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Astronáutica y Veh́ıculos EspacialesTema 6: Dinámica y Control de la Actitud

Rafael Vázquez Valenzuela

Departamento de Ingenieŕıa AeroespacialEscuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla [email protected]

11 de diciembre de 2008

Introducción a la Dinámica de la Actitud I

La mayor parte de los veh́ıculos espaciales tienen instrumentoso antenas que deben apuntar en una dirección concreta. Porejemplo:

El telescopio espacial Hubble debe apuntar su telescopioprincipal con gran precisión.Los satélites de comunicación deben orientar sus antenas en ladirección correcta.Los paneles solares deben maximizar su exposición al Sol.Las cámaras de fotograf́ıa de satélites metereológicos debenapuntar a una localización concreta.Las toberas propulsivas de un veh́ıculo espacial deben estarcorrectamente alineadas antes de realizar una maniobra.

La orientación de un veh́ıculo espacial (respecto a un sistemade referencia considerado “fijo”) se denomina actitud.

Hipótesis básica: El V.E. es un sólido ŕıgido. Por tanto, tiene 6grados de libertad, de los cuales 3 determinan la actitud.

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Introducción a la Dinámica de la Actitud II

Para controlar la actitud, es necesario disponer de unsubsistema (ADCS: Attitude Determination and ControlSystem) que debe ser capaz de:

Determinar la actitud actual o instantánea(problema deestimación).Calcular el error entre la actitud actual y la deseada.Aplicar momentos para eliminar el error (problema de control).

Además, puede ser necesario realizar una maniobra de actitud,es decir, pasar de una actitud inicial a una final deseada, oseguir (tracking) un objetivo (e.g. satélites esṕıa).

El problema de estimación de la actitud (“¿A dóndeestá apuntando el veh́ıculo espacial?”) requiere:

Conocimiento (modelo) de la cinemática de la actitud del V.E.Algoritmos de estimación (estad́ısticos, filtro de Kalman...)Sensores

ÓpticosMecánicosMagnéticos

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Introducción a la Dinámica de la Actitud III

El problema de control de la actitud requiere:

Conocimiento (modelo) de la cinemática y la dinámica de laactitud del V.E.Algoritmos de control (PIDs, control óptimo, control nolineal...)Actuadores

Propulsivos (toberas)Mecánicos (volantes, ruedas, giróscopos...)Magnéticos

Fuentes de error (momentos perturbadores):

Aerodinámicos (hasta LEO)Gradiente gravitatorio (por la forma no esférica del V.E.)Presión de radiación solarMagnéticosErrores de fabricaciónEfectos de flexibilidad (paneles solares, estaciones espaciales)Movimiento de fluidos (combustible)Movimiento de la tripulación

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Cinemática de la Actitud!"##$%&'()*%+%,-.

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Dinámica de la Actitud I

La dinámica relaciona la velocidad con sus causas, que sonfuerzas. En el caso del movimiento del centro de masas (unpunto), la cinemática viene dada por la segunda ley deNewton m~̈x = ~F .

La dinámica de la actitud se basa en el teorema del momentocinético o angular; las ecuaciones diferenciales resultantes sedenominan Ecuaciones de Euler.

El momento angular respecto a un sistema de referencia fijocentrado en el cdg del V.E. se define como ~Γ = ¯̄I · ~ω, donde ¯̄Ies el tensor de inercia del V.E. y ~ω su velocidad angularrespecto al sdr fijo.

El teorema del momento angular determina que ~̇Γ = ~M,donde ~M es el momento de las fuerzas respecto al cdg. Estaecuación, escrita en el sistema de referencia móvil solidario alV.E. resulta en ¯̄I · ~̇ω + ~ω × (̄̄I · ~ω) = ~M.

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Dinámica de la Actitud II

Recordatorio: para todo sólido ŕıgido con tensor de inercia ¯̄Iexisten unos ejes, llamados principales, tales que

¯̄I =

I1 0 00 I2 00 0 I3

Escribiendo la anterior ecuación en ejes principales, seobtienen las Ecuaciones de Euler:

I1ω̇1 + (I3 − I2)ω2ω3 = M1I2ω̇2 + (I1 − I3)ω1ω3 = M2I3ω̇3 + (I2 − I1)ω2ω1 = M3

Obsérvese que las ecuaciones de Euler son tres ecuacionesdiferenciales de primer orden, no lineales y acopladas. Lasecuaciones relacionan la velocidad angular con los momentos.

