Roata de reacție

O roată de reacție este un actuator pentru controlul poziției unui satelit . De obicei, este alcătuit dintr-un motor , o masă a volantului rotit de acesta și electronica de comandă pentru turația motorului.

Principiul de funcționare

O roată de reacție aduce prin schimbări viteza de rotație , un cuplu la satelit pe acesta în aceeași axă, dar în direcția opusă de rotire ( acțiune și reacție ). Rotirea totală a sistemului de satelit rămâne constantă ( valoarea de întreținere ), spre deosebire de duzele de control al poziției sau bobinele magnetice , care schimbă rotirea sistemului. Figurativ vorbind, impulsul unghiular este deplasat doar înainte și înapoi între carcasa satelitului și roata de reacție ( conservarea impulsului unghiular ).

Diferența față de roata de răsucire

Roțile de reacție nu trebuie confundate cu roțile rotative :

• O roată de reacție este în mod normal oprită și este adusă la viteza corespunzătoare doar pentru a schimba poziția satelitului sau pentru a compensa cuplurile externe perturbatoare. De obicei, există mai multe roți de reacție pe satelit, care sunt aliniate în direcții spațiale diferite.
  Dacă viteza maximă a unei roți de reacție este atinsă după mai multe schimbări de poziție, aceasta trebuie desaturată (oprită). În acest scop, duzele de control al poziției sau bobinele magnetice aplică un cuplu extern care contracarează roții de reacție pe măsură ce se deplasează în jos. Acest lucru asigură faptul că satelitul își păstrează orientarea definită în spațiu, în ciuda schimbării de viteză și nu se transformă într-o mișcare nedorită. Roata de reacție este apoi disponibilă din nou pentru schimbări de poziție.
• O roată de răsucire rulează constant la o viteză mare și generează astfel o răsucire stabilizatoare , i. Aceasta înseamnă că reacția la cupluri perturbatoare perpendiculare pe axa de rotație a roții de rotire este minimizată. Prin urmare, există de obicei o singură roată de rotire (posibil două redundante ) pe satelit. Rotile de centrifugare sunt utilizate, de exemplu, în sateliții clasici GEO stabilizați de centrifugare .

Aranjamente

Roți de reacție într-un aranjament tetraedric

Există două aranjamente principale ale roților de reacție utilizate în călătoriile spațiale:

• Într-un sistem decuplat axial, o roată de reacție este utilizată în fiecare axă geometrică principală a satelitului, deci în total trei. Un exemplu de aranjament pe trei axe este LAPAN-TUBSAT .
• Pentru a obține redundanță, roțile de reacție sunt instalate în dispunerea tetraedrului , în total patru. Acest lucru are avantajul că, dacă o roată eșuează, sistemul rămâne în continuare complet funcțional. Dezavantajul este cuplarea roților individuale între ele: rotația în jurul unei axe geometrice a satelitului duce întotdeauna la o schimbare a vitezei mai multor roți de reacție. Un exemplu de aranjament tetraedric este satelitul BIRD .

Moment giroscop

Giroscopul momentului de control (CMG) al ISS

În timp ce cu roțile de reacție fixe, cele trei componente ale vectorului momentului unghiular sunt schimbate individual, pentru a seta în direcția și magnitudinea giroscopului momentului de control (CMG, momentul giroscopic) și mărimea acestui vector total de a, de axa momentului în care giroscopul este înclinat. În acest scop se folosește un rotor rotitor constant într-o suspensie cardanică . H. un giroscop . Ca excepție, suspensia cardanică nu este liberă , ci este reglată de un motor în două direcții ortogonale . Cuplul de reacție rezultat transformă nava spațială. Rotația în jurul axei rotorului este controlată prin schimbarea vitezei. Această tehnologie este utilizată, de exemplu, pe Stația Spațială Internațională .

Caracteristici

O roată de reacție tipică pentru un satelit comercial de dimensiuni medii are 20-30 cm diametru, aproximativ 10 cm înălțime și are o masă totală de 5 până la 10 kg. La o viteză de aproximativ 5.000 rpm , se generează conform formulei

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

Cu

• momentul masa de inerție ${\ displaystyle J}$
• viteza unghiulară ${\ displaystyle \ omega}$

un impuls unghiular de 20  Nm s . În schimb, impulsul unghiular al unei roți de centrifugare sau al unui giroscop de moment (vezi mai sus) este de 500 Nms și mai mult. ${\ displaystyle L}$

O modificare a impulsului unghiular al roții de reacție prin schimbare determină o rotație opusă a satelitului în jurul axei de rotație a volantului. Orientarea satelitului poate fi astfel controlată foarte precis, făcând mici modificări în rotația roții de reacție. ${\ displaystyle \ omega}$

Următoarele se aplică cuplului generat : ${\ displaystyle T}$

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

cu accelerația unghiulară . ${\ displaystyle {\ dot {\ omega}}}$

Cuplul determină cât de repede poate fi modificată rotația și satelitul poate fi înclinat. Limita superioară pentru cuplul generat este de obicei de la 0,2 la 0,5  Nm .