magnético terrestre y la orientación de la cámara a lo largo de la órbita polar (crédito de la imagen: Universidad de Michigan)

El concepto es bastante simple. Un imán, que está montado en un satélite, siempre intentará alinear su campo magnético con el campo magnético de la Tierra. Esto es intrigante, porque no necesita computadoras, energía, partes móviles o cualquier forma de control.

Para mí, hay dos puntos débiles críticos en este concepto. Primero, si funciona, estabiliza un satélite solo en un solo eje. En segundo lugar, el campo magnético de la Tierra no es un dipolo limpio, tanto en lo que respecta a su intensidad como a la orientación de las líneas del campo magnético. Pero incluso si lo trata como un simple dipolo, la rotación relativa de las líneas del campo magnético a lo largo de, por ejemplo, una órbita polar no ocurre en un plano geométrico o con una velocidad angular constante. Para mí, intuitivamente, todo esto debería conducir a un comportamiento de volteo bastante extraño de dicho satélite.

Como se supone que funciona? ¿Existen estudios de este concepto basados ​​en datos de actitud de satélites realmente en el espacio? En caso afirmativo, ¿qué se encontró?

Los resultados de simulaciones detalladas por computadora también son interesantes para mí, pero claramente prefiero los resultados basados ​​en datos de vuelo. Hay una buena cantidad de proyectos que tienen la intención de usar imanes o los usaron (mientras el satélite falló), por lo que me resulta bastante difícil encontrar declaraciones que vayan más allá de 'funcionará'.

@ernestopheles UNISAT-4 iba a utilizar imanes para la estabilización pasiva de la actitud, pero el lanzamiento fracasó.
Veo un problema con este método. Como la aguja de la brújula se balancea de un lado a otro antes de estabilizarse apuntando hacia el norte cuando su fricción y su par magnético se cancelan, un satélite no tiene fricción para neutralizar las oscilaciones. Se podría usar un magnetorquer pasivo, una bobina con resistencia, para proporcionar una fuerza electrodinámica que actúe como una fricción, pero luego decaería la órbita en movimiento progresivo más que cancelar las oscilaciones.
@SF Es por eso que me encantaría echar un vistazo a un conjunto de datos reales para entender esto mejor. Si solo pudiera conseguir uno...
@SF Hay algo de amortiguación de oscilaciones por corrientes de Foucault. Si los campos magnéticos varían periódicamente, el flujo de corrientes inducidas se ve influenciado por la resistencia eléctrica y la energía de las oscilaciones se transforma en calor.

Respuestas (5)

Consulte con Kentucky Space. Tienen KySat-2 en órbita usando control magnético pasivo.

Aquí hay una descripción del sistema de control de su sitio web :

Estabilización magnética pasiva: KySat-2 está equipado con un esquema de control de actitud pasivo conocido como estabilización magnética pasiva. Esta técnica de control pasivo utiliza imanes permanentes y material de histéresis magnética fijado al chasis del KySat-2. Los imanes permanentes proporcionarán torsión en los intentos de alinearse con el campo magnético de la Tierra (de la misma manera que la aguja de una brújula magnética apunta al norte magnético). Los imanes permanentes se montarán en el chasis de la nave espacial de tal manera que, cuando se alineen con el campo magnético de la Tierra, la cámara del KySat-2 apuntará a la Tierra mientras se encuentre sobre el hemisferio norte y hacia el espacio mientras se encuentre sobre el hemisferio sur.

Los imanes permanentes proporcionan la pequeña cantidad de torsión necesaria para mantener la nave espacial orientada correctamente, pero en el vacío del espacio no hay efecto amortiguador (como la resistencia del aire que tenemos en la superficie). Debido a esto, KySat-2 oscilaría alrededor de su orientación objetivo [sic] en lugar de instalarse en ella sin problemas. Además, los imanes permanentes solo pueden proporcionar control sobre dos ejes, mientras que el tercer eje no está controlado y puede girar libremente. Para aliviar estos problemas, KySat-2 también está equipado con material de histéresis (memoria). Este material "memoriza" el campo magnético actual y, por lo tanto, resiste los cambios en la orientación de KySat-2. Este efecto es pequeño y mucho menos asertivo que los imanes permanentes, pero proporciona el efecto de amortiguación necesario para estabilizar KySat-2 en los dos ejes de control y resistir cambios en el eje no controlado también.