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Movimientos rotacionales básicos

El movimiento de un sólido libre (sin momentos) es unmovimiento de precesión del eje de rotación alrededor de uneje fijo. El movimiento clásicamente se describe con dosconos, uno fijo y otro deslizando en torno a él. Ejemplo visual:http://faculty.ifmo.ru/butikov/Applets/Precession.html

Un sólido que se encuentra en rotación y se somete a unmomento constante no reacciona de una forma “intuitiva”(simplemente rotando) sino que sufre perturbaciones en surotación provocándose movimientos de precesión y nutación.

Esta resistencia a momentos perturbadores se denominarigidez giroscópica. Es la base de funcionamiento de lasbicicletas y de las peonzas.

Ejemplo visual (peonza):http://faculty.ifmo.ru/butikov/Applets/Gyroscope.html

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Estabilidad de sistemas en rotación!"#"$%&'$(%)*"+%),-."/",(

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Sputnik vs. Explorer II

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Regla del Eje Mayor

Aunque el eje menor sea inestable, eltiempo caracteŕıstico del modoinestable es normalmente lento.

T́ıpicamente se estabiliza por rotaciónen torno al eje menor en las últimasetapas de los veh́ıculos lanzadores,antes de encender motores.

La rigidez giroscópica disminuyelos posibles errores causados poruna alineación no perfecta entrela dirección deseada y lapropulsiva real.

Tras el encendido, dicharotación se detiene, por ejemplocon un mecanismo yo-yo, o sepermite que la propia dinámicala transfiera a una rotación entorno al eje mayor.

Ejemplo: Mars Odissey.

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Gradiente gravitatorio (G2)!"#$%&'(!"#)%*+&,-.%/%0#&%1+

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Efecto de una rueda en la dinámica rotacional!""#$%&'"&('%')&'*&+,-*&+%./-0-%1

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Ejemplos de Veh́ıculos Espaciales con volantes y ruedas!"#$%&'()(*'+,$-.,/$0#,#*1

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Estabilizado por rotación con unvolante de inercia paraestabilizar la rotación.

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Maniobras de actitud

El telescopio Hubble es la máquina másprecisa jamás construida.

El telescopio principal tiene que ser capaz demantener su posición respecto a un blancocon una precisión de 0.007 segundos de arco(el ancho de un cabello humano visto a 1.5km de distancia).

Un golfista con la precisión del Hubble (y la fuerza necesaria)seŕıa capaz de realizar un “hoyo en uno” en un campo de golfen Málaga efectuando la salidad desde Moscú, 19 de cada 20veces!

El Hubble realiza su control de actitud (triaxial) empleandoruedas de reacción y volantes de inercia.

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Sensores y Actuadores para ADCS

Además de los algoritmos y ordenadores de a bordo, elsistema ADCS requiere un hardware especializado para llevara cabo su misión.

Clásicamente, los dispositivos se dividen en actuadores ysensores.

Como sucede en muchos dispositivos realizados para veh́ıculosespaciales, muchas veces los sensores y actuadores sonfabricados espećıficamente para cada misión(“custom-made”), si bien hay un cierto número dedispositivos estándar disponibles en el mercado.

Aunque no se mencionará, t́ıpicamente todos los diseños sonredudantes, permitiendo fallos (incluso simultáneos) de variosdispositivos.

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Sensores

Existen tres tipos fundamentales de sensores, de acuerdo alfenómeno f́ısico en el que se basan:

Ópticos: detectan la dirección relativa de un cuerpo planetarioo estelar.Mecánicos: miden la velocidad angular del veh́ıculo respecto aun sistema de referencia inercial.Magnéticos: sólo se pueden usar en la proximidad (LEO) deplanetas con un campo magnético de intensidad suficiente(p.ej. la Tierra).

Aunque no es técnicamente sencillo, está demostrado que esposible usar el sistema GPS para altitudes desde LEO hastaGEO. Su uso se basa en usar varias antenas receptoras,deduciéndose la actitud de la diferencia en la señal recibida enambas.

T́ıpicamente se mezclan varios tipos de sensores con variosanchos de banda y se obtiene la actitud de las medidasmediante un Filtro de Kalman o similar.

