Реактивное колесо (RW) используется в основном на космических кораблях для трехосного управления ориентацией и не требует ракет или внешних устройств подачи крутящего момента. Они обеспечивают высокую точность наведения [1] : 362 и особенно полезны, когда космический корабль необходимо вращать на очень небольшую величину, например, когда телескоп направлен на звезду.
Реактивное колесо иногда используется (и называется) импульсным колесом , приводя его в действие с постоянной (или почти постоянной) скоростью вращения, чтобы обеспечить спутнику большое количество накопленного углового момента . Это изменяет динамику вращения космического корабля так, 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 (как правило, меньшему) угловому движению ( прецессии ) оси космического корабля вокруг перпендикулярной оси. Это приводит к тенденции стабилизировать ось космического корабля так, чтобы она указывала в почти фиксированном направлении, [1] : 362 , что позволяет создать менее сложную систему управления ориентацией. Спутники, использующие этот подход стабилизации «смещением импульса», включают SCISAT-1 ; ориентируя ось импульсного колеса параллельно вектору нормали орбиты, этот спутник находится в конфигурации «смещения шагового импульса».
Гироскоп управляющего момента (CMG) — это родственный, но другой тип привода ориентации, обычно состоящий из импульсного колеса, установленного на одноосном или двухосном подвесе . [1] : 362 При установке на жесткий космический корабль приложение постоянного крутящего момента к колесу с помощью одного из карданных двигателей заставляет космический корабль развивать постоянную угловую скорость вокруг перпендикулярной оси, что позволяет контролировать направление наведения космического корабля. CMG, как правило, способны создавать более высокие устойчивые крутящие моменты, чем RW, с меньшим нагревом двигателя, и предпочтительно используются в более крупных или более маневренных (или обоих) космических кораблях, включая Skylab , Mir и Международную космическую станцию .
Реактивные колеса используются для управления ориентацией спутника без использования двигателей, что снижает массовую долю, необходимую для топлива.
Они работают, оснащая космический корабль электродвигателем, прикрепленным к маховику, который при изменении скорости его вращения заставляет космический корабль начать пропорционально вращаться в противоположном направлении за счет сохранения углового момента . [2] Реактивные колеса могут вращать космический корабль только вокруг его центра масс (см. Крутящий момент ); они не способны переместить космический корабль из одного места в другое (см. поступательную силу ).
Для трехосного управления реактивные колеса должны быть установлены как минимум по трем направлениям, при этом дополнительные колеса обеспечивают дублирование системы ориентации. Резервная монтажная конфигурация может состоять из четырех колес по четырехгранным осям [3] или запасного колеса, установленного в дополнение к трехосной конфигурации. [1] : 369 Изменение скорости (в любом направлении) контролируется электронным компьютером. Прочность материалов, используемых в реактивном колесе, определяет скорость, с которой колесо развалится, и, следовательно, какой угловой момент оно может сохранить.
Поскольку реактивное колесо составляет небольшую часть общей массы космического корабля и легко управляется, 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 с камерами или телескопами.
Со временем реактивные колеса могут накопить достаточный запасенный импульс, чтобы превысить максимальную скорость колеса, называемую насыщением. Однако замедление колес приводит к возникновению крутящего момента, вызывающего нежелательное вращение. Поэтому конструкторы дополняют системы реактивных колес другими механизмами управления ориентацией, чтобы нейтрализовать крутящий момент, вызванный «обесцвечиванием» реактивных колес. [4] Обычно проектировщики используют «системы управления реакцией»; массивы небольших химических ракетных двигателей, которые срабатывают при замедлении колес, чтобы противостоять крутящему моменту, который колеса передают космическому кораблю при замедлении. [4]
Со временем были разработаны более экономичные методы десатурации реактивного колеса. Уменьшая количество топлива, которое необходимо для запуска космического корабля, они увеличивают полезную полезную нагрузку, которую можно доставить на орбиту. Эти методы включают магниторкеры (более известные как крутящие стержни), которые передают угловой момент Земле через ее планетарное магнитное поле, требуя только электроэнергии и без топлива. [1] : 368 Однако они ограничены областями космоса с достаточно сильным магнитным полем (например, на низкой околоземной орбите). В отсутствие достаточно сильного магнитного поля следующим наиболее эффективным методом является использование высокоэффективных реактивных двигателей, таких как ионные двигатели .
Берешит был запущен на ракете Falcon 9 22 февраля 2019 года в 1:45 UTC [5] с целью приземления на Луну . Beresheet использует технологию передачи низкой энергии для экономии топлива. Начиная с четвертого маневра [6] на эллиптической орбите, для предотвращения тряски при исчерпании количества жидкого топлива возникла необходимость использовать реактивное колесо.
