В любой системе ориентации космического аппарата (КА) используется управление вращением — будь то для стабилизации телескопа, корректировки антенны, или наведения научного оборудования. Наиболее распространённые средства — это маховики (reaction wheels) и гиродины (CMG, control moment gyroscopes). Они создают момент силы, заставляя аппарат разворачиваться за счёт закона сохранения импульса.
Но есть проблема. При длительной работе маховики постепенно накапливают кинетический момент — они раскручиваются всё сильнее и достигают предела своих оборотов. Это состояние называется насыщением маховиков (wheel saturation). После этого они больше не могут создавать нужный управляющий момент. Достигают предела своих возможностей и гиродины, когда рамки их роторов поворачиваются на предельный угол 90 градусов. Это как если бы вы постоянно нажимали на тормоза автомобиля на длинном спуске — в какой-то момент они перегреются и перестанут эффективно работать. Так и здесь: систему нужно «перезагрузить» — сбросить накопленный момент.
Как сбрасывают момент сейчас?
Сейчас инженеры используют несколько подходов:
Реактивные двигатели (thrusters): работают надёжно, но требуют топлива. А значит, ресурсы ограничены.
Магнитные торкеры (magnetorquers): взаимодействуют с магнитным полем Земли, подходят для LEO (низкие орбиты), частично для MEO (средние орбиты), но бесполезны на GEO (геостационарная орбита) и в deep space (глубокий космос).
Гравитационная разгрузка: используют стабилизацию за счёт растяжки массы, но это громоздко, требует длительного времени для разгрузки и работает только на LEO, причём ограничено.
Все эти методы имеют одно общее: они либо расходуют ресурс, либо зависят от внешней среды (магнитное поле, гравитация). В условиях дальнего космоса, орбит Луны, Марса, других небесных тел или за пределами Солнечной системы — такие методы либо не работают, либо слишком громоздки.
А можно ли сбрасывать момент без топлива и внешних физических полей?
Ответ: да. И в 2024–2025 годах были разработаны и запатентованы первые в мире концепции, которые это позволяют.
Речь идёт о технологиях, защищённых патентами РФ RU2829196 и RU2834705. Сегодня мы расскажем о первом из них — простом, но мощном по идее.
Концепт с шаровым маховиком: внутренний сброс момента
Изобретение (RU2829196) предлагает простую и элегантную идею: сбрасывать кинетический момент не вовне, а внутрь — в специальный шаровой маховик, установленный на борту аппарата.
Интуитивно может показаться, что это нарушает закон сохранения момента: как можно избавиться от избыточного кинетического момента, не взаимодействуя с внешней средой? Однако здесь никакого противоречия нет. Тонкость заключается в том, что сброс осуществляется путём перераспределения момента внутри системы, где роль «внешнего объекта» исполняет сам маховик, как автономная инерционная масса. Он вращается независимо от корпуса КА и принимает на себя накопленный избыточный момент от исполнительных органов. Таким образом, происходит внутренний обмен моментом, без выхода за пределы замкнутой системы.
При этом система построена так, что сам маховик не становится очередным «хранилищем проблемы». Последовательность операций сброса и архитектура взаимодействия обеспечивают возврат к начальному состоянию: шар не накапливает на себе неустранимый остаточный момент. Это замкнутая, самобалансирующаяся схема, способная работать автономно и циклично.
Плюсы:
Не расходует топливо
Не зависит от наличия внешних силовых полей
Работает в любой точке Солнечной системы (и за её пределами)
Компактен и прост в реализации
Эта концепция применима как для малых спутников, так и для тяжёлых КА, и особенно ценна в deep-space миссиях, где перезаправка невозможна, а каждый грамм и киловатт на счету.
Подробнее о технологии
Официальное описание изобретения доступно в открытом реестре ФИПС: Патент RU2829196
Во второй части мы расскажем о развитии идеи технологий сброса кинетического момента, основанных исключительно на внутренних взаимодействиях системы — технологии, с карданово-подвешенным маховиком, который позволяет сбрасывать момент в любой ориентации и дополнительно защищён от эффекта gimbal lock (застревания кардановой подвески — состояния, при котором одна степень свободы теряется из-за совпадения осей).