¿Por qué New Horizons tuvo que ser balanceado con una precisión de gramos? (¡Con cuartos!)

Estoy familiarizado con la dinámica de giro tanto de New Horizons como de Ladee, ya que realicé pruebas de chapoteo de combustible de nutación en modelos de la nave espacial en mi instalación de torre de caída, Applied Dynamics Laboratories, en Oregón.

En ausencia de líquidos a bordo, principalmente propulsores u otros elementos flexibles, el movimiento giratorio será estable alrededor del eje principal previsto. Un pequeño desequilibrio producirá una pequeña oscilación (movimiento de un eje de giro deseado alrededor del eje principal), pero esto no se convertirá en un movimiento inestable que provoque una divergencia creciente entre los dos ejes. Por supuesto, en el mundo real nada es rígido y casi todas las naves espaciales llevan líquidos a bordo.

Su presencia provoca una "nutación" que puede conducir a un movimiento de giro estable o inestable, según la distribución de inercia de la nave espacial. Para una forma achatada (giro sobre el eje de mayor momento de inercia), la nutación es estable y eventualmente se extinguirá. Sin embargo, la mayoría de las naves espaciales (New Horizons y Ladee incluidas) giran sobre su eje de inercia mínimo y una pequeña nutación de "semilla" crecerá hasta que la nave gire sobre el eje de inercia más grande, lo que resultará en una desastrosa condición de "giro plano". Para evitar esto, se utiliza un sistema de control de nutación activo (ANC) integrado. Este consta de un sensor (acelerómetro o giroscopio) y pequeños impulsores.

Sin embargo, el ANC tiene que ser lo suficientemente robusto como para dominar la creciente nutación, debido principalmente al chapoteo del propulsor. Esto requiere una comprensión del efecto de chapoteo y eso se hace con las pruebas de caída del modelo.

Puedes leer más sobre esto aquí .

Durante un crucero estabilizado por giro, la antena parabólica debe apuntar a tierra con precisión. El eje de rotación debe ser el eje de la antena. Si la nave espacial no tuviera un balance de giro preciso, el eje de rotación y el eje de la antena pueden ser diferentes y puede haber una vibración. Ambos efectos perturbarían la alineación de la antena con la tierra y perjudicarían la transmisión de datos en ambas direcciones desde y hacia la nave espacial. Para una rotación limpia y sin vibraciones, la nave espacial debe estar equilibrada tanto estática como dinámicamente.
Consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Tire_balance y https://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_unbalance

El equilibrio cuidadoso de la nave espacial también es importante para ahorrar el preciado combustible para el control de actitud. Para la rotación alrededor de los tres ejes debe haber tres pares de propulsores. Cada par debe montarse simétrico al centro de masa. Si hay un desequilibrio y el centro de masa no está donde debería estar, encender un par de propulsores puede provocar la rotación de la nave espacial alrededor de más de un eje únicamente. Estabilizar la actitud requeriría más combustible del necesario si también se deben controlar las rotaciones no deseadas.

Como dijo Uwe, el eje de rotación debe coincidir con el eje de puntería de la antena de alta ganancia. Se requiere un equilibrio exacto, según Alan Stern (investigador principal, New Horizons):

El s/c tiene que estar balanceado para que el giro sea estable y sin ninguna nutación excesiva.

Tener los ejes de rotación en una ubicación conocida también debería facilitar el uso de los propulsores para el control de actitud.