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Sensores Ópticos

Un sensor óptico trata de deducir la dirección (respecto alsistema de ejes en el que se encuentra montado, es decir, ejescuerpo) de un cuerpo planetario o estelar de referencia.

T́ıpicamente estos cuerpos serán el Sol, la Tierra o unaestrella.

Si bien en general determinan una dirección (es decir dosángulos), en algunos casos de sensores más sencillo seencuentra un único ángulo.

Un sólido ŕıgido tiene tres grados de libertad en su actitud, ypuesto que t́ıpicamente se obtendrán bastantes medidas, elproblema de la estimación estará sobre-determinado. Pararesolverlo se emplean métodos estad́ısticos y/o filtros deestimación (p.ej. el Filtro de Kalman).

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Sensores de radiación solar

Astronáutica y Vehículos Espaciales 4Dec-20-07

1. Sensores y Actuadores: Sensores

Dinámica y Control de la Actitud

Sensores de radiación solar: determinan la dirección en la que seencuentra el Sol. Consisten en una cámara oscura provista de unaranura de entrada y una retícula de detectores fotoeléctricos al fondode la cámara; según los detectores que se activen, se puede calcularel ángulo de incidencia. Un sensor es capaz de determinar un ángulorelativo, para calcular los dos ángulos de una dirección es necesariousar una configuración con dos sensores en perpendicular.

La precisión máxima es igual al diámetroangular del sol (0.5 grados desde la Tierra).

Sensores de radiación solar:determinan la dirección en la quese encuentra el Sol.

Consisten en una “cámara oscura”,fija al veh́ıculo, y provista de unapequeña ranura de entrada con unaret́ıcula de detectores fotoeléctricosal fondo de la cámara.

Según los detectores de la ret́ıculaque se activen, se puede calcular elángulo de incidencia.

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Sensores de radiación solar




Sensores de radiación solar: determinan la dirección en la que seencuentra el Sol. Consisten en una cámara oscura provista de unaranura de entrada y una retícula de detectores fotoeléctricos al fondode la cámara; según los detectores que se activen, se puede calcularel ángulo de incidencia. Un sensor es capaz de determinar un ángulorelativo, para calcular los dos ángulos de una dirección es necesariousar una configuración con dos sensores en perpendicular.

La precisión máxima es igual al diámetroangular del sol (0.5 grados desde la Tierra).

Un sensor es capaz de determinar un ángulo relativo, paracalcular los dos ángulos de una dirección es necesario usar unaconfiguración con dos sensores perpendiculares.

La precisión máxima es igual al diámetro angular del sol (0.5grados en LEO).

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Sensores digitales de aspecto solar




Sensores digitales de aspecto solar (DSADs): similares a los sensoresde radiación solar, mejoran la precisión usando una celda de sensoresfotoeléctricos más sensibles, capaces de determinar además delángulo, la intensidad de la radiación incidente. Una vez conocida ladirección y ángulo de máxima intensidad, se puede calcular ladirección en la que se haya el centroide del Sol, con una precisión desegundos de arco.

Sensores digitales de aspecto solar(DSADs): son similares a los sensores deradiación solar, pero mejoran su precisión.

Usan una celda de sensores fotoeléctricosmás sensibles, capaces de determinarademás del ángulo, la intensidad de laradiación incidente.

Una vez conocida la dirección y ángulo de máxima intensidad,se puede calcular la dirección en la que se encuentra elcentroide del Sol, con gran precisión.

Se obtiene una precisión de segundos de arco.

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Sensores de horizonte terrestre

Sensores de horizonte terrestre:determinan la dirección en la que seencuentra la Tierra.

Se basan en que la Tierra refleja laradiación solar en el espectro infrarrojo.

Su precisión está limitada en parte por laimprecisión de la linea de horizonte.

Existen dos tipos de sensores de horizonte terrestre:

Estáticos: detectan el “dibujo” del horizonte terrestre.De barrido: en continua rotación, encuentran cuando empiezay cuando acaba el horizonte.

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Sensores de horizonte terrestre




Sensores de horizonte terrestre: determinan la dirección en la que seencuentra la Tierra. Se basan en que la Tierra refleja la radiaciónsolar. Existen dos tipos de sensores de horizonte terrestre:

1. Estáticos: anillo de sensores infrarrojosque detectan el “dibujo” del horizonte terrestre. Restringidos a órbitas circulares,su precisión va de 0.1 grados (LEO) a 0.01grados en GEO.

