¿Qué factores determinan si una nave espacial/sonda/satélite utiliza giroscopios o propulsores de propulsión para rotar?

Digamos que estoy diseñando una sonda o un satélite. Para controlar su actitud, puedo agregar algunos giroscopios, o puedo poner propulsores en cada esquina, o puedo agregar ambos y elegir uno en vuelo según la situación. ¿Cómo decido cuál usar? ¿Cómo depende de la vida útil del diseño, la masa, la frecuencia esperada de los cambios de actitud y la órbita de la sonda?

Sería genial si pudieras apoyar tu explicación con un ejemplo o dos.

Respuestas (2)

Para que conste, en realidad hay una tercera posibilidad, Magnetorquers. He aquí por qué usaría uno frente al otro.

Magnetorquers : económicos y de bajo mantenimiento, pero no funcionan en todas las situaciones. Utilizado por la nave espacial LEO típicamente y de tamaño pequeño. Funcionan empujando fuera de un campo magnético.

Ruedas de reacción (o giroscopios): el truco aquí es que no puede eliminar un cambio de impulso usando solo ruedas de reacción. Debe detener el movimiento de la nave espacial o descargar el impulso con otra forma de propulsión. Estos funcionan muy bien si puede esperar razonablemente tener la nave espacial con el mismo momento angular eventualmente. Tienden a romperse con el tiempo, pero pueden durar muchos años. La razón por la que no pueden es porque básicamente intercambian el impulso de la nave espacial con el impulso de la rueda. Solo puede hacer un cambio permanente si está empujando contra algo externo, o empujando algo hacia o lejos de usted. Las ruedas de reacción simplemente cambian el impulso hasta que la rueda deja de girar. Pueden cambiar la orientación, pero no el impulso. ver este vídeopara una buena demostración.

Propulsores : funcionan todo el tiempo, pero usan combustible. Por lo tanto, está limitado a cuánto puede usarlos en función de la carga de combustible frente a la vida útil de la misión. Además, su escape puede ser peligroso para su satélite, si lleva algo sensible, ese es el caso del Telescopio Espacial Hubble, donde los propulsores podrían contaminar la óptica .

La conclusión es que usa lo que puede y causará el mínimo impacto en su nave espacial.

¿Por qué una rueda de reacción no puede hacer un cambio de actitud permanente?
¿De dónde vendrá el impulso?
El impulso se define como el cambio en el momento lineal de un cuerpo, y no es relevante para un cambio en la posición angular...
Las ruedas de reacción no pueden hacer cambios permanentes porque no provocan una fuerza externa en la nave espacial.
No se necesita una fuerza externa para cambiar la posición lineal o angular, solo para cambiar la velocidad lineal o angular y el momento...
No olvide los giroscopios Control Moment, que utilizan un concepto diferente al de las ruedas de reacción.
@User58220: Buen punto, he editado para aclarar.
@PearsonArtPhoto La respuesta dice que "[las ruedas de reacción] no pueden hacer un cambio permanente en la actitud" y también dice que "pueden cambiar de orientación". ¿No es "actitud" lo mismo que "orientación"? ¿Puedo reorientar permanentemente una nave espacial de mirar a Betelgeuse a mirar a Vega con solo las ruedas de reacción? Antes y después de esta maniobra, el momento angular sería cero (WRT a estrellas distantes). El cambio de momento neto también es cero. Sólo la actitud=orientación cambiaría permanentemente. ¿Es eso posible solo con ruedas de reacción?
La orientación es parte de la actitud, pero sí, puedo ver que todavía necesito mejorar esta respuesta. Puedes cambiar el apuntamiento de la nave espacial, simplemente no puedes eliminar el giro de la nave espacial. Como la mayoría de los satélites giran ligeramente de forma natural...
Para una situación ligeramente conectada, busque en Google "momento angular de la motocicleta" para ver cómo los saltadores de motocicletas en un salto (efectivamente VeryLEO) usan el acelerador / frenos para cambiar su orientación angular en el aire, usando las ruedas de la bicicleta como ruedas de reacción.

