Koło reakcyjne

Koło reakcyjne jest siłownik do sterowania położeniem na satelity . Zwykle składa się z silnika , obracanej przez niego masy koła zamachowego oraz elektroniki sterującej prędkością silnika.

Zasada działania

Koło reakcyjne zmienia swoją prędkość obrotową , moment obrotowy przenoszony na satelitę w tej samej osi, ale w przeciwnym kierunku, aby się obracać ( akcja i reakcja ). Całkowity spin systemu satelitarnego pozostaje stały ( wartość utrzymania ), w przeciwieństwie do dysz sterujących położeniem lub cewek magnetycznych , które zmieniają wirowanie systemu. Mówiąc obrazowo, moment pędu jest tylko przesuwany w przód iw tył między obudową satelity a kołem reakcyjnym ( zachowanie pędu ).

Różnica w stosunku do koła obrotowego

Kół reakcyjnych nie należy mylić z kołami obrotowymi :

• Koło reakcyjne jest zwykle w stanie spoczynku i jest doprowadzane do odpowiedniej prędkości tylko w celu zmiany położenia satelity lub kompensacji zewnętrznych momentów zakłócających. Zwykle na satelitę przypada kilka kół reakcyjnych, które są ustawione w różnych kierunkach przestrzennych.
  Jeśli maksymalna prędkość koła reakcyjnego zostanie osiągnięta po kilku zmianach położenia, należy je zdesaturować (zatrzymać). W tym celu dysze do regulacji położenia lub cewki magnetyczne przykładają zewnętrzny moment obrotowy, który przeciwdziała ruchowi koła reakcyjnego podczas ruchu w dół. Gwarantuje to, że satelita zachowuje określoną orientację w przestrzeni pomimo zmiany prędkości i nie przechodzi w niepożądany ruch spadający. Koło reakcyjne jest wtedy ponownie dostępne do zmiany pozycji.
• Koło skrętne obraca się stale z dużą prędkością, generując w ten sposób skręt stabilizujący , tj. Oznacza to, że reakcja na zakłócające momenty prostopadłe do osi obrotu wirnika jest zminimalizowana. Dlatego zwykle jest tylko jedno koło obrotowe (prawdopodobnie dwa nadmiarowe ) na satelitę. Koła obrotowe są używane na przykład w klasycznych stabilizowanych obrotowo satelitach GEO .

Ustalenia

Koła reakcyjne w układzie czworościennym

Istnieją dwa główne układy kół reakcyjnych używanych w podróżach kosmicznych:

• W systemie odsprzężonym osiowo koło reakcyjne jest używane w każdej geometrycznej osi głównej satelity, a więc w sumie trzy. Przykładem układu trójosiowego jest LAPAN-TUBSAT .
• Aby uzyskać redundancję, koła reakcyjne są instalowane w układzie czworościennym , łącznie cztery. Ma to tę zaletę, że w przypadku awarii koła system nadal pozostaje w pełni funkcjonalny. Wadą jest sprzężenie poszczególnych kół ze sobą: ruch obrotowy wokół w osi geometrycznej satelity zawsze powoduje zmianę w szybkości kilku kołach reakcji. Przykładem układu czworościennego jest satelita BIRD .

Żyroskop Moment

Żyroskop momentu kontrolnego (CMG) ISS

Podczas gdy w przypadku stałych kół reakcyjnych, trzy składowe wektora pędu są zmieniane indywidualnie, aby ustawić kierunek i wielkość tego wektora w żyroskopie kontrolnym (CMG, moment żyroskopowy) o wartości a, o oś momentu, w którym żyroskop jest pochylony. Służy do tego stale obracający się wirnik w zawieszeniu kardanowym . H. żyroskop . Zawieszenie kardanowe wyjątkowo nie jest swobodne , ale jest regulowane przez silnik w dwóch prostopadłych kierunkach. Wynikowy moment reakcji obraca statek kosmiczny. Obrót wokół osi wirnika jest kontrolowany przez zmianę prędkości. Technologia ta jest wykorzystywana na przykład na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej .

Charakterystyka

Typowe koło reakcyjne dla komercyjnego satelity średniej wielkości ma średnicę od 20 do 30 cm, wysokość około 10 cm i masę całkowitą od 5 do 10 kg. Przy prędkości ok. 5000 obr / min generuje zgodnie ze wzorem

${\ displaystyle L = J \, \ omega}$

Z

• Moment bezwładności ${\ displaystyle J}$
• prędkość kątowa ${\ displaystyle \ omega}$

moment pędu 20  Nm s . Natomiast moment pędu koła obrotowego lub żyroskopu momentowego (patrz powyżej) wynosi 500 Nms i więcej. ${\ displaystyle L}$

Zmiana momentu pędu koła reakcyjnego poprzez zmianę powoduje odwrotny obrót satelity wokół osi obrotu koła zamachowego. Orientację satelity można w ten sposób kontrolować bardzo precyzyjnie, dokonując niewielkich zmian w obrotach koła reakcyjnego. ${\ displaystyle \ omega}$

Poniższe informacje dotyczą generowanego momentu obrotowego : ${\ displaystyle T}$

${\ displaystyle T = J \, {\ kropka {\ omega}}}$

z przyspieszeniem kątowym . ${\ displaystyle {\ kropka {\ omega}}}$

Moment obrotowy określa, jak szybko można zmienić obrót i przechylić satelitę. Górna granica generowanego momentu obrotowego wynosi zwykle 0,2 do 0,5  Nm .