Космический телескоп Джеймса Уэбба имеет шесть реактивных колес, построенных Rockwell Collins Deutschland. [7]
LightSail 2 был запущен 25 июня 2019 года и основан на концепции солнечного паруса . LightSail 2 использует систему реактивных колес для очень незначительного изменения ориентации, что позволяет ему получать различное количество импульса от света , проходящего через парус, что приводит к увеличению высоты. [8]
Отказ одного или нескольких реактивных колес может привести к тому, что космический корабль потеряет способность сохранять положение (ориентацию) и, таким образом, потенциально может привести к провалу миссии. Недавние исследования пришли к выводу, что эти сбои могут быть связаны с эффектами космической погоды . Эти события, вероятно, вызвали неисправности из-за возникновения электростатического разряда в стальных шарикоподшипниках колес Ithaco , что поставило под угрозу плавность работы механизма. [9]
Две миссии по обслуживанию космического телескопа Хаббл заменили реактивное колесо. В феврале 1997 года Вторая миссия обслуживания ( STS-82 ) заменила один [10] из-за «электрических аномалий», а не из-за какой-либо механической проблемы. [11] Исследование возвращенного механизма предоставило редкую возможность изучить оборудование, прошедшее длительную службу (семь лет) в космосе, в частности, на предмет воздействия вакуума на смазочные материалы . Смазочный состав оказался в «отличном состоянии». [11] В 2002 году во время миссии обслуживания 3B ( STS-109 ) астронавты шаттла «Колумбия» заменили еще одно реактивное колесо. [10] Ни одно из этих колес не вышло из строя, и Хаббл был спроектирован с четырьмя резервными колесами и сохранял способность наведения до тех пор, пока три были работоспособны. [12]
В 2004 году во время полета космического корабля «Хаябуса» вышло из строя реактивное колесо оси X. Колесо оси Y вышло из строя в 2005 году, в результате чего для поддержания ориентации корабля пришлось использовать химические двигатели. [13]
С июля 2012 года по 11 мая 2013 года два из четырех реактивных колес телескопа « Кеплер » вышли из строя. Эта потеря серьезно повлияла на способность «Кеплера » сохранять достаточно точную ориентацию для продолжения своей первоначальной миссии. [14] 15 августа 2013 года инженеры пришли к выводу, что реактивные колеса Кеплера не подлежат восстановлению и что поиск планет с использованием транзитного метода (измерение изменений яркости звезд, вызванных движением планет по орбитам) не может продолжаться . [15] [16] [17] [18] Хотя вышедшие из строя опорные колеса все еще функционируют, они испытывают трение, превышающее допустимый уровень, и, следовательно, препятствуют способности телескопа правильно ориентироваться. Телескоп «Кеплер» был возвращен в «состояние точечного покоя», стабильную конфигурацию, которая использует небольшое количество топлива двигателя для компенсации отказа реактивных колес, в то время как команда «Кеплера» рассматривала альтернативные варианты использования « Кеплера» , не требующие предельной точности его ориентации. необходимо для исходной миссии. [19] 16 мая 2014 года НАСА расширило миссию «Кеплер» до новой миссии под названием « К2» , которая использует «Кеплер» по-другому, но позволяет ему продолжать поиск экзопланет . [20] 30 октября 2018 года НАСА объявило об окончании миссии «Кеплер» после того, как было установлено, что запасы топлива исчерпаны. [21]
В июне 2010 года у космического зонда НАСА «Рассвет» в одном реактивном колесе возникло избыточное трение. Первоначально планировалось, что он покинет Весту и начнет свое двухлетнее путешествие к Церере 26 августа 2012 года; [22] Однако проблема с другим реактивным колесом космического корабля вынудила Dawn ненадолго отложить его отход от гравитации Весты до 5 сентября 2012 года, и во время трехлетнего путешествия на Цереру она планировала использовать реактивные двигатели вместо реактивных колес. . [22] Потеря реактивных колес ограничила возможности камеры при подлете к Церере.
Вечером во вторник, 18 января 2022 года, возможный отказ одного из реактивных колес обсерватории Свифт заставил команду управления полетом отключить подозрительное колесо, переведя обсерваторию в безопасный режим в качестве меры предосторожности. Это был первый случай отказа реактивного колеса на Swift за 17 лет. Свифт возобновил научную деятельность 17 февраля 2022 года. [23]
Астронавты заменили один из четырех узлов реактивного колеса, составляющих систему управления наведением Хаббла.
