¿Alguno de los siguientes es cierto acerca de lo que se necesita para lograr esto?

• cambio continuo en su rotación,
• de una vez por todas dándole el giro correcto para empezar,
• sucede naturalmente.

La respuesta es "sí" a las tres preguntas.

Si un vehículo tiene la forma correcta y se le da la rotación correcta para comenzar, los pares que ocurren naturalmente, como el par de gradiente de gravedad y el par de arrastre atmosférico, pueden ayudar a mantener el vehículo girando en la orientación deseada. Sin embargo, esto nunca es perfecto y siempre quedan pares residuales no deseados.

Los vehículos deben tener algún tipo de sistema de control de actitud activo para que puedan mantenerse correctamente orientados. Si ese control de actitud depende del combustible, el agotamiento de los tanques de combustible marca el final de la vida útil del vehículo.

Actualización: enfoques para el control de actitud

Usa propulsores.
El vehículo solo puede hacer esto con cierta frecuencia antes de que se quede sin combustible. Para la mayoría de los vehículos, ese es el final de la misión. Los enfoques que reducen la necesidad de usar propulsores extenderán la vida útil del vehículo o permitirán una mayor carga útil. En algunos casos, los enfoques alternativos eliminan por completo la necesidad de propulsores.

Aproveche los torques del entorno.
Los vehículos desde Landsat hasta la Estación Espacial aprovechan, en lugar de luchar, los pares externos que el entorno ejerce sobre el vehículo. Los pares ambientales incluyen el par de gradiente de gravedad, el par atmosférico y el par magnético. (También hay un par de presión de radiación solar, pero esta es una pequeña perturbación). Algunos vehículos pequeños en órbita terrestre baja equipados con torques magnéticos no usan combustible. Permanecen funcionales hasta que vuelven a entrar en la atmósfera.

Aprovecha la rotación.
Un objeto que gira tiene un momento angular, lo que hace que sea más difícil girar que si el objeto no estuviera girando. Esto agrega estabilidad al vehículo (pero también inestabilidades en algunos casos). Algunos de los primeros satélites fueron estabilizados por giro.

El siguiente paso en complejidad es construir el vehículo de modo que tenga dos partes que giren alrededor de un eje común pero a diferentes velocidades. La mayoría de los satélites de comunicaciones son satélites de doble espín. El rotor (enyesado con paneles solares) gira con bastante rapidez para mantener la estabilidad, mientras que la plataforma de comunicaciones gira una vez al día.

Otro enfoque consiste en colocar las piezas giratorias dentro del vehículo. Estos dispositivos giratorios internos incluyen ruedas de impulso, ruedas de reacción y giroscopios de control de momento. Una rueda de impulso, como el rotor de un satélite de comunicaciones, está diseñada para girar a una velocidad angular constante. Se necesita un motor con un controlador simple para acelerar la rueda y luego mantenerla a esa velocidad.

Agregar la capacidad de cambiar la velocidad de rotación comandada a ese controlador de rueda de impulso convierte la rueda de impulso en una rueda de reacción. Con esta capacidad, el momento angular se puede transferir entre el cuerpo principal de la nave espacial y la rueda de reacción. Un vehículo con tres ruedas de reacción, una por eje de rotación, proporciona un medio activo para controlar la rotación del vehículo. Las ruedas de reacción tienen un problema básico en el sentido de que la velocidad de rotación debe estar entre un valor mínimo (para que no se pierda la influencia estabilizadora) y un valor máximo (para que la rueda no pierda la integridad estructural). Un vehículo que usa ruedas de reacción necesita algún mecanismo de control alternativo para ayudar a mantener el vehículo estable mientras las ruedas de reacción en sus límites vuelven a la velocidad de rotación nominal.

Un enfoque alternativo es un giroscopio de momento de control (CMG). Estas son esencialmente ruedas de impulso con otro motor que empuja contra la rueda giratoria. (Piense en las historias apócrifas de los físicos que pusieron giroscopios de aviones en maletas y luego los hicieron girar como una broma). La cantidad de par generado por los CMG por unidad de potencia aplicada puede ser bastante impresionante. Así como las ruedas de reacción tienen problemas operativos, también los tienen los CMG. En el caso de los CMG, el problema es el bloqueo del cardán. Las rotaciones sobre uno o más ejes eventualmente se vuelven incontrolables. Un vehículo que usa CMG necesita algún mecanismo de control alternativo para ayudar a mantener el vehículo estable mientras los CMG se restauran a sus ejes de rotación nominales.

La mejor manera de mantener una antena siempre apuntando a la Tierra, si puede hacerlo, es colocar un gran peso en la punta de la antena. El peso recibirá más fuerza y, naturalmente, mantendrá la antena apuntando en esa dirección.

Aparte de tener algo así para ayudar pasivamente, la siguiente mejor solución es estabilizar el giro. Al girar alrededor de un eje, puede garantizar que el eje siempre mantenga su dirección, como girar una peonza. Por supuesto, puede haber algo de bamboleo, lo que podría convertirse en un problema, pero esto se puede manejar si se trabaja con el cuidado suficiente.

Si no puede hacer uno de esos dos, lo más probable es que tenga un sistema inestable. Las fluctuaciones de densidad, el giro para mantener la energía solar, el viento solar y la presión de la luz, los gradientes térmicos, todos pueden causar una perturbación muy pequeña. Estos se magnificarán con el tiempo.

Mantener la misma cara "hacia abajo"

Hay un término para esto cuando ocurre naturalmente: Tidelocking.

orientación natural

Se puede hacer uso de la tensión de las mareas para mantener una orientación de forma natural.

