La tecnología para adquirir y mantener la orientación de una nave espacial en el espacio (es decir, la actitud de la nave espacial en relación con un determinado marco de referencia). El control de actitud de la nave espacial incluye dos aspectos: estabilidad de actitud y maniobras de actitud. El primero es el proceso de mantener la actitud existente y el segundo es el proceso de reorientar la nave espacial de una actitud a otra.

Antes de lograr la estabilización de actitud, suele haber un proceso de captura de actitud. Por ejemplo, la actitud inicial debe establecerse cuando el satélite está en órbita; cuando el satélite pierde su actitud normal por alguna razón accidental, la actitud debe restablecerse.

Casi todas las naves espaciales necesitan adoptar algún tipo de método de control de actitud. El dispositivo o sistema que realiza la estabilidad de actitud y la maniobra de actitud de la nave espacial se denomina sistema de control de actitud de la nave espacial.

Descripción general del desarrollo Las primeras naves espaciales estaban limitadas a los medios tecnológicos en ese momento y utilizaban principalmente la estabilización pasiva, especialmente la estabilización de giro, como el “satélite artificial de la Tierra” 1 de la Unión Soviética, el Explorer 1 de los Estados Unidos y el Dongfanghong 1 de China. satélites estabilizados por giro.

A principios de la década de 1960, se desarrolló gradualmente de la estabilidad pasiva al control semiactivo, es decir, sobre la base de la estabilidad pasiva, complementada con varias funciones de control activo, como el aumento de la estabilidad (amortiguación activa de nutación y amortiguación activa del equilibrio), y mejorar la precisión de la actitud (utilizar métodos de medición de la actitud), ajustar el apuntado (control del eje de giro de un satélite estabilizado), etc. También se ha desarrollado tecnología de control de actitud activa para naves espaciales.

A principios y mediados de la década de 1960, para resolver el problema del control de actitud de larga duración, se propuso un esquema de control de la rueda de reacción basado en el consumo de energía, y también se llevó a cabo una investigación sobre esquemas de control semiactivo. Posteriormente aparecieron esquemas de control semiactivo.Desarrollo y continuación.

Las primeras naves espaciales eran de tamaño pequeño y de gran rigidez estructural (a excepción de los accesorios individuales, como mástiles de antena y varillas para la instalación de instrumentos).

La gente consideraba las naves espaciales como simples cuerpos rígidos o sistemas rígidos (el cuerpo contenía cuerpos rígidos móviles como volantes, algunos Amortiguadores, etc.). El método de control también es el control centralizado, es decir, la medición de actitud y el control de actitud se realizan en el cuerpo rígido del cuerpo de la nave espacial.

Finalidad y requisitos Cuando una nave espacial está en órbita, debe tener una determinada actitud para poder completar las tareas que realiza. La cámara u otro sensor remoto del satélite de observación terrestre debe apuntar al suelo.

Las antenas de los satélites de comunicaciones y de los satélites de radiodifusión deben apuntar al área de servicio en la tierra. El dispositivo de energía en la nave espacial, el ala de la batería solar (ver sistema de energía de paneles solares) debe apuntar al sol.

Cuando una nave espacial realiza un cambio de órbita de maniobra, su motor de cambio de órbita debe estar alineado con la dirección de empuje requerida. Cuando la nave espacial regresa a la atmósfera desde el espacio, su superficie de frenado y prevención del calor debe estar alineada con la dirección del flujo de aire que se aproxima.

Los diferentes tipos de naves espaciales tienen diferentes requisitos para el control de actitud. Algunos satélites de exploración científica solo necesitan conocer el momento en que se obtienen los parámetros físicos espaciales o atmosféricos, la posición orbital del satélite y la actitud instantánea para el posprocesamiento de los datos.

Este tipo de nave espacial no requiere control de actitud, pero requiere determinación de actitud. La precisión requerida para la determinación de actitud es generalmente de unos pocos grados a unas décimas de grado. Los satélites de comunicación y los satélites de radiodifusión requieren que la precisión de puntería de la antena sea aproximadamente una décima parte del ancho del haz.

Los satélites de observación de la Tierra (satélites de reconocimiento, satélites de recursos terrestres, satélites meteorológicos, etc.) necesitan distinguir, identificar y localizar objetivos, y requieren una alta precisión de actitud (unas pocas décimas) y estabilidad de actitud (unos pocos segundos de arco por segundo). La actitud del satélite de astronomía requiere una precisión extremadamente alta (pocos segundos de arco) y la estabilidad de la postura ( 10 – . 3 segundos de arco / orden de segundos).