Me pregunto qué tan viable sería hacer que el sistema sea medio pasivo: monte el imán en un motor/actuador. Gírelo a la posición de par máximo para frenar la oscilación, gírelo nuevamente a neutral cuando regrese a neutral, etc. Similar al uso de magnetorquers, excepto la rotación mecánica en lugar de manipular el campo, y cero requisitos de energía una vez que se establece la posición; la estabilización todavía ocurre. (además, permite la estabilización en cualquier posición, no solo preestablecida, además de los requisitos de potencia de un motor muy débil en lugar de un electroimán bastante potente).
Hay un artículo algo relacionado sobre la estabilización del gradiente de gravedad semipasiva . Sé que ChargerSat-1 usó estabilización de gradiente de gravedad completamente pasiva.
¡Y para órbitas aproximadamente ecuatoriales, actúa en un eje que es perpendicular al campo magnético! ¡Y eso significaría que los dos proporcionan una estabilización completa de 3 ejes!
No sé si esto funcionaría @SF, pero su idea me hace pensar en montar un imán permanente en un resorte en espiral para proporcionar algún tipo de efecto de amortiguación.

Sí, funciona. El primer satélite australiano, Australis OSCAR 5, usó un imán para alinear aproximadamente un eje con el campo magnético terrestre Y varillas con un gran ciclo de histéresis magnética para eliminar la energía de espín. AO5 fue construido en 1966-7 y lanzado por la NASA en un cohete Delta con un satélite Tiros en 1970. Crudo, pasivo y efectivo.

Interesante. ¿Tiene un enlace a una descripción más detallada del sistema?
@Hobbes Lo mejor que pude encontrar fue en el Archivo coordinado de datos de ciencia espacial de la NASA a través de Wikipedia . Tampoco dice mucho. Sin embargo, WinOrbit hace referencia a la revista QST para miembros de la ARRL , incluida la referencia a un artículo titulado Australis Oscar: su diseño, construcción y operación en la edición de julio de 1969 que podría ser una referencia razonable si se puede obtener una copia.

Si intenta esto, asegúrese de coordinarse con los otros equipos de cubesat que comparten su módulo de implementación. En 2011, los equipos de MCubed y HRBE descubrieron por las malas que puede haber interacciones involuntarias entre cubesats que emplean estabilización de actitud magnética pasiva.

Sabía que no me gustaba este enfoque, pero lo que pasó con esos dos satélites apesta, gracias por compartir. Debería agregar un aviso de advertencia en la parte superior de mi pregunta...

El satélite Swayam fabricado por estudiantes de COEP (Facultad de Ingeniería), Pune, India, funciona según este principio y ha demostrado ser estable. Se lanzó en junio o julio de 2016 (ahora no recuerdo la fecha exacta). Prueba y ponte en contacto con ellos si lo deseas.

¿Puedes encontrar un enlace? ¡Suena interesante!

Logré obtener un escaneo de la edición de julio de 1969 de ARRL QST, donde se describe el funcionamiento del satélite Australis-Oscar 5. Esto incluye la reducción de giro a través de barras de permalloy y la estabilización mediante una barra magnética:

Cuando Australis se ponga en órbita, girará a unas 4 revoluciones por minuto. Este giro hará que la señal se desvanezca. Para eliminar la energía de espín, se ha incluido un conjunto de varillas de permalloy con un ciclo de histéresis muy grande a baja densidad de flujo. La pérdida por histéresis junto con la pérdida por corrientes de Foucault en el caso, tenderá a eliminar el espín, lo que permitirá la orientación a lo largo del vector del campo magnético local mediante un pequeño imán (consulte la fig. 3) que también se incluye. Dado que la antena VHF se encuentra en el mismo eje que la barra magnética (el eje X), se debe reducir el desvanecimiento de las señales VHF. Todas las antenas están hechas de cinta de acero flexible.

Electrónica Australis-Oscar, con un imán de barra delgada que recorre toda la longitud del eje X

Estabilización de actitud pasiva con imanes: ¿existen estudios basados ​​en datos de vuelo reales?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v