Sensor de tipo estático.

Complejo en órbitasexcéntricas.

Su precisión va de 0.1 grados(LEO) a 0.01 grados (GEO).




2. De barrido: emplean un espejo en rotación continua que enfoca unrayo de luz en un elemento llamado bolómetro que determina laenergía de la radiación incidente. La rotación hace que el dispositivobarra un cono completo, pudiendo medirse cuando la la señal delhorizonte terrestre aparece y desaparece; el tiempo transcurrido entreestos dos eventos es usado para determinar el “ancho del horizonte”que ve el sensor, de donde se puede calcular la dirección de la Tierra.

Sensor de tipo barrido.

Se calcula el ancho del horizonte en basea cuando aparece y desaparece la señal.

Precisión variable (minutos de arco omenos).

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Sensores de estrellas




Sensores de estrellas: determinan la dirección enla que se encuentra una estrella concreta, a laque siguen (star trackers o rastreadores), o bienbuscan grupos de estrellas (star cameras), cuyasposiciones son luego comparadas con mapasestelares para determinar la actitud conprecisión. Puesto que la intensidad de radiaciónemitida por una estrella suele ser baja, requierendispositivos muy sensibles o bien amplificadores(que eran usados en el pasado). No son útiles envehículos estabilizados por rotación, puesto que avelocidades angulares grandes dejan de serefectivos.

Sensores de estrellas: determinan la direcciónen base a las estrellas. Los más precisos.

Los star trackers o rastreadores encuentranuna estrella concreta, que siguen.

Las star cameras buscan grupos de estrellas,cuyas posiciones son comparadas con mapasestelares para determinar la actitud.

Puesto que la intensidad de radiaciónemitida por una estrella suele ser baja,requieren dispositivos muy sensibles o bienamplificadores.

No son útiles en veh́ıculos estabilizados porrotación, puesto que a velocidadesangulares grandes dejan de ser efectivos.

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Sensores mecánicos: giróscopos




Sensores mecánicos: para medir la actitud se emplean giróscopos endos posibles configuraciones, que adicionalmente pueden tener uno odos grados de libertad, según el número de soportes (cardanes)

1. En balancín: el soporte exterior está fijo al vehículo y se dejan rotarlibremente las articulaciones de cada cardán, midiéndose lasvelocidades angulares en cada instante.

2. Fijos (strap-down): se intenta mantener el sistema en la posicióninicial aplicando momentos (cuya magnitud es medida) en lasarticulaciones de forma que la velocidad angular relativa sea cero entodo instante. Giróscopos: T́ıpicamente en configuración

“strap-down” (fijos a los ejes cuerpo), losgiróscopos miden la velocidad angular en uneje.

Tres giróscopos en ejes perpendicularespodrán calcular todas las componentes de lavelocidad angular.

El principal problema de los giróscopos es que, aunque soncapaces de realizar medidas de gran precisión (desde 1 gradopor hora hasta 10 segundos de arco por hora), noproporcionan una medida angular, sino de velocidad angular.

Dicha medida debe ser integrada en el tiempo (usando lasecuaciones diferenciales cinemáticas) para obtener la actitud.

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Sensores mecánicos: giróscopos

Inevitablemente pequeños errores se acumularan y provocaránun error de deriva en la medida.

Por ese motivo, los sensores giroscópicos siempre se usan encombinación con otros sensores.

No obstante son muy deseables por su elevado ancho debanda (bajo en el resto de los sensores).

Giróscopos no mecánicos: también existen giróscopos ópticos(basados en principios de interferometŕıa) y électricos(basados en sistemas electromecánicos, de baja precisión).

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Sensores magnéticos (magnetómetros)

Un magnetómetro mide el vectorcampo magnético en el sistema dereferencia ejes cuerpos.

Se compara con el campomagnético teórico en los ejes fijosde la Tierra, para hallar la actitud.

No muy precisos por lairregularidad del campo magnéticoterrestre.

Satélite Ørsted, medidas precisasdel campo magnético terrestre.

“Boom” de 8 metros paraminimizar las interferencias delpropio satélite en el magnetómetro.

