¿Por qué las ruedas de reacción fallan tan "frecuentemente"?

[Antecedentes: Estoy escribiendo esto como un desarrollador cuyo firmware está en vuelo en varias misiones satelitales importantes. He desarrollado sistemas de control de actitud, trabajando directamente con los ingenieros de hardware de RW.]

Como dice Hash, existe un problema de distribución de la lubricación con las ruedas de reacción de rodamientos mecánicos convencionales. El resultado es un mayor desgaste, lo que genera partículas de desgaste que se incrustan en el lubricante, lo que acelera aún más el proceso de desgaste.

Hay una solución para esto: RW de cojinete magnético. Estos no tienen contacto físico entre el rotor y el conjunto estático, por lo que tienen una vida útil mecánicamente indefinida. También tienen el beneficio de un mayor torque y menos microvibraciones. Desafortunadamente, ambos son mucho más caros y pueden ser bastante más pesados ​​que los diseños mecánicos.

Si se me permite ampliar un poco el alcance de la pregunta (pero permanecer en el tema): la situación se ve agravada por el modelo de financiación de las misiones espaciales. Para poder declarar el éxito de una misión (y, por lo tanto, la financiación de proyectos futuros), los diseñadores de misiones establecen un listón muy bajo para el éxito. Muchas misiones, quizás la mayoría, están diseñadas con la expectativa tácita de que superarán el umbral de éxito por un margen muy sustancial. El problema es que el manifiesto de la misión se basará en la lista de materiales para lograr ese bajo umbral de éxito, algo que estará bajo un intenso escrutinio por parte de los gerentes y/o clientes conscientes del presupuesto.

Por lo tanto, se elegirán ruedas de reacción que satisfagan los requisitos de la misión básica, pero que no sean necesariamente adecuadas para una misión sustancialmente extendida. Como era de esperar, vemos fallas tempranas durante las misiones extendidas.

Las ruedas de reacción consisten en un motor eléctrico unido a un volante. Hay dos causas de falla:

• mecánico

• eléctrico

FALLAS MECÁNICAS

Tanto los volantes como el motor pueden resultar dañados por las fuerzas G y la vibración causada durante el lanzamiento. Una vez en el espacio, es casi imposible lubricar el rodamiento, lo que conduce a un aumento de la fricción y, finalmente, al fallo.

AVERÍA ELECTRÓNICA :

Una vez en órbita o en el espacio la radiación posee una mayor amenaza para los circuitos electrónicos.

Ejemplo:
En el caso de Kepler, una de las cuatro ruedas de reacción se perdió debido a una fricción errática durante varios meses.

En un ejercicio de precaución, los gerentes de la misión apagaron las ruedas de reacción de Kepler durante 10 días en enero, con la esperanza de que la ruptura redistribuyera el lubricante dentro de los conjuntos de ruedas, reduciendo la fricción y permitiendo que las unidades se enfriaran.

Eso no sucedió: en realidad mostró una mayor fricción después del cierre.

Pero con suerte, las dos ruedas de reacción restantes funcionan correctamente.

Un poco más de detalle sobre las causas de las fallas mecánicas: La inestabilidad de la jaula de rodamientos (desplácese a las secciones sobre Ruedas de impulso y de reacción) es un fenómeno común. Afirma:

El agotamiento del lubricante de rodamientos entre el retén de la pista de bolas provoca inestabilidad en la jaula y errores de orientación posteriores, mayor par de torsión de los rodamientos y vibración de las ruedas.

Si esto no es inmediatamente obvio, intente esto como una cartilla. La "carrera de bolas" es la pista circular de un rodamiento de bolas que contiene las bolas. El retenedor o jaula es un material no metálico, generalmente fenólico, que se asienta en la carrera de bolas y mantiene las bolas separadas. Por tanto, las bolas se apoyan tanto en la pista, que soporta la carga principal del mecanismo, como en la jaula, que no soporta ninguna carga. La inestabilidad de la jaula del rodamiento se refiere a los modos de vibración no deseados de la jaula causados ​​por la falta de lubricante.

Esto ha afectado al menos a las misiones Cassini , también aquí , y XMM-Newton .

Las soluciones típicas mencionadas en los últimos documentos, aprendidas a base de prueba y error, incluyen detener la rueda por un tiempo para permitir que el lubricante se redistribuya y también evitar ciertas velocidades operativas, ya sea muy altas o cercanas a cero.

Esta breve respuesta pretende resaltar la información en su forma más completa dentro de esta respuesta .

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Dado que esta y la otra pregunta son algo diferentes, y cada una tiene respuestas buenas y no idénticas, no veo una manera de convertir ninguna de las preguntas en un duplicado de la otra.