Реакційне колесо — маховик, оснащений електродвигуном, який при зміні швидкості обертання викликає обертання решти конструкції в протилежний бік за законом збереження моменту імпульсу.

Реакційні колеса застосовують переважно на космічних апаратах для точного триосьового керування орієнтацією, а також для швидкого . Вони не потребують ракетних двигунів або зовнішніх джерел крутного моменту, що зменшує частку маси, необхідну для палива. Реакційні колеса забезпечують високу точність наведення й особливо корисні тоді, коли апарат потрібно повертати на дуже малі кути, наприклад для утримання телескопа, спрямованого на зорю.

Іноді реакційне колесо обертають зі сталою (або майже сталою) швидкістю, щоб надати супутнику значного запасу кутового моменту. Це змінює обертальну динаміку апарата: збурювальні моменти, перпендикулярні до однієї з його осей (паралельної осі обертання колеса), не спричиняють безпосереднього обертання навколо цієї осі, а викликають прецесію осі обертання, зазвичай набагато повільнішу. Унаслідок цього вісь апарата стабілізується й утримується в майже фіксованому напрямку, що дає змогу спростити систему керування орієнтацією. Реакційні колеса також застосовують під час фази гасіння обертання для стабілізації апарата після відокремлення від ракети-носія або після непередбаченої події.

Конструкція

Для повноцінного керування орієнтацією космічного апарата реакційні колеса встановлюють щонайменше вздовж трьох осей. Додаткові колеса забезпечують резервні можливості системи керування орієнтацією. Резервна схема може передбачати чотири колеса, розташовані вздовж осей тетраедра, або запасне колесо на додачу до триосьової конфігурації. Зміною швидкості обертання колес керує комп'ютер. Міцність матеріалів, з яких виготовлено колесо, визначає граничну швидкість, за якої воно може зруйнуватися, а отже — максимальний запас кутового моменту, який воно здатне накопичити.

Оскільки маса реакційного колеса становить лише невелику частку від загальної маси апарата й ним легко керувати, тимчасові зміни швидкості його обертання спричиняють незначні зміни кута. Тому колеса дають змогу дуже точно змінювати орієнтацію космічного апарата. Саме з цієї причини їх часто застосовують для наведення апаратів із камерами або телескопами.

З часом реакційні колеса можуть накопичити настільки великий кутовий момент, що швидкість їх обертання досягне максимально допустимого значення (насичення). Під час зменшення швидкості колеса виникає крутний момент, який спричиняє небажане обертання апарата. Тому конструктори доповнюють систему реакційних коліс іншими засобами керування орієнтацією, щоб компенсувати момент, який виникає під час «розвантаження» коліс. Зазвичай для цього використовують системи орієнтаційних двигунів — масиви малих хімічних ракетних двигунів, які вмикають під час уповільнення коліс і компенсують крутний момент, що передається апарату.

Відомі й економніші за витратою палива методи розвантаження реакційних коліс. Зменшуючи кількість палива, необхідного для запуску, вони збільшують масу корисного навантаження, яку можна вивести на орбіту. До таких методів належать магнітні рушії, які передають кутовий момент Землі через її магнітне поле та потребують лише електроенергії, без витрат палива. Однак вони ефективні лише там, де магнітне поле достатньо сильне (наприклад, на низькій навколоземній орбіті). Якщо ж магнітне поле недостатнє, застосовують високоефективні орієнтаційні двигуни, зокрема іонні двигуни.

Приклади

Космічний телескоп Джеймса Вебба має шість реакційних коліс, виготовлених компанією Spacecraft Gyroscopes And Reaction Wheels. You Can Never Have Enough | Fraser Cain | Universe Today | Aug, 2019.

LightSail 2 запустили 25 червня 2019 року; його місія ґрунтується на концепції сонячного вітрила. LightSail 2 використовує систему реакційних коліс для дуже точного коригування орієнтації, що дає змогу змінювати кількість імпульсу, який апарат отримує від світла на вітрилі, і таким чином поступово збільшувати висоту орбіти.