Principios y métodos:Según se utilice un dispositivo de control de par especial y un dispositivo de medición de actitud, el control de actitud de una nave espacial se puede dividir en control de actitud pasivo y control de actitud activo.

El uso de pasivo, activo o una combinación de los dos depende de factores como los requisitos de orientación y estabilidad de la misión, los requisitos de potencia, las limitaciones de peso, las características orbitales, los sistemas de control y los instrumentos experimentales de la nave espacial.

Control de actitud pasivo: el método de utilizar las características dinámicas propias de la nave y los momentos ambientales para lograr la estabilidad de actitud se denomina control de actitud pasivo.

Por ejemplo, estabilidad de giro de satélites artificiales, estabilidad de gradiente de gravedad, estabilidad magnética, estabilidad aerodinámica, estabilidad de presión de radiación solar, etc. Cuando una nave espacial está volando en órbita, las fuerzas del entorno circundante forman un momento de su centro de masa.

Por ejemplo, el momento aerodinámico generado por el impacto de las moléculas atmosféricas delgadas en la superficie exterior de la nave espacial es causado por la interacción entre el momento magnético de la nave espacial (el efecto compuesto del ferroimán o corriente de bucle contenido en la nave espacial) y el campo magnético del entorno circundante.

Hay diferencias en la gravedad de la tierra en la masa de cada parte de la nave espacial, el momento del gradiente gravitacional formado por las tres inercias principales desiguales de la nave espacial y la presión de radiación solar causada por la acción de la radiación solar sobre la superficie de la nave espacial. Los momentos generados por estos factores externos hacen que la actitud de la nave espacial tienda a ser equilibrada.

En la postura equilibrada, el par resultante del par externo es igual a cero. La esencia del control de actitud pasiva, como la estabilidad aerodinámica, la estabilidad de la presión de la radiación solar, la estabilidad magnética y la estabilidad del gradiente de gravedad, es utilizar la actitud estable y equilibrada de la nave espacial como actitud operativa.

La postura de equilibrio cuando la estabilidad aerodinámica y la presión de la radiación solar son estables es una postura estática y estable en la que la fuerza aerodinámica o la presión de radiación atraviesa el centro de masa. La actitud de equilibrio cuando se estabiliza magnéticamente es la actitud cuando el momento magnético de la nave espacial es consistente con la dirección del campo magnético ambiental.

La actitud de equilibrio cuando el gradiente de gravedad es estable es la actitud cuando el eje de inercia máxima de la nave espacial es perpendicular al plano orbital y el eje de inercia mínima está a lo largo de la vertical local.

El principio de la estabilización del giro es que el momento de impulso de una nave espacial que gira se conserva en el espacio cuando no hay un par externo (es decir, el tamaño y la dirección permanecen sin cambios).

La nave espacial de rotación rápida aún puede mantener una actitud estable en un corto período de tiempo bajo la acción de un par externo, pero la dirección del eje de giro se desplaza gradualmente y su tasa de deriva es inversamente proporcional a la velocidad de giro. El movimiento del eje de giro bajo la acción de un par externo se llama precesión.

Cuando una nave espacial pasivamente estable se desvía de su actitud de equilibrio (porque la actitud inicial es diferente de la actitud de equilibrio o se desvía de la actitud de equilibrio original bajo la acción de un par externo), la nave espacial se moverá recíprocamente alrededor de la actitud de equilibrio debido a los efectos de la energía e impulso. Para la estabilidad del giro, este tipo de oscilación se llama nutación. Para la estabilidad del gradiente de gravedad, este tipo de oscilación se denomina movimiento de equilibrio.

Para restablecer el equilibrio de la postura pasiva y estable después de haber sido perturbado, es necesario consumir la energía adicional contenida en la nutación o el movimiento de equilibrio. Esta medida de consumo de energía de oscilación se llama amortiguación, y el dispositivo que realiza la amortiguación se llama amortiguador.Hay amortiguadores de nutación y amortiguadores de equilibrio.

La principal ventaja del sistema de control de actitud pasivo es que consume muy poca energía en la nave espacial, tiene una estructura simple y es adecuado para naves espaciales de mayor duración, pero la precisión del control generalmente no es alta.

El control de actitud activo es un método en el que se forma un comando de control de acuerdo con el error de actitud (la diferencia entre el valor medido y el valor nominal) y se genera un par de control para lograr el control de actitud.

Las naves que requieren control de actitud de tres ejes (ver control de actitud de tres ejes de la nave espacial) generalmente adoptan un control de actitud activo. El sistema de control de actitud activo consta de un sensor de actitud, un controlador y un actuador (también llamado dispositivo de torsión).

