¿Podemos ir a cualquier parte del espacio con solo TRES ruedas de reacción y UN propulsor químico?

Tuve una discusión el otro día con algunos de mis compañeros y estaban muy interesados ​​en el hecho de que es posible cambiar su órbita como se desee usando un solo propulsor y tres ruedas de reacción. La idea era que apuntaras el propulsor en la dirección que quieras usando las ruedas de reacción y lo impulsaras.

Mi intuición dice que la estabilidad (mantener cierta actitud) será un problema ya que las ruedas de reacción no pueden resistir las fuerzas del propulsor.

Suponiendo que haya suficiente combustible disponible y magnetorquers disponibles para la desaturación de la rueda, ¿es posible realizar maniobras orbitales con un solo propulsor en una nave espacial estabilizada de tres ejes?

¿Podría ampliar sobre esto "las ruedas de reacción no pueden soportar las fuerzas del propulsor"? ¿No es un sistema para el movimiento de rotación y el otro para el de traslación?
"Asumir que las ruedas no se saturan" significa que solo está interesado en una respuesta para las hipotéticas ruedas de reacción ideales que nunca se saturan. Porque esa es la suposición clave aquí. La configuración que está proponiendo significa que no hay absolutamente ninguna forma de desaturar, por lo que tan pronto como sucede, la nave es inútil.
@OrganicMarble es cierto, pero si empuja con una fuerza externa en una dirección determinada, la actitud también cambiará si no se contrarresta, ya que el propulsor definitivamente no ejercerá la fuerza desde el centro de masa.
@Adham, estoy acostumbrado a los propulsores cardán, ¡así que siempre apuntan a través del centro de gravedad! Pero gracias por la respuesta.
@TooTea Agregué esta parte para centrar la pregunta en el comportamiento de la nave antes de que las ruedas se saturen. Pero puedo editarlo para aclararlo mejor.
@OrganicMarble ¿Los propulsores con cardán se usan comúnmente en satélites pequeños? Hasta donde yo sé, el control de empuje está disponible, pero para lograr la vectorización de empuje (como se hace en los propulsores cardánicos), se necesita un grupo de propulsores. La tecnología de vectorización de empuje como en los propulsores cardánicos se utiliza principalmente en cohetes.
algunas naves de espacio profundo usan un solo propulsor cardán 1 pero muchas confían en cambio en grupos balanceados 2 , 3
De manera abstracta, se puede montar un solo propulsor fijo para que apunte a través del centro de masa; el centro de masa no cambia a medida que rotas la nave espacial. A medida que gasta combustible, el CoM cambiará, pero si los tanques también están montados a lo largo de la línea de empuje, el cambio también ocurrirá a lo largo de la línea de empuje. Las preocupaciones del mundo real como el chapoteo del propulsor afectarán esto, por supuesto; no me queda claro cuán abstracta es nuestra nave espacial.
Si se utiliza un Truster gimbaled, ¿por qué molestarse con las ruedas de reacción?
Si bien el propulsor no puede estar perfectamente alineado con el CoM, puede estar cerca. Las ruedas de reacción se pueden utilizar para inducir un giro en la embarcación en la dirección de desplazamiento, lo que evitará que la ligera desalineación desvíe el vehículo de su rumbo.
¿¿Sí?? Esa es básicamente la idea de los sistemas ADC. 3 mandos giratorios y un propulsor para. Ni siquiera necesita un propulsor cardánico, primero reduzca el error de posición de CofM a cero y luego vuelva a orientarlo. Piensa en una silla con ruedas, te pateas a través de una habitación para llegar al lugar correcto, luego giras para mirar en la dirección correcta. La patada es el propulsor y la parte del caballito son las ruedas de reacción. Puede tomar mucho combustible, pero es factible.
Los torques magnéticos no funcionan en el espacio profundo.

Respuestas (1)

Hice un cálculo aproximado.

E(Engine Force).             = 800 N
m(Mass of reaction wheel)    = 10 kg
r(radius of reaction wheel)  = 0.2 m
w(max spin rate of wheel)    = 6000rpm * 2pi / 60s
cgo(C.G offset)              = 0.01m 

I     = m * r * r / 2        = 0.2 kgm^2
WheelCapacity = I * w        = 125.6 Nms

Torque experienced during engine firing due to C.G offset
= 800 * 0.01 = 8 Nm

Estos números son bastante razonables para un satélite medio pesado. Por lo tanto, dentro de ~ 15 segundos después de disparar, la rueda puede saturarse a su máxima capacidad. Si el CG y el eje de empuje se pueden mantener con precisión, entonces tal vez sea posible.

Además, en el ejemplo, la rueda no solo debe absorber todo el par adicional del motor, sino que también debe ser capaz de proporcionar suficiente par, de lo contrario, el satélite puede perder el control rápidamente. El valor típico del par de rueda generalmente se encuentra entre 0,3 y 3 Nm.

Edición 1: lo pensé un poco y me parece que las ruedas probablemente se pueden diseñar para un par más alto. Es probable que los motores deban fabricarse con más capacidad de corriente e imanes potentes. Pero la capacidad de la rueda sigue siendo un problema.

Entonces, si el vehículo gira a 2 rpm, ¿podría mantener la actitud indefinidamente?
Sin perturbación del par. Pero SRP, el gradiente de gravedad de arrastre son ineludibles
@ Prakhar space.stackexchange.com/questions/21465/… es otra pregunta que puede disfrutar respondiendo. Parece levemente relacionado.
@Prakhar, ¿qué es SRP?
SRP= Presión de radiación solar
¿Podemos ir a cualquier parte del espacio con solo TRES ruedas de reacción y UN propulsor químico?
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