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Actuadores

Existen diferentes tipos de actuadores para controlar laactitud de un veh́ıculo espacial, entre los que destacan:

Propulsores: basados en la expulsión de masa a alta velocidad.Ruedas/Volantes de inercia: discos de velocidad variables, quecontrolan la actitud basándose en el intercambio de momentocinético.Giróscopos de control de momento (CMG): son volantes deinercia que rotan a velocidad constante, pero que pueden serrotados en el espacio, de forma que provocan una reacción porla conservación de momento cinético.Magnetopares o varillas magnéticas, que utilizan el campomagnético para provocar un par.Elementos estructurales para control pasivo: mástiles,“booms”, disipadores, sistemas yo-yo...

T́ıpicamente habrá dos o más tipos de actuadores en unveh́ıculo, ya que son complementarios en sus caracteŕısticas.

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Propulsores


1. Sensores y Actuadores: Actuadores


Propulsores: constituyen el actuador más eficaz y capaz de ejerceractuaciones de elevada magnitud con rapidez, pero al mismo tiempo,son el más costoso y su uso está limitado ya que utilizan combustible,que en general no se puede reponer.

Para control de actitud, se utilizan en una configuración en pareja (porcada eje que se pretenda controlar) de forma que no afecten a laórbita del vehículo, si bien en la práctica esto nunca es posible contotal precisión y deberá corregirse la órbita (stationkeeping) con otrosmedios.

Son el actuador más eficaz, capazde ejercer actuaciones de elevadamagnitud con rapidez.

El más costoso y de uso limitado,ya que utilizan combustible.

Para ejercer un par, se utilizan enuna configuración en pareja (porcada eje que se pretenda controlar).

Nunca se utiliza un único par poreje, sino varias toberas de formaredundante.

El conjunto de elementos depropulsión junto con la lógica decontrol se denomina Sistema deControl de Reacción (RCS)

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Ejemplos de RCS




Nunca se utiliza un único par de propulsores por eje, sino que seubican varias toberas de forma redundante, para poder asumir el fallode una o más de ellas. El conjunto de todos los elementos depropulsión junto con la lógica de control se denomina Sistema deControl de Reacción (RCS).

El RCS del Apollo.

T́ıpicamente habrá toberas de empuje “pequeño” paramaniobras de actitud “finas”, y toberas de mayor empuje paramaniobras rápidas de actitud y maniobras orbitales.

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Ruedas y Volantes de Inercia




Ruedas y volantes de inercia: son elementos compuestos por un discode elevada inercia (muy elevada en el caso de los volantes de inercia)y un motor eléctrico que hace girar al disco.

La diferencia fundamentalentre los volantes de inercia y lasruedas de reacción es que los volantesde inercia (bias momentum wheel)están diseñados para rotarpermanentemente a una ciertavelocidad (que proporciona estabilidadgiroscópica).

Son elementos compuestos por undisco de elevada inercia (muyelevada en el caso de los volantesde inercia).

Poseen un motor eléctrico que hacegirar al disco con la velocidaddeseada.

La diferencia fundamental entre losvolantes de inercia y las ruedas dereacción es que los volantes deinercia (bias momentum wheel)están diseñados para rotarpermanentemente a una ciertavelocidad (que proporcionaestabilidad giroscópica).

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Ruedas y Volantes de Inercia




Ambos elementos funcionan comoactuadores “absorbiendo” momentoangular en forma de rotación deldisco. Puesto que el momentoangular del conjunto vehículo-ruedase conserva, mediante un conjuntode ruedas se puede modificar avoluntad el momento angular delvehículo (y por tanto su velocidadde rotación en cada eje), porejemplo se pueden usar las ruedaspara “almacenar” el momentoangular causado por paresperturbadores.

Ambos elementos funcionan comoactuadores “absorbiendo” momentocinético en forma de rotación.

Puesto que el momento cinético delconjunto veh́ıculo-rueda se conserva,mediante varias ruedas se puedemodificar a voluntad el momentocinético del veh́ıculo (y por tanto suvelocidad de rotación en cada eje)

Por ejemplo se pueden usar las ruedas para “almacenar” elmomento cinético causado por pares perturbadores.

No obstante las ruedas tienen un ĺımite de saturación a partirdel cual el motor no puede aumentar el momento cinético.

Por tanto, se debe “descargar” el momento cinético con otroelemento capaz de disminuirlo, por ejemplo propulsores oactuadores magnéticos.

