Maniobra sin propulsor

Una maniobra de propulsante cero (ZPM) es una trayectoria de actitud óptima que se utiliza para realizar el control rotacional de la nave espacial sin la necesidad de utilizar propulsores. Las ZPM están diseñadas para naves espaciales que utilizan actuadores de almacenamiento de momento. Las ZPM de naves espaciales se utilizan para realizar rotaciones de gran ángulo o amortiguación de velocidad (desvolteo) sin saturar los actuadores de momento y descarga de momento (desde el almacenamiento) sin propulsores.

Las operaciones de rotación de las naves espaciales, como girar para apuntar en una nueva dirección, suelen realizarse mediante dispositivos de almacenamiento de momento angular, como ruedas de reacción o giroscopios de momento de control . En general, es preferible utilizar estos dispositivos en lugar de los propulsores tradicionales , ya que funcionan con electricidad renovable en lugar de con propulsor; el encendido de los propulsores consume la cantidad fija de propulsor de la nave espacial. El propulsor es muy costoso porque debe transportarse desde la Tierra; una vez que se agota, la vida útil de la nave espacial termina. Por lo tanto, la vida útil de la nave espacial está determinada por la cantidad de propulsor transportado y la velocidad a la que se agota. El propulsor se utiliza para dos propósitos principales: mantener la nave espacial en órbita y controlar la rotación. Por lo tanto, cuanto menos propulsor se deba utilizar para controlar la rotación, más habrá disponible para mantener la órbita y mayor será la vida útil de la nave espacial.

Sin embargo, los dispositivos de almacenamiento de momento tienen una capacidad limitada, y esa capacidad pronto se satura cuando se les requiere absorber los pares de perturbación de la nave espacial causados ​​por ( gradiente de gravedad , viento solar y resistencia aerodinámica ); cuando en otras palabras alcanzan su límite de almacenamiento de momento. Una vez que se alcanza la saturación, los dispositivos de almacenamiento de momento no pueden aplicar par para controlar la orientación de la nave espacial. La nave espacial generalmente requiere propulsores que utilicen propulsor para "desaturar" los dispositivos de almacenamiento, en otras palabras, para descargar el momento acumulado y así restaurar la capacidad total de la nave espacial para realizar operaciones de rotación.

Las naves espaciales experimentan una desintegración orbital debido a la resistencia aerodinámica . Para mantener su órbita, se utilizan propulsores para impulsar la nave espacial a una altitud mayor. Debido a que la capacidad de propulsor a bordo es limitada, la nave espacial solo puede realizar un número limitado de desaturaciones de momento o reimpulsos. Por lo tanto, si las desaturaciones de momento se pueden reducir o eliminar, se puede utilizar una fracción mayor de propulsor para mantener la nave espacial en su órbita deseada y tendrá una vida útil operativa más larga.

Por lo general, las rotaciones de las naves espaciales se realizan como rotaciones de cuaternión o alrededor de un eje fijo ( teorema de rotación de Euler ), generalmente denominado eje propio. Las rotaciones alrededor de un eje propio dan como resultado el ángulo más pequeño entre dos orientaciones. Además, las rotaciones de eje propio se realizan con una tasa de rotación fija o tasa de maniobra. Sin embargo, para mantener la rotación de la nave espacial alrededor del eje propio y a una tasa de maniobra fija, es necesario que los actuadores de almacenamiento de momento superen los pares de perturbación que actúan sobre la nave espacial. Dependiendo de la intensidad de las perturbaciones, el tamaño de la rotación y la capacidad del dispositivo de almacenamiento de momento, los dispositivos de almacenamiento de momento pueden saturarse incluso si la nave espacial gira a una pequeña tasa de maniobra.

Afortunadamente, sin embargo, la elección de la trayectoria de rotación afecta el rendimiento de la nave espacial. Esto permite que los ZPM ofrezcan una nueva forma de realizar rotaciones de naves espaciales. A diferencia de las rotaciones de ángulo más pequeño del eje propio, los ZPM son rotaciones de ángulo más grande pero de combustible mínimo. A diferencia de las rotaciones de eje propio fijo y velocidad de maniobra, las rotaciones ZPM varían el eje de rotación y la velocidad de maniobra durante la maniobra. Al igual que las rotaciones de eje propio, las rotaciones ZPM se pueden generar al ordenar a la nave espacial un comando de actitud y velocidad que varía en el tiempo. Sin embargo, las rotaciones ZPM requieren significativamente más tiempo que las rotaciones de eje propio. Las trayectorias ZPM también se pueden utilizar para reducir el consumo de propulsor incluso cuando la nave espacial utiliza propulsores en lugar de dispositivos de almacenamiento de momento. Esta aplicación se conoce como maniobra de propulsor reducida (RPM), ya que, aunque se minimiza el uso de propulsor, se deberá utilizar algo de propulsor.

Un ZPM es una trayectoria de actitud sin eje propio que explota la dinámica ambiental de la nave espacial (por ejemplo, gradiente de gravedad, presión solar, aerodinámica, etc.) para eliminar la necesidad de actuadores de expulsión de masa durante las operaciones de rotación. ^{[1] [2]}

Los ZPM se desarrollan resolviendo un problema de control óptimo no lineal específico de dos puntos de valor límite para un tiempo de finalización de maniobra fijo. Mientras que una maniobra de eje propio mantiene un eje de rotación y una velocidad de maniobra constantes, un ZPM utiliza un eje de rotación y una velocidad de maniobra que varían con el tiempo. Una trayectoria de actitud de maniobra de eje propio intenta superar las perturbaciones para mantener una velocidad de maniobra constante, lo que da como resultado la saturación de los dispositivos de almacenamiento de momento. Al utilizar una velocidad de maniobra variable, los ZPM evitan la saturación de los actuadores de almacenamiento de momento.

Un modelo simplificado de una nave espacial ZPM es un velero. Un velero vira contra el viento para viajar en zigzag sin utilizar sus motores fueraborda, por lo que no utiliza ningún propulsor. El velero aprovecha los vientos al igual que ZPM aprovecha las perturbaciones ambientales de la nave espacial. El velero no toma el camino más corto para viajar de un lugar a otro. De manera similar, un ZPM no toma el camino angular más corto entre dos orientaciones. Se puede pensar en el timón de un velero como el equivalente de los actuadores de almacenamiento de momento en una nave espacial. ^{[ cita requerida ]}

En 2006 y 2007 se realizaron demostraciones de ZPM en la Estación Espacial Internacional (ISS). ^[3] El 5 de noviembre de 2006, la ISS realizó un ZPM de 90 grados ^[4] en 2 horas, mientras que el 3 de marzo de 2007 realizó un ZPM de 180 grados ^[5] en 2 horas y 47 minutos. Los problemas de control óptimo de ZPM para ambas maniobras de la ISS se resolvieron utilizando el software DIDO .

El problema de control óptimo utilizado en el ISS ZPM fue formulado y resuelto por Jesse Pietz en su tesis de maestría, ^[6] y el ISS ZPM de 90° fue desarrollado por Sagar Bhatt para su tesis de maestría. ^[7]

• Control de actitud
• Giroscopio de momento de control
• TRAVESURA
• Método pseudoespectral de Legendre
• Rueda de impulso
• Ruedas de reacción