Roda de reação

Uma roda de reação é um atuador para controlar a posição de um satélite . Geralmente consiste em um motor , uma massa de volante girada por ele e os componentes eletrônicos de controle da velocidade do motor.

Princípio de trabalho

Uma roda de reação traz mudanças em sua velocidade de rotação , um torque para o satélite sobre ele no mesmo eixo, mas na direção oposta para girar ( ação e reação ). O spin total do sistema de satélite permanece constante ( valor de manutenção ), ao contrário dos bicos de controle de posição ou bobinas magnéticas , que alteram o spin do sistema. Falando figurativamente, o momento angular é apenas deslocado para frente e para trás entre a caixa do satélite e a roda de reação ( conservação do momento angular ).

Diferença para a roda de torção

As rodas de reação não devem ser confundidas com as rodas giratórias :

• Uma roda de reação está normalmente parada e só é levada a uma velocidade correspondente para mudar a posição do satélite ou para compensar torques externos perturbadores. Normalmente, existem várias rodas de reação por satélite, que estão alinhadas em diferentes direções espaciais.
  Se a velocidade máxima de uma roda de reação for atingida após várias mudanças de posição, ela deve ser dessaturada (parada). Para este propósito, bicos de controle de posição ou bobinas magnéticas aplicam um torque externo que se contrapõe ao da roda de reação conforme ela se move para baixo. Isso garante que o satélite mantenha sua orientação definida no espaço, apesar da mudança na velocidade e não se transforme em um movimento de queda indesejado. A roda de reação fica novamente disponível para mudanças de posição.
• Uma roda de torção funciona constantemente em alta velocidade e, portanto, gera uma torção estabilizadora , i. Isso significa que a reação aos torques perturbadores perpendiculares ao eixo de rotação da roda giratória é minimizada. Portanto, normalmente há apenas uma roda de giro (possivelmente duas redundantes ) por satélite. Rodas giratórias são usadas, por exemplo, em satélites GEO estabilizados de rotação clássicos .

Arranjos

Rodas de reação em um arranjo tetraédrico

Existem dois arranjos principais de rodas de reação usadas em viagens espaciais:

• Em um sistema desacoplado axialmente, uma roda de reação é usada em cada eixo geométrico principal do satélite, então um total de três. Um exemplo do arranjo de três eixos é o LAPAN-TUBSAT .
• Para obter redundância, as rodas de reação são instaladas no arranjo tetraédrico , num total de quatro. Isso tem a vantagem de que, se uma roda falhar, o sistema ainda permanecerá totalmente funcional. A desvantagem é o acoplamento das rodas individuais umas às outras: a rotação em torno de um eixo geométrico do satélite sempre resulta em uma mudança na velocidade de várias rodas de reação. Um exemplo do arranjo tetraédrico é o satélite BIRD .

Giroscópio de momento

Giroscópio de momento de controle (CMG) da ISS

Enquanto com rodas de reação fixas, os três componentes do vetor de momento angular são alterados individualmente, para definir no giroscópio de momento de controle (CMG, momento do giro) a direção e a magnitude desse vetor total de a, pelo eixo do momento em que o giroscópio é inclinado. Um impulsor em rotação constante em uma suspensão cardânica é usado para este propósito. H. um giroscópio . A suspensão cardânica excepcionalmente não é livre , mas é ajustada por um motor em duas direções ortogonais . O torque de reação resultante gira a espaçonave. A rotação em torno do eixo do impulsor é controlada pela alteração da velocidade. Essa tecnologia é usada, por exemplo, na Estação Espacial Internacional .

Características

Uma roda de reação típica para um satélite comercial de médio porte tem 20 a 30 cm de diâmetro, aproximadamente 10 cm de altura e uma massa total de 5 a 10 kg. A uma velocidade de aproximadamente 5.000 rpm , ele gera de acordo com a fórmula

${\ displaystyle L = J \, \ omega}$

Com

• o momento de inércia da massa ${\ displaystyle J}$
• a velocidade angular ${\ displaystyle \ omega}$

um momento angular de 20  Nm s . Em contraste, o momento angular de uma roda de giro ou um giroscópio de momento (veja acima) é de 500 Nms e mais. ${\ displaystyle L}$

Uma mudança no momento angular da roda de reação pela mudança causa uma rotação oposta do satélite em torno do eixo de rotação da roda. A orientação do satélite pode, portanto, ser controlada com muita precisão, fazendo pequenas alterações na rotação da roda de reação. ${\ displaystyle \ omega}$

O seguinte se aplica ao torque gerado : ${\ displaystyle T}$

${\ displaystyle T = J \, {\ dot {\ omega}}}$

com a aceleração angular . ${\ displaystyle {\ dot {\ omega}}}$

O torque determina a rapidez com que a rotação pode ser alterada e o satélite pode ser inclinado. O limite superior para o torque gerado é normalmente de 0,2 a 0,5  Nm .