Magnetorquer - Magnetorquer

A magnetorquer nebo magnetický torquer (také známý jako momentová tyč) je satelit systém pro ovládání postoje, detumbling a stabilizace postavena z elektromagnetické cívky. Magnetorquer obvykle vytváří magnetický dipól, který je v rozhraní s magnetickým polem okolí Země, aby vytvořené protisíly byly užitečné točivý moment.

Funkční princip

Magnetorquery jsou v podstatě sady elektromagnetů uspořádaných tak, aby poskytovaly rotačně asymetrický (anizotropní ) magnetické pole přes rozšířenou oblast. Toto pole je řízeno přepínáním proud průtok skrz cívky zapnutý nebo vypnutý, obvykle pod počítačem zpětná vazba řízení. Samotné magnety jsou mechanicky ukotveny k plavidlu, takže jakákoli magnetická síla, kterou vyvíjejí na okolní magnetické pole, povede k magnetické reverzní síle a bude mít za následek mechanický točivý moment kolem plavidla centrum gravitace. To umožňuje volně otáčet plavidlo ve známém místním spád magnetického pole pouze pomocí elektrické energie.

Magnetický dipól generovaný magnetorquer je vyjádřeno vzorcem

${ displaystyle mathbf {m} = nI mathbf {A},}$

kde n je počet závitů drátu, Já je aktuální hodnota a A je vektorová oblast cívky. Dipól interaguje s magnetickým polem a generuje točivý moment

${ displaystyle { boldsymbol { tau}} = mathbf {m} krát mathbf {B},}$

kde m je magnetický dipólový vektor, B vektor magnetického pole (pro kosmickou loď je to vektor magnetického pole Země) a τ je generovaný vektor točivého momentu.

Konstrukce

Stavba a magnetorquer je založen na realizaci cívky s definovanou oblastí a počtem závitů podle požadovaných výkonů. Existují však různé způsoby, jak získat cívku; tedy v závislosti na konstrukční strategii je možné najít tři typy magnetorquerů, které jsou zjevně velmi odlišné od sebe navzájem, ale jsou založeny na stejném konceptu ^[1]:

Air-core magnetorquer

To zahrnuje základní koncept magnetorquer, vodivý drát omotaný kolem nevodivé podpory ukotvené k satelitu. Tento druh magnetorquer může poskytnout konzistentní magnetický dipól s přijatelnou hmotností a zatížením.

Vestavěná cívka

Toto je zkonstruováno a vytváří spirálovitou stopu uvnitř PCB solárních panelů, které generují účinek cívky. Toto řešení je řešením s nejmenším dopadem na satelit, protože je zcela obsaženo v solárních panelech. Vzhledem k fyzickému limitu v tloušťce desky a přítomnosti dalších obvodů a elektronických součástek však není možné dosáhnout vysoké hodnoty magnetického dipólu.

Torquerod

Toto je nejúčinnější řešení. Vodivý drát je omotán kolem feromagnetického jádra, které je magnetizováno při buzení cívkou, čímž vytváří dipól podstatně vyšší než u ostatních řešení. Nevýhodou však je přítomnost zbytkového magnetického dipólu, který zůstává, i když je cívka vypnutá z důvodu hystereze v magnetizační křivce jádra. Je proto nutné demagnetizovat jádro správným demagnetizačním postupem. Přítomnost jádra (obvykle sestávajícího z těžkého kovu) obvykle zvyšuje hmotnost systému.

Obvykle se používají tři cívky, i když tam, kde není potřeba úplná kontrola polohy nebo u vnějších sil, jako je asymetrická, může stačit redukovaná konfigurace dvou nebo dokonce jednoho magnetu táhnout dovolit nedostatečná kontrola. Sestava tří cívek má obvykle podobu tří kolmých cívek, protože toto nastavení vyrovnává rotační symetrii polí, která lze generovat; bez ohledu na to, jak jsou vnější pole a plavidlo umístěny vůči sobě navzájem, přibližně stejný točivý moment může být vždy generován jednoduše použitím různých množství proudu na třech různých cívkách.

Tak dlouho jak proud prochází skrz cívky a kosmická loď dosud nebyla stabilizována ve pevné orientaci vzhledem k vnějšímu poli, otáčení plavidla bude pokračovat.^{[Citace je zapotřebí ]}

Lze použít velmi malé satelity permanentní magnety místo cívek.

Výhody

Magnetorquery jsou lehké, spolehlivé a energeticky účinné. Na rozdíl od trysky, nevyžadují postradatelné pohonná hmota buď, takže teoreticky mohli pracovat donekonečna, pokud to bylo dostatečné Napájení je k dispozici, aby odpovídal odporový zatížení cívek. Na oběžné dráze Země je sluneční světlo jedním z takových prakticky nevyčerpatelných zdrojů energie solární panely.

Další výhoda oproti hybná kola a řídící momentové gyroskopy je absence pohyblivé části a tedy výrazně vyšší spolehlivost.

Nevýhody

Hlavní nevýhodou magnetorquers je, že velmi vysoká hustoty magnetického toku jsou potřeba, pokud se velké plavidlo musí otáčet velmi rychle. To buď vyžaduje velmi vysoké proud v cívkách nebo mnohem vyšší hustoty toku okolí, než jsou k dispozici v Oběžná dráha Země. V důsledku toho jsou poskytnuté krouticí momenty velmi omezené a slouží pouze ke zrychlení nebo zpomalení změny v postoji kosmické lodi o nepatrná množství. Aktivní řízení může v průběhu času vyprodukovat velmi rychlé otáčení i zde, ale pro přesnou kontrolu polohy a stabilizaci poskytnuté momenty často nestačí. K překonání tohoto problému se magnetorquer často kombinuje s reakční kola.

Širší nevýhodou je závislost na síle magnetického pole Země, což činí tento přístup nevhodným pro mise v hlubokém vesmíru a také vhodnějším pro nízké oběžné dráhy Země na rozdíl od vyšších, jako je geosynchronní. Závislost na vysoce proměnlivé intenzitě magnetického pole Země je také problematická, protože pak se problém s řízením polohy stává velmi silným nelineární. Je také nemožné řídit postoj ve všech třech osách, i když jsou použity plné tři cívky, protože točivý moment může být generován pouze kolmo na vektor magnetického pole Země.^[2][3]

Jakýkoli rotující satelit vyrobený z vodivého materiálu ztratí v důsledku generování rotačního momentu v magnetickém poli Země vířivé proudy v jeho těle a odpovídající brzdná síla úměrná jeho rychlosti otáčení.^[4] Aerodynamický tření určitou roli mohou hrát i ztráty. To znamená, že magnetorquer bude muset být provozován nepřetržitě a na úrovni výkonu, která je dostatečná k vyrovnání přítomných odporových sil. To není vždy možné v rámci energetických omezení lodi.

Michiganská průzkumná laboratoř (MXL) má podezření, že M-krychle CubeSat, společný projekt provozovaný společnostmi MXL a JPL, se stali magneticky spojeni Explorer-1 Prime, druhý CubeSat vydaný současně prostřednictvím silných integrovaných magnetů používaných k pasivní kontrole polohy po nasazení 28. října 2011.^[5]Toto je první nedestruktivní blokování dvou satelitů.^[6]

Viz také

• Reakční kolo

Reference