Магниторкер

Магниторкер ( или магнитный крутящий момент также известный как крутящий стержень ) представляет собой спутниковую систему для управления ориентацией , опрокидывания и стабилизации, построенную из электромагнитных катушек . Магниторкер создает магнитный диполь, который взаимодействует с окружающим магнитным полем, обычно с земным , так что возникающие противодействующие силы обеспечивают полезный крутящий момент .

Принцип действия

Магнитоторкуеры представляют собой наборы электромагнитов, созданных для создания вращательно-асимметричного ( анизотропного ) магнитного поля на обширной площади. Это поле контролируется путем включения или выключения тока через катушки, обычно под компьютеризированной обратной связи управлением . судна Сами магниты механически прикреплены к судну, так что любая магнитная сила, которую они оказывают на окружающее магнитное поле, приведет к возникновению обратной магнитной силы и возникновению механического крутящего момента вокруг центра тяжести . Это позволяет свободно поворачивать аппарат при известном локальном градиенте магнитного поля, используя только электрическую энергию.

Магнитный диполь, создаваемый магниторвером , выражается формулой

\mathbf {m} =nI\mathbf {A} ,

где n — количество витков провода, I — подаваемый ток, а A — векторная площадь катушки. Диполь взаимодействует с магнитным полем, создавая крутящий момент

{\boldsymbol {\tau }}=\mathbf {m} \times \mathbf {B} ,

где m - вектор магнитного диполя, B - вектор магнитного поля (для космического корабля это вектор магнитного поля Земли), а τ - вектор генерируемого крутящего момента.

Строительство

Конструкция магниторкера основана на реализации катушки определенной площади и количества витков в соответствии с требуемыми характеристиками. Однако есть разные способы получить катушку; таким образом, в зависимости от стратегии построения, можно найти три типа магниторверов, внешне сильно отличающихся друг от друга, но основанных на одной и той же концепции: ^[1]

Магниторкер с воздушным сердечником: Это включает в себя базовую концепцию магнеторкера — проводящего провода, намотанного на непроводящую опору, прикрепленную к спутнику. Этот тип магниторкера может обеспечить стабильный магнитный диполь с приемлемой массой и нагрузкой.
Встроенная катушка: Он создан, создавая спиральную дорожку внутри печатных плат солнечных панелей, что создает эффект катушки. Это решение оказывает наименьшее влияние на спутник, поскольку он полностью заключен в солнечные панели. Однако из-за физического ограничения толщины платы и наличия других схем и электронных компонентов достичь высокого значения магнитного диполя невозможно.
использует Космический телескоп Хаббл четыре железных реактивных стержня длиной 8 футов (2,4 м) как часть своей системы управления наведением. ^[2] Динамометрический стержень: Это наиболее эффективное решение. Проводящий провод намотан вокруг ферромагнитного сердечника, который намагничивается при возбуждении катушкой, создавая таким образом диполь значительно выше, чем в других решениях. Однако недостатком является наличие остаточного магнитного диполя, который остается даже при выключении катушки из-за гистерезиса кривой намагничивания сердечника. Поэтому необходимо размагнитить сердечник с помощью соответствующей процедуры размагничивания. Обычно наличие ядра (обычно состоящего из тяжелого металла) увеличивает массу системы.

Обычно используются три катушки, хотя уменьшенной конфигурации из двух или даже одного магнита может быть достаточно, когда не требуется полный контроль ориентации или когда внешние силы, такие как асимметричное сопротивление, допускают недостаточное управление . Сборка из трех катушек обычно имеет форму трех перпендикулярных катушек, поскольку эта установка уравнивает вращательную симметрию генерируемых полей; независимо от того, как внешнее поле и корабль расположены по отношению друг к другу, примерно одинаковый крутящий момент всегда можно создать, просто используя разную величину тока на трех разных катушках.

Пока ток проходит через катушки и космический корабль еще не стабилизировался в фиксированной ориентации относительно внешнего поля, вращение корабля будет продолжаться. ^{[ нужна ссылка ]}

могут использоваться постоянные магниты В очень маленьких спутниках вместо катушек .

Преимущества

Магнитоторкуеры легкие, надежные и энергоэффективные. В отличие от двигателей , они не требуют расходного топлива , поэтому теоретически могут работать бесконечно, пока достаточная мощность имеется , чтобы соответствовать резистивной нагрузке катушек. На околоземной орбите солнечный свет является одним из таких практически неисчерпаемых источников энергии, использующих солнечные батареи .

Еще одним преимуществом перед импульсными колесами и гироскопами управления моментом является отсутствие движущихся частей , а значит, значительно более высокая надежность.

