Магнитный крутящий момент или магнитный крутящий момент (также известный как реактивный стержень ) представляет собой спутниковую систему для управления ориентацией , опрокидывания и стабилизации, построенную из электромагнитных катушек . Магниторкер создает магнитный диполь, который взаимодействует с окружающим магнитным полем, обычно с земным , так что возникающие противодействующие силы обеспечивают полезный крутящий момент .
Магнитоторкуеры представляют собой наборы электромагнитов, созданных для создания вращательно-асимметричного ( анизотропного ) магнитного поля на обширной площади. Это поле контролируется путем включения или выключения тока через катушки, обычно под управлением компьютеризированной обратной связи . Сами магниты механически прикреплены к судну, так что любая магнитная сила, которую они оказывают на окружающее магнитное поле, приведет к возникновению обратной магнитной силы и возникновению механического крутящего момента вокруг центра тяжести судна . Это позволяет свободно поворачивать аппарат при известном локальном градиенте магнитного поля, используя только электрическую энергию.
Магнитный диполь, создаваемый магниторкером, выражается формулой
где n — количество витков провода, I — подаваемый ток, а A — векторная площадь катушки. Диполь взаимодействует с магнитным полем, создавая крутящий момент
где m - вектор магнитного диполя, B - вектор магнитного поля (для космического корабля это вектор магнитного поля Земли), а τ - вектор генерируемого крутящего момента.
Конструкция магниторкера основана на реализации катушки определенной площади и количества витков в соответствии с требуемыми характеристиками. Однако есть разные способы получить катушку; таким образом, в зависимости от стратегии построения можно найти три типа магниторверов, внешне сильно отличающихся друг от друга, но основанных на одной и той же концепции: [1]
Обычно используются три катушки, хотя уменьшенной конфигурации из двух или даже одного магнита может быть достаточно, когда не требуется полный контроль ориентации или когда внешние силы, такие как асимметричное сопротивление, допускают недостаточное управление . Сборка из трех катушек обычно имеет форму трех перпендикулярных катушек, поскольку эта установка уравнивает вращательную симметрию генерируемых полей; независимо от того, как внешнее поле и корабль расположены по отношению друг к другу, примерно одинаковый крутящий момент всегда можно создать, просто используя разную величину тока на трех разных катушках.
Пока ток проходит через катушки и космический корабль еще не стабилизировался в фиксированной ориентации относительно внешнего поля, вращение корабля будет продолжаться. [ нужна цитата ]
На очень маленьких спутниках вместо катушек могут использоваться постоянные магниты .
Магниторкуеры легкие, надежные и энергоэффективные. В отличие от двигателей , они не требуют расходного топлива , поэтому теоретически могут работать бесконечно, пока имеется достаточная мощность , чтобы соответствовать резистивной нагрузке катушек. На околоземной орбите солнечный свет является одним из таких практически неисчерпаемых источников энергии, использующих солнечные батареи .
Еще одним преимуществом перед импульсными колесами и гироскопами управления моментом является отсутствие движущихся частей , а значит, значительно более высокая надежность.
Основным недостатком магниторкеров является то, что для быстрого поворота больших кораблей необходимы очень высокие плотности магнитного потока . Это требует либо очень высокого тока в катушках, либо гораздо более высоких плотностей окружающего потока, чем доступно на околоземной орбите . Следовательно, предоставляемые крутящие моменты очень ограничены и служат лишь для небольшого ускорения или замедления изменения положения космического корабля. Со временем активное управление может привести к быстрому вращению даже на Земле, но для точного управления ориентацией и стабилизации предоставляемых крутящих моментов часто оказывается недостаточно. Чтобы преодолеть эту проблему, магниторкер часто комбинируют с реактивными колесами .
Более широким недостатком является зависимость от напряженности магнитного поля Земли, что делает этот подход непригодным для миссий в дальний космос, а также более подходящим для низких околоземных орбит , в отличие от более высоких, таких как геостационарные . Зависимость от сильно изменяющейся интенсивности магнитного поля Земли проблематична, потому что тогда проблема управления ориентацией становится очень нелинейной . Также невозможно контролировать положение по всем трем осям, даже если используются полные три катушки, поскольку крутящий момент может создаваться только перпендикулярно вектору магнитного поля Земли. [3] [4]
Любой вращающийся спутник, сделанный из проводящего материала, потеряет момент вращения в магнитном поле Земли из-за образования вихревых токов в его теле и соответствующей тормозной силы, пропорциональной скорости его вращения. [5] Аэродинамические потери на трение также могут сыграть свою роль. Это означает, что магниторкер должен работать непрерывно и на уровне мощности, достаточном для противодействия существующим силам сопротивления. Это не всегда возможно в рамках энергетических ограничений судна.
Мичиганская исследовательская лаборатория (MXL) подозревает, что M-Cubed CubeSat , совместный проект MXL и JPL , стал магнитно соединен с Explorer-1 Prime , вторым CubeSat, выпущенным в то же время, с помощью сильных бортовых магнитов, используемых для пассивного положения. контроль после развертывания 28 октября 2011 г. [6] Это первое неразрушающее защелкивание двух спутников. [7]
