Реактивное колесо ( RW ) — это электродвигатель, прикрепленный к маховику , который при изменении скорости вращения вызывает пропорциональное встречное вращение посредством сохранения углового момента . [1] Реактивное колесо может вращаться только вокруг своего центра масс ; оно не способно перемещаться из одного места в другое ( поступательная сила ).
Реактивные колеса используются в основном космическими аппаратами для трехосного управления ориентацией и не требуют ракет или внешних аппликаторов крутящего момента , что снижает долю массы, необходимую для топлива. Они обеспечивают высокую точность наведения, [2] : 362 и особенно полезны, когда космический аппарат должен вращаться на очень небольшие величины, например, удерживая телескоп направленным на звезду.
Реактивное колесо иногда работает с постоянной (или почти постоянной) скоростью вращения, чтобы обеспечить спутник большим количеством сохраненного углового момента . Это изменяет динамику вращения космического корабля таким образом, что возмущающие моменты, перпендикулярные одной оси спутника (оси, параллельной оси вращения колеса), не приводят непосредственно к угловому движению космического корабля вокруг той же оси, что и возмущающий момент; вместо этого они приводят к (обычно меньшему) угловому движению ( прецессии ) этой оси космического корабля вокруг перпендикулярной оси. Это имеет эффект стремления стабилизировать эту ось космического корабля, чтобы она указывала в почти фиксированном направлении, [2] : 362 позволяя использовать менее сложную систему управления ориентацией. Спутники, использующие этот подход стабилизации «импульсного смещения», включают SCISAT-1 ; ориентируя ось импульсного колеса так, чтобы она была параллельна вектору нормали орбиты, этот спутник находится в конфигурации «смещения импульса тангажа».
Для трехосного управления реактивные колеса должны быть установлены по крайней мере в трех направлениях, а дополнительные колеса должны обеспечивать избыточность системы управления ориентацией. Резервная конфигурация крепления может состоять из четырех колес вдоль тетраэдрических осей [3] или запасного колеса, перевозимого в дополнение к трехосной конфигурации. [2] : 369 Изменения скорости (в любом направлении) контролируются электронным способом с помощью компьютера. Прочность материалов, используемых в реактивном колесе, определяет скорость, с которой колесо развалится, и, следовательно, сколько углового момента оно может хранить.
Поскольку реактивное колесо составляет малую часть общей массы космического корабля, им легко управлять, временные изменения его скорости приводят к небольшим изменениям угла. Таким образом, колеса позволяют очень точно изменять положение космического корабля . По этой причине реактивные колеса часто используются для наведения космических кораблей, несущих камеры или телескопы.
Со временем реактивные колеса могут накопить достаточно накопленного импульса, чтобы превысить максимальную скорость колеса, называемую насыщением. Однако замедление колес придает крутящий момент, вызывающий нежелательное вращение. Поэтому конструкторы дополняют системы реактивных колес другими механизмами управления ориентацией, чтобы нейтрализовать крутящий момент, вызванный «выходом из насыщения» реактивных колес. [4] Обычно конструкторы используют « системы управления реакцией »; массивы небольших химических ракетных двигателей, которые запускаются, когда колеса замедляются, чтобы противостоять крутящему моменту, который колеса передают космическому кораблю, когда они замедляются. [4]
Со временем были разработаны более экономичные методы десатурации колеса реакции. Уменьшая количество топлива, необходимое для запуска космического корабля, они увеличивают полезную нагрузку, которую можно доставить на орбиту. Эти методы включают магнитные торсионы (более известные как крутящие стержни), которые передают угловой момент на Землю через ее планетарное магнитное поле, требуя только электроэнергии и не требуя топлива. [2] : 368 Однако они ограничены областями космоса с достаточно большим магнитным полем (например, на низкой околоземной орбите). При отсутствии достаточно сильного магнитного поля следующей наиболее эффективной практикой является использование высокоэффективных ориентационных струй, таких как ионные двигатели .
Beresheet был запущен на ракете Falcon 9 22 февраля 2019 года в 1:45 UTC [5] с целью посадки на Луну . Beresheet использует технологию передачи низкой энергии для экономии топлива. Начиная с его четвертого маневра [6] на эллиптической орбите, чтобы предотвратить тряску, когда количество жидкого топлива кончалось, возникла необходимость в использовании реактивного колеса.