Cuando un objeto de longitud significativa se coloca en órbita, el lado más cercano al centro de gravedad recibe un poco más de "tracción" que el extremo lejano y gira alrededor de su propio centro de masa. Esto eventualmente amortigua la rotación para que coincida con la duración orbital. Sin embargo, esto puede tomar años en lograrse.

También puede tomar mucho material y tiene otros efectos. Es una fuerza diminuta, pero constante y profunda. Son fracciones de centímetro por segundo por segundo en órbita geosincrónica. Lo suficiente para tener un efecto estable.

Los cuerpos cortos, y especialmente los que son redondos, con forma de gota o en bloques, eventualmente también se bloquearán por mareas, pero mucho más lentamente.

Además, incluso los objetos grandes tienen problemas de descomposición orbital. La descomposición orbital proviene de varias fuentes: arrastre atmosférico, arrastre del viento solar, fuerza del viento solar y tensiones de marea. El arrastre atmosférico en la mayoría de las órbitas terrestres bajas da como resultado una caída antes de que la fuerza de las mareas importe mucho. La resistencia del viento solar es similar, pero varios órdenes menos. La aceleración del viento solar siempre está "intentando" forzar al periápside a estar del lado del sol, pero es una fuerza pequeña. Las tensiones de marea intentan arrastrar la órbita a la misma duración que la rotación del cuerpo orbitado.

La mayoría de los objetos que la gente está considerando son demasiado pequeños para orientarse de forma natural antes de que se deterioren.

Orientación antinatural

Si uno coloca un objeto en órbita y establece su longitud de rotación igual a la longitud de su órbita, entonces esencialmente ha replicado los efectos del bloqueo de marea... siempre que el eje largo también esté hacia abajo.

Tenga en cuenta que el objeto gira sobre su centro de masa. Sin embargo, el centro de la fuerza gravitatoria puede no estar en el centro de masa, por lo que la tensión de las mareas alterará lentamente la orientación del objeto. En la órbita terrestre, esto también se complica por la tensión de las mareas de la luna. Eso sí, la tensión de marea de la Luna es muy pequeña, nanómetros por segundo por segundo, eclipsada por los milímetros por segundo por segundo de la Tierra, pero suficiente para inducir deformaciones orbitales.

Un satélite puede permanecer naturalmente alineado con la vertical local.

En órbita hay dos fuerzas a tener en cuenta: la fuerza de la gravedad y la fuerza centrífuga. La fuerza centrífuga es en realidad inercia en un marco giratorio. Pero si te encuentras en el tiovivo, se siente como una fuerza.

La fuerza centrífuga es$\omega^2r$y la gravedad es$GM/r^2$

Para representar estos remolcadores arriba y abajo usaré globos y pasajeros transportados por globos.

Esta imagen representa un equilibrio de gravedad y fuerza centrífuga. La fuerza neta es cero.

¿Qué sucede si duplicamos r, la distancia desde el centro del cuerpo?

El radio de duplicación duplica el tirón hacia arriba. El tirón hacia abajo se reduce a 1/4. La aceleración neta está arriba.

Y si cortamos el radio a la mitad...

El tirón hacia arriba se reduce a la mitad mientras que el tirón hacia abajo se cuadruplica. La aceleración neta ha bajado

Ate estos tres juntos y obtendrá una atadura que permanece alineada con la vertical local:

Hay satélites que utilizan la estabilización del gradiente de gravedad para permanecer alineados. Esto también es lo que mantiene a muchas lunas bloqueadas por mareas. Si alguna vez tuviéramos ataduras verticales o ascensores espaciales, esto es lo que los mantendría verticales.

Imagínese esto: tome un avión de juguete y ate una cuerda a un ala. Ahora gira en su lugar y deja que el avión vuele al final de la cuerda. Eres la Tierra y el avión es un satélite. ¿El avión realmente "gira"? ¿O está volando en línea recta todo el tiempo pero su curso cambia debido a la cuerda?

Es exactamente lo mismo con un satélite, solo que la cuerda es la gravedad. En realidad, el satélite vuela en línea recta porque fue lanzado hacia adelante y cae constantemente hacia la Tierra, pero su velocidad de avance compensa exactamente la atracción de la gravedad.

Así que no piense tanto en él como en un giro, ya que vuela hacia adelante con cambios de rumbo automáticos continuos en una trayectoria circular.

Un proyectil disparado horizontalmente eventualmente caerá a la tierra bajo la influencia de la gravedad y la fricción del aire. Mantendrá la misma cara hacia la tierra durante todo su vuelo si no se le ha dado un giro inicial. Si el mismo proyectil se dispara en el espacio con la fuerza suficiente para que caiga a la tierra al mismo ritmo que la tierra se aleja, nunca caerá a la tierra y estará "en órbita". Siempre que no se le haya dado un giro inicial, siempre mantendrá la misma cara hacia la tierra a lo largo de su órbita. Las fuerzas de marea y de otro tipo pueden perturbar la orientación del satélite y se necesitan propulsores para mantener la orientación general, pero la condición principal es mantener la misma cara hacia la Tierra a lo largo de la órbita.

Lo mismo se aplica a la luna. Es un proyectil que intenta ir en línea recta. La gravedad de la tierra la pone en órbita y, por lo tanto, debe mantener la misma cara hacia la tierra.

No hay nada especial en la rotación de la luna sobre la tierra y no tiene un giro mágico que mantenga la misma cara hacia la tierra.