Cómo entender la saturación de las ruedas de reacción utilizadas en el control de actitud

Las ruedas de reacción funcionan creando pares que contrarrestan otros pares que influyen en la actitud del vehículo. Lo hacen manipulando su momento angular.

El momento angular (H) es igual al producto del momento de inercia (I) y la velocidad angular (omega). El momento de inercia está dictado por las propiedades físicas de la rueda (masa, tamaño y forma). Para la mayoría de las ruedas de reacción, es un valor constante. La velocidad angular es la velocidad de rotación y la dirección de rotación de la rueda. Eso es fácilmente ajustable al agregar potencia a los motores que controlan la rueda.
El par es igual al cambio en el momento angular durante un período de tiempo.
Mientras la rueda cambia su momento angular, se produce un par. Un par es una fuerza de torsión que causa una rotación.

Entonces, imagine que nuestra nave espacial es un cubo simple con tres ruedas unidas: una en cada eje primario (x, y, z).

Si algún otro par actúa sobre el vehículo (gradiente de gravedad, arrastre atmosférico o incluso pares causados ​​internamente, como respiraderos o fugas), el software del vehículo identificará las tasas en el vehículo y calculará los pares necesarios para anular esas tasas. Se calcula el par para cada eje y luego se envían comandos de velocidad a cada rueda. Durante su aceleración producen los pares necesarios.

Ahora llegamos a la parte de saturación . Cada rueda tiene una velocidad máxima a la que es capaz de conducir. Digamos que la velocidad es de 6000 rpm. Eso significa que cada rueda podría acelerarse para girar a velocidades entre 0 y +6000 rpm y 0 y -6000 rpm. Cada rueda puede continuar produciendo un par a medida que su velocidad aumenta hacia +/- 6000 rpm. Pero, ¿qué sucede cuando la velocidad de la rueda alcanza las 6000 rpm? La rueda se vuelve incapaz de proporcionar más torque en ese eje. Cualquier cambio en la velocidad ahora será una desaceleración, lo que significa que producirá un par en la dirección opuesta a la que se necesita. Esto se llama saturación, lo que significa que el sistema ha almacenado todo el impulso que puede almacenar. Está saturado

Como mi contrato con Quora requiere que mencione la Estación Espacial Internacional (EEI) en cada respuesta, proporcionaré otro ejemplo de saturación que es un poco diferente.

Los CMG (giroscopios de momento de control) a bordo del ISS proporcionan control de actitud de manera similar. Pero, en lugar de cambiar la velocidad de las ruedas para crear torque, cambian la orientación de las ruedas.

Hay cuatro ruedas y cada una gira a una velocidad fija de 6600 rpm. Cuando están orientados como en la parte superior de la siguiente imagen, podemos ver que el momento angular total del conjunto de CMG es cero. CMG1 está cancelando CMG4 y CMG2 está cancelando CMG3.

Si reorientamos lentamente cada rueda para que apunte hacia arriba, se produce un par durante la rotación de los gimbals CMG. Pero, una vez que los cuatro CMG apuntan en la misma dirección, decimos que los CMG están saturados . No pueden proporcionar más torque en esa dirección.