Космический телескоп Джеймса Уэбба имеет шесть реактивных колес, изготовленных компанией Rockwell Collins Deutschland. [7]
LightSail 2 был запущен 25 июня 2019 года, сфокусированный на концепции солнечного паруса . LightSail 2 использует систему реактивного колеса для изменения ориентации на очень небольшие величины, что позволяет ему получать разное количество импульса от света через парус, что приводит к большей высоте. [8]
Отказ одного или нескольких реактивных колес может привести к потере космическим аппаратом способности сохранять положение (ориентацию) и, таким образом, потенциально вызвать провал миссии. Недавние исследования пришли к выводу, что эти отказы могут быть связаны с эффектами космической погоды . Эти события, вероятно, стали причиной отказов, вызвав электростатический разряд в стальных шарикоподшипниках колес Ithaco , что нарушило плавность работы механизма. [9]
Две миссии по обслуживанию космического телескопа Хаббл заменили колесо реакции. В феврале 1997 года Вторая миссия по обслуживанию ( STS-82 ) заменила одно [10] после «электрических аномалий», а не из-за какой-либо механической проблемы. [11] Изучение возвращенного механизма предоставило редкую возможность изучить оборудование, которое прошло длительную эксплуатацию (семь лет) в космосе, в частности, на предмет воздействия вакуума на смазочные материалы . Было обнаружено, что смазочный состав находится в «отличном состоянии». [11] В 2002 году во время миссии по обслуживанию 3B ( STS-109 ) астронавты с шаттла Columbia заменили еще одно колесо реакции. [10] Ни одно из этих колес не вышло из строя, и Хаббл был спроектирован с четырьмя резервными колесами и сохранял способность наведения, пока три из них были функциональны. [12]
В 2004 году во время миссии космического корабля «Хаябуса» отказало колесо реакции оси X. Колесо оси Y отказало в 2005 году, заставив корабль полагаться на химические двигатели для поддержания ориентации. [13]
С июля 2012 года по 11 мая 2013 года два из четырех маховиков в космическом телескопе Kepler вышли из строя. Эта потеря серьезно повлияла на способность Kepler поддерживать достаточно точную ориентацию для продолжения своей первоначальной миссии. [14] 15 августа 2013 года инженеры пришли к выводу, что маховики Kepler не могут быть восстановлены и что поиск планет с использованием транзитного метода (измерение изменений яркости звезд, вызванных вращающимися планетами) не может продолжаться. [15] [16] [17] [18] Хотя вышедшие из строя маховики все еще функционируют, они испытывают трение, превышающее приемлемые уровни, и, следовательно, препятствуют способности телескопа правильно ориентироваться. Телескоп Kepler был возвращен в свое «состояние точечного покоя», стабильную конфигурацию, которая использует небольшое количество топлива для двигателей для компенсации отказавших маховиков, в то время как команда Kepler рассматривала альтернативные варианты использования Kepler, которые не требуют чрезвычайной точности в его ориентации, необходимой для первоначальной миссии. [19] 16 мая 2014 года НАСА продлило миссию Кеплера до новой миссии под названием K2 , которая использует Кеплер по-другому, но позволяет ему продолжать поиск экзопланет . [20] 30 октября 2018 года НАСА объявило о завершении миссии Кеплера после того, как было установлено, что запас топлива исчерпан. [21]
У космического зонда НАСА Dawn в июне 2010 года было избыточное трение в одном маховике. Первоначально планировалось, что он покинет Весту и начнет свое двух с половиной годичное путешествие к Церере 26 августа 2012 года; [22] однако проблема с другим маховиком космического корабля вынудила Dawn ненадолго отложить свой выход из гравитации Весты до 5 сентября 2012 года, и он планировал использовать реактивные двигатели вместо маховиков во время трехлетнего путешествия к Церере. [22] Потеря маховиков ограничила наблюдения камеры при приближении к Церере.
Вечером во вторник, 18 января 2022 года, возможный отказ одного из колес реакции обсерватории Swift заставил команду управления полетом отключить подозреваемое колесо, переведя обсерваторию в безопасный режим в качестве меры предосторожности. Это был первый случай отказа колеса реакции на Swift за 17 лет. Swift возобновил научную деятельность 17 февраля 2022 года. [23]
Гироскоп управляющего момента (CMG) — это родственный, но другой тип привода ориентации, обычно состоящий из импульсного колеса, установленного в одноосном или двухосном карданном подвесе . [2] : 362 При установке на жесткий космический аппарат приложение постоянного крутящего момента к колесу с помощью одного из двигателей карданного подвеса заставляет космический аппарат развивать постоянную угловую скорость вокруг перпендикулярной оси, что позволяет контролировать направление наведения космического аппарата. CMG, как правило, способны создавать большие устойчивые крутящие моменты, чем RW, с меньшим нагревом двигателя и предпочтительно используются в более крупных или более маневренных (или и тех, и других) космических аппаратах, включая Skylab , Mir и Международную космическую станцию .
Астронавты заменили один из четырех узлов реактивного колеса, входящих в состав системы управления наведением Хаббла.
