Quando alla NASA girano i volani: come variare l’assetto di 420 tonnellate in orbita.

Spiega un aspetto poco noto delle attività spaziali e in particolare della Stazione Spaziale Internazionale: come si fa a mantenere o cambiare l’atteggiamento di un asteroide?. Le recenti dichiarazioni del capo dell’Agenzia spaziale russa sulla Stazione Spaziale Internazionale hanno creato confusione tra gli appassionati del settore e il grande pubblico. Se la Russia venisse esclusa dagli accordi di collaborazione con la Nasa e l’Agenzia Spaziale Europea a causa della guerra in Ucraina, la Stazione sarebbe costretta a rientrare in maniera incontrollabile, con frammenti sugli abitati. In caso di perdita del supporto russo alla Stazione Spaziale Internazionale, non sarà possibile compensare la progressiva perdita di quota dovuta all’attrito aerodinamico, che dista 400 km dalla superficie terrestre. Il Cygnus è progettato per il rilancio, ma hanno bisogno di propulsori russi per il controllo dell’assetto. I lettori commentando gli articoli di Paolo hanno chiesto come è cambiato l’orientamento della ISS. A causa della massa e delle grandi superfici coinvolte, ci sono diversi effetti che creano una Coppia che fa ruotare la stazione spaziale. Le forze di marea generate dall’attrazione della Terra e dovute al fatto che alcune componenti sono più vicine al nostro pianeta e altre più lontane, sono le principali. Questi due effetti, insieme ad altri più sottili come la pressione generata dal vento solare e la non uniformità del campo gravitazionale terrestre, provocano una coppia che tende a far perdere alla Stazione l’assetto richiesto. L’uso dell’energia elettrica può essere utilizzato per azionare il controllo dell’assetto di un veicolo spaziale. Le forze necessarie per la rotazione nel vuoto sono generate da ruote di reazione e giroscopi. Come accade da tempo in aviazione, i giroscopi sono spesso considerati uno strumento più utile per misurare l’assetto di un oggetto, come accade da tempo, ma come vedremo, possono e sono stati utilizzati per alcuni tempo di modificarlo in vuoto. L’oggetto più massiccio e complicato da ‘spostare’ è la Stazione Spaziale Internazionale, che ha una massa di circa 400 tonnellate e un momento di inerzia pari a quello di un campo da calcio. La stazione spaziale deve cambiare orientamento ad esempio durante un’attività extraveicolare. È possibile che la struttura debba avere un’ampia superficie nella direzione di avanzamento. Il principio di funzionamento di questi oggetti è di facile comprensione, perché se si varia la velocità di rotazione del volano, inevitabilmente la velocità di rotazione di un veicolo spaziale varierà. Il problema con le ruote di reazione è che richiedono ordini di grandezza di quantità di energia maggiori di quelle richieste dai giroscopi, il che le rende poco pratiche per la massa. Ci sono sei giroscopi e quattro ruote di reazione. La differenza fondamentale tra i due è che il volano del giroscopio ruota a velocità costante, risparmiando la quantità di energia elettrica necessaria per accelerarlo e decelerarlo. Questo è un fico. C’è un’immagine del CMG aperta. La forza viene applicata al gimbal per cambiare l’assetto della ISS. La forza applicata e l’asse di rotazione della massa sono influenzati da questa forza. Ciò fa sì che il sistema mantenga la sua inerzia complessiva. Puoi capire il principio cambiando l’asse di rotazione di una ruota di bicicletta rotante, tenuta con le mani nelle braccia tese, e noterai che la ruota si muoverà in una direzione diversa da quella che ti aspetteresti. Il sistema CMG è montato nel modulo Z1 Truss, che si trova al centro della struttura e contiene quattro volani del peso di 98 chilogrammi ciascuno. Gli assi di rotazione dei quattro grandi volani puntano verso il centro del quadrato quando sono in posizione neutra. Se si desidera modificare l’assetto o la rotazione della ISS, viene applicata una forza al doppio gimbal su cui sono montati i volani. C’è un fico. C’è un’operazione del CMG della Stazione Spaziale Internazionale. Il problema è che prima o poi l’asse di rotazione si allineerà con la forza applicata. A quel punto il sistema non sarà più in grado di creare alcun Torque e sarà necessario riportare i giroscopi nella posizione iniziale. La desaturazione del CMG si verifica più frequentemente del reboost, soprattutto dopo operazioni come l’aggancio e il disaccoppiamento, che richiedono una variazione nella struttura dell’astronave. L’intero CMG deve essere estremamente affidabile per non andare mai in completa saturazione con la ISS ancora in rotazione e per misurare con precisione la velocità angolare. Nel caso di un satellite con a bordo astronauti o cosmonauti, il rischio è impensabile. In caso di problemi nel CMG, sarebbe impossibile che un Pod di emergenza si sganci dalla stazione, poiché la stazione sta ruotando su se stessa ed è necessaria la desaturazione. A causa della posizione delle retrorocce, l’operazione potrebbe non essere molto efficiente.