Además de la respuesta de @PearsonArtPhoto, es posible usar una rueda de reacción para hacer un cambio de actitud permanente. Considere un satélite no giratorio que lleva un giroscopio no giratorio. Si se usa un motor para hacer girar el giroscopio, la Tercera Ley de Newton requiere que se ejerza un par inverso en el satélite, y comenzará a girar en la dirección opuesta. Después de un período de tiempo adecuado, el giroscopio se frena hasta detenerse, momento en el cual la conservación del momento angular dicta que el satélite y el giroscopio no giran nuevamente, con el satélite apuntando en la nueva dirección deseada.

Si el satélite experimenta algún par exterior , entonces la rueda de reacción se puede utilizar para almacenar el nuevo momento angular, manteniendo fija la actitud del satélite. En este caso, el giroscopio debe mantenerse girando constantemente, hasta que el momento angular pueda "descargarse", o aparezca un par externo opuesto...

¿Podría aclarar un poco por favor? Cuando "el giroscopio se frena hasta detenerse", el impulso se transfiere de nuevo al cuerpo de frenado, por lo que esencialmente regresa al punto donde comenzó antes de que girara el giroscopio (conservación del impulso). Las ruedas de reacción pueden almacenar un impulso de traslación limitado ya que su velocidad de giro es limitada y no pueden girar indefinidamente, por lo que estoy de acuerdo con Pearson en que su cambio de actitud tampoco es permanente. ¿Me estoy perdiendo el punto que estás tratando de hacer? ¿Cómo se puede "volcar" el momento angular almacenado en las ruedas de reacción?
Prueba esto: ponte de pie, da la vuelta y siéntate de nuevo. ¿Vuelve a su posición original? Cambias temporalmente tu velocidad angular, transfiriendo el momento angular a la tierra. Cuando deja de girar, AM se reorganiza como estaba, pero el cambio en la posición angular es permanente...
Solo que no hay Tierra para sentarse en el espacio... ¿entonces qué?
La tierra fue tu rueda de reacción; en el espacio, usa lo que puedas. Un astronauta que flota en el espacio podría hacer girar los pulgares Mientras gira, rotaría (¡lentamente!) hacia adelante (o hacia atrás, dependiendo de la dirección del giro) en el tono; cuando dejaba de girar, dejaba de girar. No volvería a su actitud anterior al jugueteo...
Esa última analogía realmente no está ayudando, pero supongamos que los pulgares giratorios pueden servir como un dispositivo de almacenamiento de impulso, entonces sí, se detendría. Ese es el mismo punto que yo estaba haciendo. No pareces apreciar completamente lo que significa "actitud" en la dinámica de vuelo. Se trata de la orientación del objeto en un marco de referencia inercial . Que "dejaría de girar" es su actitud inicial. Así que sí, de hecho volverías a donde empezaste en lo que respecta a la actitud. Por lo tanto, no hay un cambio permanente de actitud.
Entonces, ¿actitud significa "estado de rotación"? Qué término se usa para describir la orientación; como en, "Necesitamos mantener el _____?_____ del Hubble constante mientras tomamos imágenes de esa galaxia"?
Sigue siendo actitud, pero para ese ejemplo que das, probablemente te estés refiriendo a uno o más de sus tres ejes fijos con respecto al objeto observado. Por lo tanto, es más "tasa de rotación con respecto a [...]" donde, por supuesto, también puede ser 0, o a veces se denomina actitud fija , congelada o mantenida . Para más información, el artículo de Wikipedia sobre el control de actitud en realidad no es tan malo, no puedo encontrar ningún error evidente en él.
Esto es incorrecto. Cuando frena el giroscopio hasta detenerlo, el giroscopio ejerce un par en la dirección de rotación del satélite. Entonces, cuando su giroscopio se detenga, el satélite comenzará a girar.
¿Qué factores determinan si una nave espacial/sonda/satélite utiliza giroscopios o propulsores de propulsión para rotar?
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