Реакционные колёса: как спутник поворачивается в космосе без расхода топлива

Спутнику недостаточно просто выйти на заданную орбиту. Во время полёта он должен удерживать определённое положение, направлять антенну на Землю, поворачивать солнечные батареи к Солнцу и наводить камеры на нужные объекты.

Для выполнения таких манёвров необязательно каждый раз включать ракетные двигатели. Многие космические аппараты используют реакционные колёса — внутренние маховики, позволяющие изменять ориентацию спутника практически без расхода топлива.

Маховик внутри космического аппарата

Реакционное колесо представляет собой металлический диск, соединённый с электрическим двигателем. Вся конструкция находится внутри корпуса спутника и закреплена на его силовой раме.

Когда двигатель раскручивает колесо в одну сторону, корпус космического аппарата начинает поворачиваться в противоположную. Это происходит из-за закона сохранения момента импульса.

Подобный эффект можно почувствовать, сидя на свободно вращающемся стуле. Если человек начнёт быстро поворачивать в руках тяжёлое велосипедное колесо, стул вместе с ним немного развернётся в обратную сторону.

В космосе этот принцип позволяет очень точно управлять положением аппарата. Компьютер изменяет скорость вращения маховика, а спутник плавно поворачивается вокруг своего центра масс.

Для чего спутнику нужно менять положение

Ориентация космического аппарата не означает изменение его орбиты. Спутник может продолжать двигаться по прежней траектории, одновременно поворачивая корпус в нужную сторону.

Это необходимо для решения нескольких задач:

• наведения антенны на наземную станцию;
• направления камеры на определённый участок поверхности;
• удержания телескопа на выбранной звезде;
• разворота солнечных панелей к источнику света;
• поддержания правильного положения во время научных наблюдений;
• подготовки аппарата к включению двигателей.

Особенно высокая точность требуется космическим телескопам. Даже небольшое отклонение способно сместить наблюдаемый объект или ухудшить качество изображения.

Три направления движения

Космический аппарат может поворачиваться вокруг трёх основных осей. Эти движения обычно называют креном, тангажем и рысканием.

Чтобы управлять каждым направлением, спутнику требуется несколько реакционных колёс. Самая простая система включает три маховика, установленных перпендикулярно друг другу.

Однако на многих аппаратах размещают четыре колеса. Их могут устанавливать под углом, образуя конструкцию, напоминающую пирамиду. Дополнительное устройство служит резервным и позволяет сохранить управление при неисправности одного из маховиков.

Наличие запасного колеса особенно важно для аппаратов, рассчитанных на многолетнюю работу. Отремонтировать спутник после запуска в большинстве случаев невозможно.

Как спутник понимает, куда повернуться

Одних реакционных колёс для управления недостаточно. Космический аппарат должен определить своё текущее положение.

Для этого используются звёздные датчики, гироскопы, датчики Солнца и другие навигационные приборы. Звёздный датчик фотографирует участок неба и сравнивает расположение видимых звёзд с электронной картой.

Получив информацию от датчиков, бортовой компьютер вычисляет направление и величину необходимого поворота. После этого он подаёт команды электродвигателям реакционных колёс.

Когда спутник достигает заданного положения, система изменяет скорость маховиков и останавливает дальнейший разворот. Управление происходит автоматически и может повторяться много раз в течение одного орбитального витка.

Топливо действительно не расходуется

Во время обычного поворота реакционному колесу требуется электричество, но ракетное топливо оно не использует. Энергию чаще всего обеспечивают солнечные батареи спутника.

Это значительно увеличивает продолжительность работы аппарата. Запас топлива на борту ограничен, тогда как электричество можно получать от солнечного света на протяжении многих лет.

Однако утверждение о полностью бессрочной работе реакционных колёс было бы неправильным. Иногда системе всё же требуется помощь других устройств.

Что такое насыщение маховика

Даже в космосе на спутник действуют небольшие внешние силы. Давление солнечного света, слабое сопротивление разреженной атмосферы, гравитационное воздействие и магнитное поле Земли постепенно отклоняют аппарат.

Реакционные колёса компенсируют эти воздействия, увеличивая или уменьшая скорость вращения. Со временем один из маховиков может приблизиться к максимально допустимой скорости.

Такое состояние называют насыщением. Колесо уже не может ускоряться дальше и поэтому теряет возможность создавать необходимый управляющий момент.

Чтобы восстановить его рабочий диапазон, проводится разгрузка накопленного момента. На околоземных спутниках для этого часто применяются магнитные катушки, взаимодействующие с магнитным полем планеты. На других аппаратах могут кратковременно включаться небольшие двигатели.

После разгрузки скорость маховика уменьшается, и он снова способен управлять ориентацией спутника.

Реакционное колесо не заменяет двигатель

Маховик может развернуть корпус, но не способен заметно изменить скорость движения всего аппарата. Поскольку он находится внутри спутника, система не получает внешнего толчка.

Для подъёма или снижения орбиты, ухода от столкновения и полёта к другой планете необходим двигатель, выбрасывающий рабочее вещество наружу. Реакционные колёса отвечают именно за ориентацию.

Перед включением двигателя они могут развернуть аппарат соплом в нужную сторону. После этого силовая установка изменит скорость и траекторию полёта.

Точность имеет обратную сторону

Быстро вращающийся механизм способен создавать небольшие вибрации. Даже минимальный дисбаланс колеса или неровность подшипника передаётся корпусу аппарата.

Для обычного спутника такое воздействие может быть почти незаметным, но для чувствительного телескопа оно способно ухудшить результаты наблюдений. Поэтому маховики тщательно балансируют, изолируют от научных приборов и устанавливают с учётом расположения центра масс.

Подшипники и электродвигатели также постепенно изнашиваются. Повышенное трение иногда приводит к остановке колеса, поэтому бортовая система постоянно контролирует его температуру, ток и скорость.

Разница между гироскопом и реакционным колесом

Эти устройства часто путают, поскольку оба используют вращение.

Обычный гироскоп преимущественно измеряет поворот и помогает определить положение аппарата. Реакционное колесо, напротив, активно создаёт управляющий момент и разворачивает спутник.

На крупных космических аппаратах могут применяться силовые гироскопы, у которых меняется направление оси быстро вращающегося ротора. Они способны создавать более сильное воздействие, но отличаются по конструкции и принципу управления.

Незаметный механизм космической точности

Реакционные колёса скрыты внутри спутника, поэтому во время поворота снаружи не видно ни пламени, ни струи газа. Аппарат плавно меняет положение благодаря вращению нескольких металлических дисков.

Такая система экономит топливо, обеспечивает высокую точность и позволяет годами направлять камеры, антенны и научные приборы. Простая идея сохранения момента импульса стала одним из важнейших способов управления современными космическими аппаратами.