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Magnetopares




Varillas magnéticas: son elementos que aprovechan la fuerza deLorentz (una partícula cargada en movimiento en un campo magnéticoexperimenta una fuerza) en la presencia del campo magnético de laTierra (u otro planeta). Normalmente se usan para maniobras deadquisición de actitud (orientando al vehículo como si de una brújulase tratase) y para descargar el exceso de momento angular de lasruedas de reacción.

Magnetopares o Varillas magnéticas:son elementos que aprovechan lafuerza de Lorentz.

Esta fuerza es causada por unapart́ıcula cargada en movimiento en uncampo magnético, que será el de laTierra (u otro planeta).

Pueden ser permanentes (un imán permanente), quenormalmente se usan para maniobras de adquisición de actitud(orientando al veh́ıculo como si de una brújula se tratase).

También pueden ser variables y usarse para control yestabilización.

T́ıpicamente se usan en microsatélites, y también en satélitesmás grandes para descargar el exceso de momento cinético delas ruedas de reacción.

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Elementos de control estructurales

No son actuadores en el sentido másestricto de la palabra, pero juegan unpapel importante en el control(pasivo) de la actitud.

Consisten en partes móviles queactúan de diversas formas:

Incorporando disipación: disipadoresde nutación.Modificando los momentos de inerciadel veh́ıculo (y por tanto afectandola estabilidad): mástiles, “booms”,Expulsando masa para modificar elmomento cinético total: dispositivoyo-yo.




Disipadores de nutación

Disipador tubular (ball-in-tube) Disipador viscosoEjemplo: disipador denutación.

Su objetivo es evitardesviaciones del eje derotación.

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Elementos de control estructurales




Partes móviles para modificación de los momentos de inercia:suelen ser mástiles motorizados o telescópicos. Se empleanespecialmente en vehículos estabilizados por gradiente gravitatorio,de forma que se alcanze la orientación deseada.

Partes móviles para modificación delos momentos de inercia: suelen sermástiles motorizados o telescópicos.

Se emplean especialmente enveh́ıculos estabilizados por gradientegravitatorio, de forma que se alcanzela orientación deseada.

Expulsión de masa: se empleanpara detener rápidamente unarotación.

Ejemplo: sistemas yo-yo. Seexpulsan 2 masas atadas a laestructura; al acelerarse“concentran” el momentocinético, frenando la rotación.

Cuando los cables se tensan,las masas se liberan.




Expulsión de masa para modificar el momento angular total: seemplean para detener de forma efectiva y rápida un movimiento derotación. Un ejemplo son los denominados sistemas yo-yo (puesto queimitan a este juego); el vehículo libera dos masas atadas por un cablea la estructura, que al adquirir velocidad “concentran” el momentoangular del sistema, disminuyendo la velocidad de rotación delvehículo; cuando los cables se tensan, las masas se liberan.

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Métodos de control de actitud

Los métodos de control de actitud t́ıpicamente se clasifican endos clases: control activo y control pasivo.No obstante, la palabra pasivo tiene, en teoŕıa de control,varias interpretaciones.

Control pasivo en el sentido energético: un sistema de controlque no requiere ningún tipo de fuente de enerǵıa adicional parasu funcionamiento.Pasivo en el sentido estructural: un sistema de control quecarece de lógica de comando, es decir, no necesita ningún tipode procesado de información para su actuación, puesto queaprovecha algún tipo de efecto f́ısico o natural.Además, existe el concepto de “Sistema Pasivo”, unadefinición matemática utilizada en control no lineal.

Ésto no se debe confundir con la distinción entre BucleAbierto y Bucle Cerrado.

Los sistemas que denominaremos de Control Pasivo no lo sonestrictamente, sino que en general incorporan algún elementoactivo complementario.

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Sistemas de control pasivos

Los sistemas de Control Pasivo tipicamente encontrados enveh́ıculos espaciales son los siguientes:

Estabilización por rotación (spin stabilized systems).Estabilización por rotación doble (dual-spin stabilized systems).Estabilización por gradiente gravitatorio (G2).Estabilización por volante de inercia (bias-momentumstabilized systems). Éste método también se puede consideraractivo.Estabilización por momentos magnéticos. Éste métodotambién se puede considerar activo.

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Estabilización por rotación


2. Sistemas de Control Pasivo


1. Estabilización por rotación (spin stabilized systems).

Sistema simple para estabilizar la actitud. Siel sistema es puramente pasivo, el eje derotación debe ser el eje mayor. Por tantoexige vehículos espaciales oblatos.