Недостатки

Основным недостатком магниторкеров является то, что очень высокие плотности магнитного потока для быстрого поворота больших кораблей необходимы . Это требует либо очень высокого тока в катушках, либо гораздо более высокой плотности окружающего потока, чем доступна на околоземной орбите . Следовательно, предоставляемые крутящие моменты очень ограничены и служат лишь для небольшого ускорения или замедления изменения положения космического корабля. Со временем активное управление может привести к быстрому вращению даже на Земле, но для точного управления ориентацией и стабилизации предоставляемых крутящих моментов часто оказывается недостаточно. Чтобы преодолеть эту проблему, магниторкер часто комбинируют с реактивными колесами .

Более широким недостатком является зависимость от напряженности магнитного поля Земли, что делает этот подход непригодным для миссий в дальний космос, а также более подходящим для низких околоземных орбит, в отличие от более высоких, таких как геостационарные . Зависимость от сильно изменяющейся интенсивности магнитного поля Земли проблематична, потому что тогда проблема управления ориентацией становится очень нелинейной . Также невозможно контролировать положение по всем трем осям, даже если используются полные три катушки, поскольку крутящий момент может создаваться только перпендикулярно вектору магнитного поля Земли. ^[3]^[4]

Любой вращающийся спутник, сделанный из проводящего материала, потеряет момент вращения в магнитном поле Земли из-за образования вихревых токов в его теле и соответствующей тормозной силы, пропорциональной скорости его вращения. ^[5] Аэродинамические потери на трение также могут сыграть свою роль. Это означает, что магниторкер должен работать непрерывно и на уровне мощности, достаточном для противодействия существующим силам сопротивления. Это не всегда возможно в рамках энергетических ограничений судна.

Мичиганская исследовательская лаборатория (MXL) подозревает, что M-Cubed CubeSat , совместный проект MXL и JPL , стал магнитно соединен с Explorer-1 Prime , вторым CubeSat, выпущенным в то же время, с помощью сильных бортовых магнитов, используемых для пассивного положения. контроль, после развертывания 28 октября 2011 г. ^[6] Это первая неразрушающая фиксация двух спутников. ^[7]

См. также

Гравитационно-градиентная стабилизация — метод пассивной стабилизации.

Ссылки

^ Никколо Беллини (10 сентября 2014 г.). Магнитные актуаторы для управления ориентацией наноспутников (pdf) (Отчет).
^ Гарнер, Роб (19 декабря 2017 г.). «Обсерватория – Управление наведением» . НАСА . Проверено 14 марта 2023 г.
^ Винсент Франсуа-Лаве (31 мая 2010 г.). «Системы управления ориентацией и определением наноспутников ОУФТИ» (PDF) .
^ Пин Ван; и др. (21–26 июня 1998 г.). «Спутниковое управление ориентацией с использованием только магниторных двигателей» (PDF) . Материалы Американской конференции по контролю 1998 года. ACC (Кат. № IEEE 98CH36207) . Том. 1. С. 222–226. дои : 10.1109/ACC.1998.694663 . ISBN 0-7803-4530-4 . S2CID 64318808 . Архивировано из оригинала (PDF) 21 августа 2011 г.
^ «Магнеторкерс» . Amsat.org. 24 ноября 2002 г. Проверено 8 февраля 2010 г.
^ «Мичиганская исследовательская лаборатория» . Мичиганская исследовательская лаборатория. 06.12.2011 . Проверено 14 декабря 2012 г.
^ «МКубед-2» . Национальный центр данных космических исследований . НАСА . 16 августа 2013 г. Проверено 27 мая 2019 г.

[1] Никколо Беллини (10 сентября 2014 г.). Магнитные актуаторы для управления ориентацией наноспутников (pdf) (Отчет).

[2] Гарнер, Роб (19 декабря 2017 г.). «Обсерватория – Управление наведением» . НАСА . Проверено 14 марта 2023 г.

[3] Винсент Франсуа-Лаве (31 мая 2010 г.). «Системы управления ориентацией и определением наноспутников ОУФТИ» (PDF) .

[4] Пин Ван; и др. (21–26 июня 1998 г.). «Спутниковое управление ориентацией с использованием только магниторных двигателей» (PDF) . Материалы Американской конференции по контролю 1998 года. ACC (Кат. № IEEE 98CH36207) . Том. 1. С. 222–226. дои : 10.1109/ACC.1998.694663 . ISBN 0-7803-4530-4 . S2CID 64318808 . Архивировано из оригинала (PDF) 21 августа 2011 г.

[5] «Магнеторкерс» . Amsat.org. 24 ноября 2002 г. Проверено 8 февраля 2010 г.

[6] «Мичиганская исследовательская лаборатория» . Мичиганская исследовательская лаборатория. 06.12.2011 . Проверено 14 декабря 2012 г.

[7] «МКубед-2» . Национальный центр данных космических исследований . НАСА . 16 августа 2013 г. Проверено 27 мая 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]