Desde la UNAM

Control de orientación de satélites artificiales, retos y aplicaciones – Mtro. Eduardo Espíndola y Dr. Yu Tang Xu

Los satélites artificiales son dispositivos diseñados para cumplir misiones en el espacio, orbitando cuerpos celestes como planetas, asteroides o satélites naturales. En la actualidad, existen satélites artificiales desde el tamaño de un pulgar (www.thumbsat.com) hasta satélites del tamaño de un laboratorio completo, como la Estación Espacial Internacional de 72×108 m.

Comparación de tamaño entre la Estación Espacial Internacional y el Thumbsat.

Las misiones más conocidas de los satélites son las telecomunicaciones, el geo-posicionamiento y la exploración del espacio; las cuales, requieren la orientación del satélite hacia zonas específicas, ya sea para dirigir la antena hacia la Tierra y enviar la información, o para dirigir los sensores hacia zonas particulares en el espacio profundo.

Pero, una vez que el satélite es puesto en órbita, ¿cómo lo hacemos girar desde la Tierra?, ¿cómo lo movemos en el vacío sin aire ni gravedad?, ¿cómo lo orientamos, con la precisión suficiente para apuntar a una estrella sin poder tocarlo? Las formas más comunes de girar un satélite en el espacio son a través de propulsión por gas y con ruedas de reacción.

Con la propulsión por gas, se abren y cierran válvulas que dejan salir gas a presión en puntos estratégicos del satélite, ocasionando una rotación. Posteriormente, con propulsores opuestos se frena el satélite logrando una posición fija. Sin embargo, el número de rotaciones es limitado por la cantidad de gas que lleva el satélite. Una vez que se termina el gas, el satélite puede quedar obsoleto, a menos que su siguiente misión no requiera re-orientación.

Rotación con propulsores de gas.

Las ruedas de reacción son motores eléctricos acoplados con ruedas inerciales. Los motores eléctricos hacen girar las ruedas inerciales a altas velocidades (hasta 20000 RPM) y gracias al principio de conservación del momento angular, el satélite que lleva internamente las ruedas de reacción, gira en sentido contrario a las ruedas inerciales, compensando el momento angular.

La ventaja de las ruedas de reacción es que sólo utilizan la energía eléctrica de las baterías. Además, las baterías son cargadas con paneles solares; por lo que el satélite tiene rotaciones “ilimitadas”. Sin embargo, la batería no sólo sirve para girar el satélite, sino también se utiliza para alimentar los sensores y para enviar la información a la Tierra. Por lo tanto, las ruedas de reacción deben ser activadas con bastante precisión.

Mediante la teoría de control, aplicada a la orientación de satélites, se puede conocer la mejor forma de girar las ruedas de reacción, de tal manera, que ejecuten el giro del satélite con suficiente rapidez y precisión, completando la misión sin desperdiciar demasiada energía.

Se trata de modelar matemáticamente el comportamiento del satélite cuando está rotando. Posteriormente, se estudia la estabilidad del sistema, proponiendo diferentes formas de establecer el par que hace girar el satélite.

Marcos de referencia.

Desde el punto de vista matemático, el problema consiste en girar un marco de referencia fijo al satélite hasta llevarlo a un marco de referencia deseado, respecto a una referencia fija al centro de la Tierra. El controlador final determina la velocidad de las ruedas inerciales y puede funcionar para orientar desde el satélite más pequeño hasta el más grande, sin perder eficiencia y precisión.

M. en C. Eduardo Espíndola López / Dr. Yu Tang Xu

Unidad de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional Autónoma de México, Campus Juriquilla

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