Відмови та вплив на місію

Відмова одного або кількох реакційних коліс може позбавити космічний апарат здатності підтримувати орієнтацію й, відповідно, призвести до зриву місії. Нещодавні дослідження пов'язують низку таких відмов з впливом космічної погоди, зокрема, з виникненням електростатичних розрядів у сталевих кулькових вальницях коліс виробництва Ithaco, що порушувало плавність роботи механізмуW. Bialke, E. Hansell «A Newly Discovered Branch of the Fault Tree Explaining Systemic Reaction Wheel Failures And Anomalies», 2017. Новіші реакційні колеса оснащують непровідними керамічними підшипниками, і відмов такого типу в них не зафіксовано.

Під час двох сервісних місій до космічного телескопа «Габбл» астронавти замінили по одному реакційному колесу. У лютому 1997 року, під час другої сервісної місії (STS-82), одне колесо замінили через «електричні аномалії», а не через механічну несправність. Дослідження повернутого механізму дало рідкісну можливість проаналізувати обладнання, яке працювало в космосі протягом семи років, зокрема оцінити вплив вакууму на мастильні матеріали. Виявилося, що мастило перебувало у відмінному стані. 2002 року, під час сервісної місії 3B (STS-109), астронавти шатла «Колумбія» замінили ще одне реакційне колесо. Жодне з цих коліс повністю не вийшло з ладу. «Габбл» має чотири колеса й зберігає здатність до точного наведення, якщо працюють щонайменше три з них.

У 2004 році під час місії апарата «Хаябуса» відмовило реакційне колесо по осі X. У 2005 році вийшло з ладу колесо по осі Y, і апарат перейшов на використання хімічних двигунів для підтримання орієнтації.

У період із липня 2012 року до 11 травня 2013 року в космічного телескопа «Кеплер» відмовили два з чотирьох реакційних коліс. Це суттєво обмежило здатність апарата підтримувати орієнтацію з точністю, необхідною для виконання основної місії. 15 серпня 2013 року інженери дійшли висновку, що відновити роботу реакційних коліс неможливо, а пошук планет транзитним методом (вимірювання змін яскравості зорі під час проходження планети перед її диском) доведеться припинити. Хоча несправні колеса ще оберталися, тертя перевищувало допустимі межі й заважало точному наведенню телескопа. «Кеплер» перевели в стабільний режим «відпочинку», у якому невеликі імпульси двигунів компенсували відмову коліс, а команда місії шукала альтернативні способи використання апарата без потреби в надвисокій точності орієнтації. 16 травня 2014 року НАСА продовжило місію «Кеплер» у новому форматі під назвою K2. Цей формат передбачав інший режим роботи телескопа та дозволив і надалі шукати екзопланети. 30 жовтня 2018 року НАСА оголосило про завершення місії після повного вичерпання запасів палива.

У червні 2010 року в міжпланетного зонда «Dawn» виникло надмірне тертя в одному з реакційних коліс. Спочатку апарат планував покинути орбіту Вести й 26 серпня 2012 року розпочати дворічний переліт до Церери. Однак через проблему з іншим реакційним колесом «Dawn» відклав відліт із орбіти Вести до 5 вересня 2012 року, а під час трирічного перельоту до Церери використовував замість коліс орієнтаційні двигуни. Втрата реакційних коліс обмежила можливості камери під час зближення з Церерою.

Увечері 18 січня 2022 року ймовірна відмова одного з реакційних коліс обсерваторії «Swift» змусила центр керування вимкнути підозрюване колесо та перевести апарат у безпечний режим як запобіжний захід. Це була перша відмова реакційного колеса за 17 років роботи «Swift». 17 лютого 2022 року обсерваторія відновила наукові спостереженняNASA's NASA's Swift Observatory Returns to Science NASA News, February 18, 2022, NASA. Retrieved April 16, 2023.

Подібні пристрої

Гіродин — споріднений, але відмінний тип пристрою системи орієнтації. Зазвичай це маховик, установлений у одно- або двоосьовому карданному підвісі. Прикладання сталого крутного моменту до маховика за допомогою одного з приводів підвісу змушує апарат набувати сталої кутової швидкості навколо перпендикулярної осі, що дає змогу змінювати напрям наведення. Гіродини зазвичай створюють більші тривалі крутні моменти, ніж реакційні колеса, і спричиняють менше нагрівання двигунів, тому їх переважно застосовують на більших або маневреніших апаратах, зокрема на «Скайлаб», «Мир» та Міжнародній космічній станції.

Примітки

Посилання