Almacenamiento de energía solar
La batería de control de actitud es un componente crítico en los satélites que almacenan energía para mantener las operaciones durante el eclipse. Debe ser capaz de cumplir con varios requisitos de la misión y debe funcionar bien durante los ciclos de carga/descarga ordenados en condiciones de espacio real. También debe cumplir con estándares específicos y generales establecidos por las instituciones facilitadoras del espacio.
El sistema de batería de un satélite debe ser monitoreado cuidadosamente para evitar daños y degradación. Se utiliza un termistor NTC protegido con vidrio para monitorear la temperatura. El termistor tiene una resistencia que es linealmente proporcional a su temperatura, lo que permite una medición rápida y precisa de la temperatura del sistema. El voltaje de salida del termistor también se usa para detectar picos de voltaje transitorio que pueden causar daños a la batería y reducir la vida útil de las baterías.
Los satélites de órbita de baja tierra deben operar bajo la iluminación constante y el sombreado de la luz solar, lo que resulta en ciclos repetidos de carga de carga. Esto se deteriora rápidamente la alimentación de la batería. Como resultado, la mayoría de los satélites llevan múltiples conjuntos de baterías con diferentes capacidades para garantizar que haya suficiente energía disponible para operaciones críticas.
Los avances tecnológicos han realizado alternativas viables de los sistemas FES de almacenamiento de energía del volante a las baterías electroquímicas tradicionales para aplicaciones satelitales que requieren muchos ciclos de carga de carga. De hecho, los Sistemas de control de actitud integrados y los IPAC, que combinan el almacenamiento de energía del volante con hardware de control de actitud, han demostrado un rendimiento que es superior a las baterías en la mayoría de las situaciones.
Los sistemas combinados de almacenamiento de energía y control de actitud que utilizan ruedas de impulso pueden producir un cambio significativo en la actitud de la nave espacial con cero momento, pero la cantidad de torque que pueden generar está limitada por su masa. Además, sus rodamientos de fricción pueden sufrir problemas de descomposición y mantenimiento.
Se necesita un nuevo enfoque para abordar este problema. Nuestro equipo de investigación ha desarrollado un innovador sistema de control de actitud y potencia integrada con el momento de control de velocidad variable, los VSCMG de los Gyroscopes que pueden funcionar como un sistema de control de actitud y un sistema de almacenamiento de energía. El sistema es capaz de entregar potencia al satélite durante el eclipse con una energía específica a la par con el rendimiento de la batería de iones de litio de última generación.
El sistema utiliza una matriz de VSCMG con un solo controlador central (SCP). El SCP central se comunica con cada unidad electrónica de unidad de cardán 60 y 62 para ordenar el eje rotacional de la rueda para mantener la actitud correcta. Las unidades de cardán luego entregan la corriente deseada a los paneles solares.
Almacenamiento de energía del volante
El almacenamiento de energía del volante, o fess, es un sistema que utiliza discos rotativos para almacenar energía cinética. Esto le permite superar las limitaciones de las baterías químicas, que deben recargarse con frecuencia y tener una vida útil limitada. Además, los rotores de FESS se pueden girar a altas velocidades sin daños. Sin embargo, la tecnología tiene algunos inconvenientes que limitan su aplicación.
Un FESS típico funciona con un motor eléctrico que gira el rotor a alta velocidad y genera electricidad para cargarlo. El motor también se puede usar para convertir la energía cinética del rotor en energía eléctrica cuando se necesita energía. De esta manera, el rotor actúa como una batería eléctrica con una alta densidad de potencia.
La tecnología ha ganado tracción para aplicaciones como la calidad de potencia y el puente a largo plazo de una fuente de energía a otra. Es particularmente adecuado para situaciones en las que una gran cantidad de energía debe estar disponible de manera rápida y continua, como en los centros de datos. Los centros de datos masivos operados por empresas como Google usan volantes como su principal medio de almacenamiento de energía. Cuando se interrumpe la energía eléctrica para estos centros, la energía cinética almacenada en sus volantes proporciona electricidad casi de inmediato y le da tiempo a los generadores de respaldo para comenzar.
Otro campo donde la tecnología está ganando impulso es aeroespacial. En particular, los satélites deben colocarse con precisión y a altas velocidades, lo cual es difícil usar el hardware de control de actitud convencional. FESS puede proporcionar esta capacidad utilizando una combinación de tecnologías de control y almacenamiento de energía.
