Lansează un nanosatelit pe orbită! - 2 - Cum să lansezi în stil frisbee un nanosatelit în spațiu

Pentru a permite instrumentelor și experimentelor științifice de la bordul nanosatelitului să funcționeze corect, nanosatelitul trebuie să se rotească la 20 de rotații pe minut. Pentru lansatorul de nanosatelit, producerea acestei viteze de rotire este un obiectiv principal. Calcularea forței exacte necesare pentru producerea acestei viteze de rotație implică ceva mai multă matematică decât aici, dar vă oferim o idee despre procesul de gândire al lui Pete în analiza problemei.

Pentru a măsura cu precizie viteza de rotație, proiectanții utilizează termenul de viteză unghiulară, care poate fi exprimată în rotații pe minut (RPM). Dacă părinții (sau bunicii) au un pickup cu discuri de vinil, este posibil să fi văzut rotațiile sale de 33 RPM. Nanosateliții se vor roti mult mai lent. Viteza unghiulară poate fi descrisă și în alte moduri. Dacă împărțim un cerc în 360 de părți (numite grade), putem descrie viteza unghiulară în termeni de grade de rotație pe un anumit interval de timp. Deci 20 RPM ar putea fi de 7.200 de grade/minut (20 de rotații de 360 de grade în fiecare minut), sau 1/3 de rotație pe secundă sau 120 de grade pe secundă.

Spre deosebire de pickup, nanosateliții vor primi o singură dată un impuls de rotație pentru a se roti la viteza unghiulară corespunzătoare. Dar de câtă forță este nevoie pentru aceste rotații de la un singur impuls? Asta depinde de cât de repede este condus către viteza maximă (numită accelerația unghiulară) și de cât de mult rezistă nanosatelitul la răsucire (numită momentul de inerție). Inerția este tendința obiectelor în repaus de a rămâne în repaus și a obiectelor în mișcare de a rămâne în mișcare. Forța necesară pentru producerea rotației se numește momentul forței. Pentru a obține momentul forței, înmulțim momentul de inerție cu accelerație unghiulară.

Dar cât de repede trebuie să ajungă nanosatelitul la rotația necesară de 20 RPM? Accelerația unghiulară reprezintă creșterea vitezei unghiulare (de rotire) în unitatea de timp. De exemplu, dacă viteza unghiulară este dată în rotații pe minut, accelerația unghiulară este exprimată în rotații pe minut, pe minut. Cu alte cuvinte, cu câte rotații pe minut va crește (sau va scădea) viteza în fiecare minut?

Valoarea accelerației unghiulare în acest caz depinde de cât timp este disponibil pentru a atinge viteza unghiulară dorită. Pentru lansatorul de nanosatelit ST5, se va folosi un arc cu vârf împingător pentru a produce momentul forței, reglând rotația nanosatelitului. Împingătorul va acționa asupra unui punct dur la marginea nanosatelitului, cu partea opusă punctului dur articulată pentru a acționa ca un pivot. Pe măsură ce arcul se destinde în linie dreaptă, punctul dur începe să se rotească ieșind din calea împingătorului.

În timpul primelor 12 grade de rotație, va exista contact între împingător și punctul dur. Aceasta înseamnă că viteza unghiulară completă de 120 de grade în fiecare secundă trebuie să fie livrată în doar 12 grade de rotație – sau 1/5 de secundă! Este necesară o accelerație unghiulară de 600 grade/secundă/secundă pentru a atinge viteza unghiulară de 20 RPM în 1/5 de secundă.

Cât de mult se va opune nanosatelitul la rotație? Masa lui este de 19,5 kilograme. Dacă îl împingem în linie dreaptă pentru a-l face să se miște, rezistența pe care masa de 19,5 kilograme o opune la mișcare se numește inerție. Deci nanosatelitul are o inerție de 19,5 kilograme.

Atunci când este rotit, acele 19,5 kilograme prezintă o rezistență mult mai mare. La rotire, este nevoie de mai multă putere pentru a menține aceeași viteză decât pentru mișcarea în linie dreaptă. Observăm acest lucru atunci când luăm o curbă cu o mașină sau cu o bicicletă.

Mai mult chiar. Masa nanosatelitului de 19,5 kilograme este distribuită într-un cerc în jurul centrului său,  între centru și perimetrul  exterior. Distanța dintre acea  masă circulară și centru  acționează ca o pârghie,  adăugând rezistența masei la mișcare.

Deci, rezistența totală la rotație sau momentul de inerție, depinde de masă și de distribuția acesteia.

Un alt factor care trebuie să fie luat în considerare de proiectanții lansatorului ST5 este efectul brațului magnetometrului asupra vitezei de rotație. Acest braț segmentat ține instrumentul care măsoară câmpurile magnetice ale Pământului. Se desface cu instrumentul atașat după ce satelitul este rotit. La fel cum patinatorii pe gheață se învârt mai repede atunci când își retrag brațele și mai lent atunci când le țin întinse, satelitul se va roti mai lent atunci când brațul magnetometrului este dislocat. Așadar, viteza inițială de rotire a satelitului la ieșirea din lansator trebuie să ia în considerare această încetinire.

Așadar, din momentul de inerție, proiectanții pot calcula valoarea momentului forței asigurat de arc pentru a da o accelerație unghiulară corectă care va oferi nanosatelitului viteza unghiulară finală corectă.

PDF: https://www.telework.ro/ro/e-books/lanseaza-un-nanosatelit-pe-orbita/

Publicat inițial în The Technology Teacher, Aprilie 2003, de International Technology Education Association.

Acest articol a fost scris de Diane Fisher, Tony Phillips și Gene Schugart. Alex Novati a ilustrat-o. D-na Fisher este scriitoare și proiectantă a site-ului The Space Place la spaceplace.nasa.gov. D-ra Phillips este astronom și redactor al site-ului web Science@NASA (science.nasa.gov). D-l Schugart este consultant în dezvoltarea de produse educaționale. Mulțumiri și lui Pete Rossoni, inginer șef al lansatorului de nanosateliți ST5, pentru ajutor tehnic. Articolul a fost furnizat prin amabilitatea Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, în baza unui contract cu Administrația Națională de Aeronautică și Spațiu. Traducere, editare imagini și adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro .