چگونه ذخیره و بقای تکانه زاویه‌ای، جهت‌گیری فضاپیماها را حفظ می‌کند

فضاپیماها جهت‌گیری خود را در محیط بدون اصطکاک خلأ، نه با فشار آوردن به یک جو خارجی، بلکه از طریق تبادل تکانه زاویه‌ای با چرخ‌های دوار و سنگین داخلی حفظ می‌کنند. با شتاب دادن به یک روتور موتوردار در یک جهت، بدنه فضاپیما از نظر فیزیکی مجبور می‌شود برای حفظ تکانه کل سیستم، دقیقاً در جهت مخالف بچرخد. این تبادل حلقه بسته انرژی چرخشی، مکانیسم بنیادین کنترل وضعیت در فضاپیماهای مدرن است. بدون این سیستم، ماهواره‌ها برای تنظیم جهت آنتن‌های خود به سمت زمین یا صفحات خورشیدی‌شان به سمت خورشید، مجبور بودند کاملاً به پیشرانه‌های شیمیایی متکی باشند. از آنجا که پیشرانه‌ها از سوخت محدودی استفاده می‌کنند، اتکا به آن‌ها برای تنظیمات میکروسکوپی و مداوم، طول عمر یک مأموریت را به چند ماه محدود می‌کند.

مهندسان به جای سوزاندن سوخت، از تجهیزات تبادل تکانه با انرژی خورشیدی بهره می‌برند. همان‌طور که در تحلیل دینامیک وضعیت در سرور گزارش‌های فنی ناسا در سال ۲۰۰۳ تشریح شده است، این سیستم‌ها به فضاپیما اجازه می‌دهند تا زمانی که آرایه‌های خورشیدی‌اش برق تولید می‌کنند، جهت‌گیری خود را به طور نامحدود مدیریت کند. این معماری به طور کلی به دو فناوری مجزا تقسیم می‌شود: چرخ‌های واکنشی و ژیروسکوپ‌های کنترل گشتاور. چرخ‌های واکنشی رایج‌ترین راهکار برای جهت‌دهی دقیق هستند. یک چرخ واکنشی در اصل یک چرخ طیار (فلایویل) سنگین است که به یک موتور الکتریکی متصل شده است. هنگامی که فضاپیما نیاز به چرخش به چپ دارد، موتور، چرخ را به سمت راست شتاب می‌دهد. گشتاور اعمال‌شده به چرخ، یک گشتاور واکنشی برابر و در جهت مخالف روی شاسی فضاپیما ایجاد کرده و کل وسیله نقلیه را با دقتی فوق‌العاده می‌چرخاند.[1]

مؤسسه اسمیتسونین (Smithsonian Institution) خاطرنشان می‌کند که این روش کنترل بسیار ظریفی را فراهم می‌آورد و آن را به استانداردی برای تلسکوپ‌های فضایی تبدیل می‌کند که برای رصد کهکشان‌های دوردست به پایداری میکروسکوپی نیاز دارند. یک چرخ واکنشی معمولی ممکن است بین ۵ تا ۱۰ کیلوگرم وزن داشته باشد و با سرعتی تا ۶۰۰۰ دور در دقیقه بچرخد و گشتاور متوسطی بین ۰٫۱ تا ۱٫۰ نیوتن‌متر تولید کند. با این حال، چرخ‌های واکنشی دارای یک محدودیت فیزیکی دقیق هستند. اگر فضاپیما در معرض یک نیروی خارجی مداوم قرار گیرد - مانند فشار میکروسکوپی اما بی‌وقفه نور خورشید که به صفحات خورشیدی آن برخورد می‌کند یا پسای ناشی از جو رقیق فوقانی - چرخ باید برای مقابله با آن سریع‌تر و سریع‌تر بچرخد. در نهایت، چرخ به حداکثر سرعت ساختاری ایمن خود می‌رسد؛ وضعیتی که به عنوان اشباع شناخته می‌شود.[4]

هنگامی که چرخ به حالت اشباع می‌رسد، دیگر نمی‌تواند تکانه بیشتری را در آن جهت جذب کند. برای بازیابی کنترل، فضاپیما باید مانور تخلیه تکانه یا خروج از اشباع را انجام دهد. بر اساس مستندات آژانس فضایی اروپا برای مأموریت‌های هواشناسی MetOp، این امر با روشن کردن پیشرانه‌های شیمیایی یا فعال کردن گشتاوردهنده‌های مغناطیسی برای ثابت نگه داشتن فضاپیما در حین ترمز کردن عمدی چرخ‌ها و بازگرداندن آن‌ها به سرعت پایین‌تر، محقق می‌شود. گشتاوردهنده‌های مغناطیسی به طور ویژه‌ای کارآمد هستند زیرا هیچ سوختی مصرف نمی‌کنند. فضاپیما با عبور دادن جریان الکتریکی از میان سیم‌پیچ‌های مسی سنگین، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که به مگنتوسفر خود زمین فشار می‌آورد. این گشتاور خارجی، تکانه رهاشده توسط چرخ‌های در حال کاهش سرعت را جذب کرده و به طور مؤثری انرژی چرخشی اضافی فضاپیما را به میدان مغناطیسی سیاره منتقل می‌کند.[3]

اگرچه چرخ‌های واکنشی برای حرکات کند و دقیق یک تلسکوپ ایده‌آل هستند، اما فاقد قدرت خام مورد نیاز برای چرخش سریع سازه‌های عظیم می‌باشند. مهندسان برای وسایل نقلیه سنگین مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی یا ماهواره‌های بزرگ شناسایی نظامی، از ژیروسکوپ‌های کنترل گشتاور (CMG) استفاده می‌کنند. یک CMG بر اساس یک اصل ژیروسکوپی کاملاً متفاوت عمل می‌کند. این سیستم به جای تغییر سرعت یک روتور، یک روتور عظیم را با سرعت ثابت و بالا در حال چرخش نگه می‌دارد. برای تولید گشتاور، گیمبال‌های موتوردار به طور فیزیکی محور چرخش روتور در حال چرخش را کج می‌کنند. اعمال نیرو برای کج کردن یک ژیروسکوپ با سرعت بالا، یک گشتاور واکنشی ژیروسکوپی عظیم و عمودی تولید می‌کند که به فضاپیما اجازه می‌دهد مانورهای سریعی را اجرا کند که یک چرخ واکنشی استاندارد را از کار می‌اندازد.[7]

همان‌طور که در یک مطالعه بنیادین ناسا در سال ۱۹۷۱ در مورد سیستم‌های کنترل دقیق وضعیت به تفصیل بیان شده است، CMGها می‌توانند گشتاورهای خروجی بیش از ۱۰۰ نیوتن‌متر تولید کنند؛ مقداری که چندین مرتبه بزرگی بیشتر از یک چرخ واکنشی استاندارد با جرم مشابه است. این اهرم مکانیکی به ایستگاه فضایی بین‌المللی ۴۲۰ تنی اجازه می‌دهد تا جهت‌گیری خود را بدون مصرف پیشرانه‌های ارزشمند جایگزین مداری حفظ کند. این ایستگاه از چهار CMG عظیم استفاده می‌کند که هر کدام حاوی یک چرخ فولادی ۱۰۰ کیلوگرمی هستند که دقیقاً با سرعت ۶۶۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند تا با پسای آیرودینامیکی جو فوقانی و گشتاور گرادیان جاذبه اعمال‌شده توسط زمین مقابله کنند. مقیاس عظیم این تجهیزات، آن‌ها را برای زیرساخت‌های مداری سرنشین‌دار به یک ضرورت تبدیل می‌کند.[2]

پیچیدگی ریاضی مدیریت این سیستم‌ها بسیار زیاد است. مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۲ توسط انجمن فضانوردی آمریکا در مورد طراحی پایدار کنترل وضعیت منتشر شد، قوانین کنترلی پیچیده‌ای را برجسته می‌کند که برای جلوگیری از ورود CMGها به تکینگی‌ها ضروری است؛ تکینگی‌ها نقاط کور ریاضی هستند که در آن‌ها گیمبال‌ها به گونه‌ای هم‌تراز می‌شوند که از تولید گشتاور در یک جهت خاص جلوگیری می‌کنند. برای حفظ کنترل کامل سه‌محوره در راستای گام (pitch)، غلت (roll) و انحراف (yaw)، یک فضاپیما از نظر فنی تنها به سه چرخ نیاز دارد. با این حال، تقریباً تمام معماری‌های مداری شامل حداقل چهار چرخ برای ایجاد افزونگی هستند. اگر یک چرخ به دلیل اصطکاک شدید و سایش یاتاقان‌های مکانیکی در خلأ از کار بیفتد، رایانه پرواز می‌تواند از نظر ریاضی تکانه مورد نیاز را بین سه چرخ باقی‌مانده توزیع کند.[5]

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن (Nancy Grace Roman Space Telescope) که در آینده پرتاب خواهد شد، برای تضمین موفقیت مأموریت خود به شدت به این معماری افزونه متکی است. همان‌طور که در رونوشت مرکز گادرد ناسا در تشریح سخت‌افزار این مأموریت توضیح داده شده است، «از چرخ‌های واکنشی برای چرخاندن فضاپیما و پایدار نگه داشتن آن استفاده می‌شود» تا اطمینان حاصل شود که این رصدخانه می‌تواند با وجود محیط حرارتی خشن اعماق فضا، با دقتی کمتر از یک ثانیه قوسی روی ستارگان هدف قفل کند. انتخاب بین چرخ‌های واکنشی و ژیروسکوپ‌های کنترل گشتاور، قابلیت‌های بنیادین یک فضاپیما را تعیین می‌کند. مهندسان هوافضا با تسلط بر اصل بقای تکانه زاویه‌ای، کنترل وضعیت را از محدودیت‌های معادله موشک رها کرده‌اند و به پلتفرم‌های رصدی اجازه داده‌اند تا دهه‌ها در تاریکی فضا به طور بی‌صدا بچرخند و جهت‌گیری کنند.[6]