Las perturbaciones provocarán unmovimiento de nutación del eje de rotación,que puede ser eliminado medianteamortiguadores de nutación

Para acelerar o frenar la rotación se empleanpropulsores o (para frenar) sistemas yo-yo.Los propulsores también se pueden emplearpara orientar el eje de rotación.

Estabilización por rotación: Sistemasimple y económico para estabilizar laactitud.

Si el sistema es puramente pasivo, eleje de rotación debe ser el eje mayor.

T́ıpico en veh́ıculos con simetŕıa derevolución, que deben ser oblatos y noprolatos.

Las perturbaciones provocarán unmovimiento de nutación del eje derotación, que puede ser eliminadomediante amortiguadores de nutación.

Para acelerar o frenar la rotación se emplean propulsores o(para frenar) sistemas yo-yo.

Los propulsores también se pueden emplear para orientar el ejede rotación.

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Estabilización por rotación doble




2. Estabilización por rotación doble (dual-spin stabilized systems)

Cuando se requiere mayor precisión deactitud o por requisitos de lanzamiento elvehículo no puede ser oblato, se recurre alsistema de estabilización de rotación doble.

Una parte del vehículo (rotor) gira a unacierta velocidad, mientras que otra parte delvehículo (plataforma) no gira o rota muydespacio. En la plataforma se suelen ubicarinstrumentos de medida.

Si el rotor adquiere el suficiente momentoangular, la rotación puede ser alrededor deleje menor o incluso el intermedio,permitiendo mayor libertad en la forma delvehículo y mejorando la maniobrabilidad.

Estabilización por rotación doble: Cuandose requiere mayor precisión de actitud opor requisitos de lanzamiento el veh́ıculono puede ser oblato, se recurre al sistemade estabilización de rotación doble.

Una parte del veh́ıculo (rotor) gira a unacierta velocidad, mientras que otra partedel veh́ıculo (plataforma o estator) nogira o rota muy despacio.

En la plataforma se suelen ubicarinstrumentos de medida.

Si el rotor adquiere el suficiente momento cinético, la rotaciónpuede ser alrededor del eje menor o incluso el intermedio,permitiendo mayor libertad en la forma del veh́ıculo ymejorando la maniobrabilidad.

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Estabilización mediante gradiente gravitatorio




3. Estabilización por gradiente gravitatorio (G2)

Otros ejemplos:

El G2 puede ser utilizado paraestabilizar de forma simple y barata,de forma que siempre se apunte a uncuerpo central.

Es un mecanismo lento y pocopreciso, requiere elementosdisipadores.

Proporciona baja maniobrabilidad ypoca estabilidad en guiñada.

El gradiente gravitatorio tiendea alinear el eje menor con lavertical local, el eje intermediocon la dirección de la órbita yel eje mayor perpendicular alplano de la órbita, lo que debeser considerado en el diseño.




3. Estabilización por gradiente gravitatorio (G2)El momento ejercido por las fuerzasgravitatorias (gradiente gravitatorio) puede serutilizado para estabilizar el vehículo de formasimple y barata, de forma que siempre apuntea un cuerpo central. Las desventajas son: bajaprecisión, poca maniobrabilidad y necesidad deelementos disipadores para amortiguar lasoscilaciones del vehículo (ya que es unmecanismo lento que aporta pocaamortiguación).

El gradiente gravitatorio tiende a alinear el ejemenor con la vertical local, el eje intermediocon la dirección de la órbita y el eje mayorperpendicular al plano de la órbita, lo quedebe ser considerado en el diseño.

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Estabilización mediante gradiente gravitatorio




3. Estabilización por gradiente gravitatorio (G2)

El G2 en algunos casos es un mecanismo secundario, paraahorrar combustible en los momentos en los que no es cŕıticouna actitud precisa.

Los satélites de más larga vida incorporan este tipo deestabilización.

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Estabilización con volante de inercia




4. Estabilización por volante de inercia (bias-momentum stabilized systems)

El mismo concepto de los sistemas derotación doble se puede incorporar a unvehículo espacial con una rueda interna(volante de inercia) rotando a una granvelocidad, eliminando así la necesidadde elementos externos rotatorios.

Además el volante de inercia se puedeemplear como parte de un sistema decontrol activo, por lo que este sistemade control es considerado activo porciertos autores. Dicho uso exigeincorporar un mecanismo de descargade momento para evitar la saturacióndel volante.

