Магнитный вращатель или магнитный вращатель (также известный как крутящий стержень ) — это спутниковая система для управления ориентацией , падением и стабилизацией, построенная на электромагнитных катушках . Магнитный вращатель создает магнитный диполь, который взаимодействует с окружающим магнитным полем, обычно с земным , так что создаваемые противодействующие силы обеспечивают полезный вращающий момент .
Magnetorquers — это наборы электромагнитов, расположенных так, чтобы создавать вращательно-асимметричное ( анизотропное ) магнитное поле на обширной площади. Это поле контролируется включением или выключением тока через катушки, обычно под управлением компьютеризированной обратной связи . Сами магниты механически закреплены на судне, так что любая магнитная сила, которую они оказывают на окружающее магнитное поле, приведет к возникновению магнитной обратной силы и возникновению механического крутящего момента вокруг центра тяжести судна . Это позволяет свободно вращать судно вокруг известного локального градиента магнитного поля, используя только электрическую энергию.
Магнитный диполь, создаваемый магнитоуправляемым двигателем, выражается формулой
где n — число витков провода, I — сила тока, 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 магнитоуправляемого двигателя основана на реализации катушки с определенной площадью и числом витков в соответствии с требуемыми характеристиками. Однако существуют различные способы получения катушки; таким образом, в зависимости от стратегии конструкции, можно найти три типа магнитоуправляемого двигателя, внешне сильно отличающиеся друг от друга, но основанные на одной и той же концепции: [1]
Обычно используются три катушки, хотя сокращенные конфигурации из двух или даже одного магнита могут быть достаточными, когда полный контроль ориентации не требуется или внешние силы, такие как асимметричное сопротивление, допускают недостаточное управление . Сборка из трех катушек обычно имеет форму трех перпендикулярных катушек, поскольку эта установка выравнивает вращательную симметрию полей, которые могут быть созданы; независимо от того, как внешнее поле и корабль размещены относительно друг друга, приблизительно тот же крутящий момент всегда может быть создан просто путем использования различных величин тока на трех различных катушках.
Пока ток проходит через катушки и космический корабль еще не стабилизировался в фиксированной ориентации относительно внешнего поля, вращение корабля будет продолжаться. [ необходима цитата ]
Очень маленькие спутники могут использовать постоянные магниты вместо катушек. [ необходима ссылка ]
Magnetorquers легкие, надежные и энергоэффективные. В отличие от двигателей , им не требуется расходуемое топливо , поэтому теоретически они могли бы работать бесконечно, пока есть достаточная мощность для соответствия резистивной нагрузке катушек. На околоземной орбите солнечный свет является одним из таких практически неисчерпаемых источников энергии, использующих солнечные батареи .
Еще одним преимуществом по сравнению с импульсными колесами и гироскопами управляющего момента является отсутствие движущихся частей , а значит, значительно более высокая надежность.
Главным недостатком магнитных вращателей является то, что для быстрого поворота большого корабля требуются очень высокие плотности магнитного потока . Это требует либо очень высокого тока в катушках, либо гораздо более высоких плотностей окружающего потока, чем доступны на околоземной орбите . Следовательно, обеспечиваемые крутящие моменты очень ограничены и служат только для ускорения или замедления изменения ориентации космического корабля на небольшие величины. Со временем активное управление может обеспечить быстрое вращение даже на Земле, но для точного управления ориентацией и стабилизации обеспечиваемые крутящие моменты часто недостаточны. Чтобы преодолеть это, магнитные вращатели часто комбинируют с реактивными колесами .
Более широким недостатком является зависимость от напряженности магнитного поля Земли, что делает этот подход непригодным для дальних космических миссий, а также более подходящим для низких околоземных орбит, в отличие от более высоких, таких как геосинхронная . Зависимость от сильно изменчивой напряженности магнитного поля Земли является проблематичной, поскольку тогда проблема управления ориентацией становится крайне нелинейной . Также невозможно контролировать ориентацию по всем трем осям, даже если используются все три катушки, поскольку крутящий момент может быть создан только перпендикулярно вектору магнитного поля Земли. [3] [4]
Любой вращающийся спутник, изготовленный из проводящего материала, будет терять вращательный момент в магнитном поле Земли из-за генерации вихревых токов в его теле и соответствующей тормозной силы, пропорциональной скорости его вращения. [5] Потери на аэродинамическое трение также могут играть свою роль. Это означает, что магнитный вращатель должен будет работать непрерывно и на уровне мощности, достаточном для противодействия имеющимся силам сопротивления. Это не всегда возможно в рамках энергетических ограничений судна.
Исследовательская лаборатория Мичигана (MXL) подозревает, что M-Cubed CubeSat , совместный проект MXL и JPL , был магнитно соединён с Explorer-1 Prime , вторым CubeSat, выпущенным в то же время, с помощью сильных бортовых магнитов, используемых для пассивного управления ориентацией, после развертывания 28 октября 2011 года. [6] Это первое неразрушающее соединение двух спутников. [7]