Actualmente, la tecnología está siendo probada por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Kirtland, Nuevo México. Su éxito le permitiría reemplazar los sistemas de control de actitud de envejecimiento en satélites, que tienen una energía baja específica y degradan rápidamente. Sin embargo, se debe realizar más investigación sobre la ciencia de los materiales para mejorar la resistencia de los rotores altamente estresados que operan a altas velocidades, así como para mejorar los cojinetes magnéticos del rotor activo para reducir la tasa de autodescargo. Además, se deben realizar estudios sobre fess hibridantes con otros sistemas apropiados para el almacenamiento de escala de cuadrícula.
Sistemas integrados de control de potencia y actitud
Además del almacenamiento de energía, los volantes de doble rotación también proporcionan control de actitud. Esto se logra por un sistema de control que genera comandos a los actuadores en respuesta a la entrada del sensor del vehículo. Este sistema de control debe tener en cuenta las limitaciones de velocidad del rotor, distribución de masa asimétrica, flexibilidad, desequilibrio de masa, operación de baja pérdida, coordinación entre el control de actitud y los subsistemas de almacenamiento de energía/energía, y muchos otros factores.
Los algoritmos de control de actitud son programas informáticos que procesan la entrada de los sensores de una nave espacial y generan salidas para rotar el vehículo. Estos programas de computadora se envían a los actuadores que implementan estas instrucciones. Existen varios tipos diferentes de algoritmos de control de actitud que van desde un simple control proporcional hasta estimadores no lineales complejos.
Por lo general, la salida de estos algoritmos se formatea en la telemetría de datos del vehículo y se transmite a las estaciones terrestres. Esta telemetría se usa para realizar la determinación de actitud, el seguimiento y las operaciones de control del enlace descendente.
Hace más de una década, los estudios establecieron que el concepto de usar volantes para el almacenamiento de energía y el control de actitud ofreció beneficios atractivos para una amplia variedad de aplicaciones. Desde entonces, se han producido varios avances tecnológicos, incluido el desarrollo de la rueda compuesta, avances de motor/generador/electrónica, investigación de rodamiento magnético y actuadores de giro de alto rendimiento.
Como resultado, se ha desarrollado y probado un prototipo de un sistema integrado de control de potencia y actitud (IPACS) en la NASA Glenn. Este prototipo integra un par de giroscopios de momento de control de velocidad variable (CMG) con los sistemas de almacenamiento de energía y control de actitud en un CubeSat 6U. Los resultados de esta prueba previa de órbita única confirman que el sistema cumple con todos sus objetivos de rendimiento y que un IPACS podría ser un reemplazo adecuado para las baterías de control de actitud convencionales en satélites comerciales y pequeños satélites.
El Tensor Tech ADCS-20M es un sistema completo e integrado de determinación de actitud y control (ADC) para CubeSats 6U. Los ADC incluyen dos giroscopios de momento de control de cardán de velocidad variable que están controlados por la computadora a bordo a través de los algoritmos de determinación de actitud. Proporciona un alto grado de flexibilidad, ahorro de masa y ahorro de energía en comparación con otros ADCS diseñados para cubesats de tamaño similar. Se opera en EPM*, un modo de señalización de tierra que permite el seguimiento de potencia máxima durante el eclipse sin comprometer la precisión de la solución GPS.
Pruebas de por vida
Varios factores pueden afectar la vida útil de una batería, incluida lo bien que está diseñado y construido, y cuánto uso se vuelve. Uno de los factores más importantes es qué tan bien se mantiene la batería.
Las baterías de control de actitud generalmente se cargan y se acondicionan con un sistema de gestión de baterías (BMS) que monitorea los voltajes de las celdas. El BMS informa datos de telemetría al personal de operaciones de tierra cuando los pares de celdas de batería alcanzan sus voltajes mínimos. Esto proporciona un sistema de alerta temprana crítica para evitar daños a la batería.
Un sistema de control de actitud pasiva orienta una nave espacial con el campo magnético de la Tierra usando un imán y utiliza un giroscopio MEMS de tres ejes para proporcionar información de velocidad angular. Esto permite una precisión puntual de 2 grados para la actitud y 0.01 grados/seg para las tasas angulares. Alternativamente, el magnetómetro se puede usar para determinar la actitud mediante el uso de algoritmos de determinación y estimación sofisticados. Dos de los enfoques más comunes son las matrices de rotación y los cuaterniones. Los ángulos de Euler son una representación más simple pero son susceptibles a la cerradura de cardán. Los cuaterniones proporcionan un buen compromiso entre la simplicidad y la precisión.