Los sensores de actitud de las naves espaciales comúnmente utilizados incluyen giroscopios, sensores terrestres infrarrojos (ver sensores terrestres), sensores solares, sensores estelares, magnetómetros y sensores de radiofrecuencia.

Para obtener información de actitud sin interrupciones, los giroscopios y los sensores ópticos de actitud (sensores de tierra, sol, estrellas) de uso común constituyen un punto de referencia de medición de actitud combinada. El giroscopio proporciona información de actitud a corto plazo y el sensor óptico proporciona una señal de calibración para corregir la deriva del giroscopio.

Los actuadores de uso común (ver actuadores de control de actitud de naves espaciales) incluyen actuadores de chorro, dispositivos de par magnético y volantes. El actuador de chorro genera un par de reacción en la nave espacial mediante la descarga de corrientes de iones o gas a alta velocidad para realizar el control de actitud de la nave espacial.

El dispositivo de par magnético utiliza el momento magnético generado por el devanado energizado en la nave espacial y el campo magnético ambiental para lograr el control. El volante es un componente giratorio de alta velocidad impulsado por un motor. La posición de la nave espacial está controlada por el intercambio de impulso entre la nave espacial y el volante instalado en la nave espacial. Por lo tanto, el volante es una parte ejecutiva del tipo de intercambio de impulso.

Ciertos esquemas de control de actitud requieren que el volante mantenga una cierta velocidad promedio Este tipo de volante se llama rueda de impulso. Otros esquemas de control de actitud requieren que la velocidad promedio del volante sea cero.Este tipo de volante se llama rueda de reacción. El control del volante es más adecuado para superar el par de perturbación externo periódico que actúa sobre la nave espacial.

Sin embargo, cuando la nave espacial se somete a un par externo constante, el momento de impulso del volante aumenta en una determinada dirección hasta que la velocidad del volante alcanza el valor límite, fenómeno que se denomina saturación del volante. En este momento, el volante pierde la capacidad de controlar aún más la actitud de la nave espacial.

Para restablecer la función de control del volante, el par del chorro, el par del gradiente de gravedad o el par generado por el dispositivo de par magnético se pueden utilizar para hacer que el momento del volante cambie en la dirección opuesta. Este tipo de control es llamado control de saturación de descarga del volante.

Si instala el eje del volante en el marco, no solo puede cambiar el momento de impulso del volante, sino también cambiar su dirección. Este tipo de volante se llama volante de marco, y hay dos tipos de marco simple y marco doble volantes. También hay un componente ejecutivo del tipo de intercambio de impulso llamado giroscopio de momento de control, que es un dispositivo de volante montado en un marco que gira a una velocidad constante.

Este es un componente ejecutivo que solo se basa en cambiar la dirección del eje para lograr el control. El volante tipo marco y el giroscopio de momento de control también tienen problemas de saturación, y también utilizan los mismos medios de insaturación que el volante.

El controlador es un dispositivo electrónico que usa información de postura para formar instrucciones de control. Puede ser un circuito lógico simple o un procesador de información y una computadora de control más complejos.

Las principales ventajas del sistema de control de actitud activo son una mayor precisión, flexibilidad y rapidez (especialmente el control del jet), pero necesita consumir energía en la nave espacial, el circuito de control es más complicado y el costo es mayor.

Tendencia de desarrollo La tendencia de desarrollo de lasnaves espaciales es cada vez más grande, especialmente para accesorios como alas de baterías solares, y se requiere que el peso estructural sea lo más pequeño posible.

En este caso, el problema de la flexibilidad (ver dinámica de actitud de las naves espaciales) se vuelve prominente. El combustible líquido (utilizado en los actuadores a reacción) en las naves espaciales también está aumentando, lo que hace que el control de actitud deba considerar el tema de los cuerpos no rígidos. Las naves espaciales gigantes, como las estaciones espaciales, deben considerar la cuestión del control de parámetros distribuidos.

Ciertos componentes especiales (como grandes superficies reflectantes de antenas en naves espaciales, superficies ópticas reflectantes, etc.) no solo requieren el control de su actitud (refiriéndose al azimut promedio), sino que también requieren el control de su forma. Por ejemplo, el tamaño del superficie de una antena con un diámetro de 100 metros Para el control, se requiere que la precisión del control sea del orden de 10 mm.

La alta precisión, la larga vida útil, la adaptabilidad y el ajuste de la estructura del sistema de control, la capacidad de identificar fallas y lograr un control integral son temas importantes para el mayor desarrollo de los sistemas de control de actitud de las naves espaciales.