¿Qué es Estabilidad del gradiente de gravedad?

La tecnología de utilizar el momento del gradiente de gravedad para estabilizar la actitud espacial de la nave espacial. El momento causado por la fuerza gravitacional desigual y otros factores de la calidad de cada parte de la nave espacial que orbita la Tierra se llama momento de gradiente gravitacional. El sistema de estabilización del gradiente de gravedad puede hacer que el eje longitudinal de la nave espacial apunte al centro de la Tierra.

La tecnología de estabilización de gradiente de gravedad se ha utilizado ampliamente en la década de 1960, especialmente para satélites de navegación. La figura 1 es un satélite estabilizado por gradiente de gravedad con una varilla de extensión con bisagras.

PrincipioCuando una nave espacial orbita la Tierra, el centro de la Tierra tiene diferentes fuerzas gravitacionales en la masa de cada parte de la nave espacial, y también tienen diferentes fuerzas centrífugas. La fuerza combinada de gravedad y fuerza centrífuga se llama gravedad. El satélite con mancuernas de la Figura 2 puede ilustrar intuitivamente el principio de estabilización del gradiente de gravedad de la nave espacial.

Suponiendo que el eje longitudinal del satélite en forma de mancuerna se desvía de la plomada local en el plano orbital (plano de elevación), las masas en ambos extremos de la mancuerna son iguales ( m ₁ = m ₂ ). Dado que m _{1 está} más cerca del centro de la Tierra, su fuerza gravitacional es mayor que la fuerza centrífuga y la gravedad apunta al centro de la Tierra.

La fuerza gravitacional en m ₂ es menor que la fuerza centrífuga, por lo que el centro de gravedad está de espaldas al centro de la Tierra. La gravedad en el punto medio O de la mancuerna es cero (ingravidez). De esta manera, se forma un momento de restauración alrededor del punto O (es decir, momento de gradiente de gravedad). El fenómeno natural de que un lado de la luna siempre mira hacia la tierra es un ejemplo de la estabilidad del gradiente de gravedad.

Composición y características del sistema Elsistema de estabilización del gradiente de gravedad está compuesto principalmente por una estructura de extensión (varilla de gravedad) y un amortiguador. La estructura de estiramiento es una o varias varillas extensibles con masa al final.

Una vez que la nave espacial entra en órbita, la barra de gravedad se extiende, lo que puede hacer que el momento de inercia de cada eje de la nave espacial alcance decenas de veces o incluso más de cien veces. La magnitud del momento del gradiente de gravedad no solo está relacionada con la altura y la forma de la órbita, sino también con la diferencia en los momentos de inercia de cada eje de la nave espacial.

Cuanto mayor sea la diferencia en los momentos de inercia de cada eje, mejor será la estabilidad postural. El eje de inercia mínima es estable en la dirección de la línea vertical local y el eje de inercia máxima es estable en la dirección de la línea normal (eje de paso) del plano orbital. Este estado es la postura de equilibrio estable del satélite de gradiente de gravedad.

Aunque el momento del gradiente de gravedad puede estabilizar la actitud de la nave espacial, hará que la nave oscile alrededor del eje de máxima inercia como un simple péndulo. Esta oscilación periódica se llama movimiento de equilibrio. Para mejorar la precisión del apuntado, el movimiento de equilibrio debe amortiguarse.

Generalmente se utilizan amortiguadores de balance pasivo que no requieren energía externa. Este tipo de amortiguador utiliza los efectos de histéresis mecánica, histéresis, corrientes parásitas, fricción viscosa, etc. generados por la nave espacial cuando se balancea para consumir el impulso del balanceo para lograr el propósito de amortiguación.

El momento del gradiente de gravedad es muy pequeño Al diseñar una nave espacial con un gradiente de gravedad estable, se deben eliminar y restringir otras fuentes de momentos perturbadores. La altura óptima de la órbita del satélite estabilizado por gradiente de gravedad es de unos 1.000 kilómetros y es necesario utilizar una órbita circular o una órbita con una pequeña excentricidad.

La ventaja del gradiente de gravedad estable es que no consume energía, la estructura del sistema es simple, económica y confiable, y es adecuada para operaciones a largo plazo. Sin embargo, la precisión de apuntado es baja, generalmente solo de 1 ° a 5 °. °.

El principio de estabilización de la actitud del gradiente de gravedad también es aplicable a los satélites artificiales que orbitan otros cuerpos celestes. Por ejemplo, el Radio Astronomy Explorer 2 lanzado en 1973 es un satélite estabilizado por gradiente de gravedad que orbita alrededor de la luna.

No hay muchas naves espaciales modernas que solo utilicen la estabilización del gradiente de gravedad, principalmente debido a su baja precisión de puntería. Mejorar la rigidez y la rectitud de la estructura de extensión es la principal forma de mejorar la precisión de puntería del satélite estabilizado por gradiente de gravedad.

El momento del gradiente de gravedad tiene un efecto en casi todos los satélites, si no se utiliza como momento estabilizador, inevitablemente se convertirá en un momento perturbador. (Ver control de actitud de la nave espacial)