El mismo concepto de los sistemasde rotación doble se puede incorporara un veh́ıculo espacial con una ruedainterna (volante de inercia) rotando auna gran velocidad, eliminando aśı lanecesidad de elementos externosrotatorios.

Además se puede emplearcomo parte de un sistema decontrol activo.

El volante de inercia se suelecolocar con el ejeperpendicular al plano orbital,combinándose con el G2.Para realizar maniobras en elplano orbital, si se acelera ofrena el volante, provoca que elveh́ıculo rote en la direcciónopuesta, por conservación delmomento cinético.

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Estabilización por momentos magnéticos




5. Estabilización por momentos magnéticos

Usando varillas magnéticas, se puede aprovechar el campo magnéticode la Tierra para orientar un vehículo mediante las fuerzas de Lorenz.

Usando magnetopares, se puedeaprovechar el campo magnético dela Tierra para orientar un veh́ıculomediante las fuerzas de Lorenz.

Sólo útil en órbita baja deplanetas con campo magnéticode suficiente intensidad.

Puesto que el campomagnético de la Tierra siempreapunta hacia el Norte, se debecambiar la polaridad de losactuadores cada media órbita.




5. Estabilización por momentos magnéticos

Puesto que el campo magnético de la Tierra siempre apunta hacia elNorte, se debe cambiar la polaridad de los actuadores cada media órbita!

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Sistemas de control activos

Los sistemas de Control Pasivo permiten un nivel deestabilidad adecuado para muchas aplicaciones

No obstante (sobre todo al principio de su vida útil), todos losveh́ıculos necesitan realizar:

Maniobras de actitud.Ajustes de la velocidad de rotaciónManiobras de stationkeeping.

Para ello es necesario un sistema de control que será activotanto en el sentido energético como en el estructural,precisando de una fuente de enerǵıa y una lógica de control.

En misiones que requieran gran precisión en la actitud dichosistema será primario. En este caso se dice que el satéliteestá estabilizado en tres ejes o triaxialmente estabilizado.

En otros casos puede ser un sistema secundario que sólo seactivará cuando sea necesario.

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Sistemas de Control de Reacción (RCS)


2. Sistemas de Control Activo


1. Sistemas de Control de Reacción.

En sistemas que requieran elevadamaniobrabilida, la solución más empleadaes un sistema de control de reacción o RCS,que emplea un conjunto de propulsoresdistribuidos por el vehículo para modificar laactitud.Puesto que en cada maniobra se consumecombustible, se debe optimizar el uso de lospropulsores para evitar un agotamientoprematuro y fallo de la misión; por tanto sedebe permitir un margen de error paraevitar un exceso de activaciones.




1. Sistemas de Control de Reacción.

La llamada “lógica de propulsión”establece cuando se disparan lospropulsores y cuando se acepta unpequeño error de actitud/velocidad.Normalmente es una combinación de“zonas muertas” (sin actuación) ehistéresis (para evitar el disparorepetitivo de propulsores). Además lospropulsores son actuadores “todo onada”, con lo que siempre actúan ensaturación. Por tanto un RCS esintrínsecamente no-lineal.

En sistemas que requieran elevaday/o rápida maniobrabilida, seemplea un sistema de control dereacción o RCS, que emplea unconjunto de propulsoresdistribuidos por el veh́ıculo paramodificar la actitud.

La llamada “lógica depropulsión” establece cuandose disparan los propulsores ycuando se acepta un pequeñoerror de actitud/velocidad.

Normalmente es unacombinación de “zonasmuertas” (sin actuación) ehistéresis (para evitar el disparorepetitivo de propulsores).

Además los propulsores sonactuadores “todo o nada”, conlo que siempre actúan ensaturación.

Por tanto un RCS esintŕınsecamente no-lineal.

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Sistemas de Intercambio de Momento Angular

Para la mayor precisión de actitud,maniobrabilidad en los tres ejes yestabilización en cualquierorientación independientemente delos momentos de inercia, se usansistemas de intercambio demomento angular que usan ruedasde reacción, volantes de inercia y/oCMGs.

No obstante es un sistema caro,poco tolerante a fallos, y requiereun sistema propulsivo auxiliar (enalgunos casos magnetopares) paradescargar el momento de las ruedasy aśı evitar la saturación.




2. Sistemas de Intercambio de Momento Angular

Otro ejemplo:

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