Контроль ориентации

Процесс управления ориентацией аэрокосмического аппарата

Управление ориентацией - это процесс управления ориентацией аэрокосмический аппарат по отношению к инерциальной системе отсчета или другому объекту, например, небесной сфере, определенным полям и близлежащим объектам и т. д.

Для управления положением транспортного средства требуются датчики для измерения ориентации транспортного средства, исполнительные механизмы для приложения крутящих моментов, необходимых для ориентации транспортного средства в желаемое положение, и алгоритмы для управления исполнительными механизмами на основе (1) сенсорные измерения текущего положения и (2) определение желаемого положения. Интегрированная область, которая изучает сочетание датчиков, исполнительных механизмов и алгоритмов, называется наведение, навигация и управление (GNC).

• 1 Контроль ориентации ЛА
• 2 Управление ориентацией космического аппарата
  • 2.1 Типы стабилизации
  • 2.2 Шарнирное соединение
• 3 Геометрия
• 4 Датчики
  • 4.1 Датчики относительной ориентации
    • 4.1.1 Гироскопы
    • 4.1.2 Эталонные блоки движения
  • 4.2 Датчики абсолютного положения
    • 4.2.1 Датчик горизонта
    • 4.2.2 Орбитальный гирокомпас
    • 4.2.3 Датчик солнечного света
    • 4.2.4 Датчик земли
    • 4.2.5 Звездный трекер
    • 4.2.6 Магнитометр
• 5 Определение ориентации
  • 5.1 Статические методы оценки ориентации
  • 5.2 Последовательные методы оценки
• 6 Алгоритмы управления
• 7 Приводы
  • 7.1 Двигатели
  • 7.2 Стабилизация вращения
  • 7.3 Импульсные колеса
  • 7.4 Гироскопы управляющего момента
  • 7.5 Солнечные паруса
  • 7.6 Гравитационно-градиентная стабилизация
  • 7.7 Магнитные крутящие моменты
  • 7.8 Чистое пассивное положение control
• 8 См. также
• 9 Ссылки

рыскание тангаж крен

Положение самолета стабилизируется в трех направлениях: рыскание, носом влево или вправо t ось движется вверх и вниз; тангаж, нос вверх или вниз относительно оси, идущей от крыла к крылу; и крен, вращение вокруг оси, идущей от носа к хвосту. Руль высоты (перемещение закрылков на горизонтальном оперении) создает тангаж, руль направления на вертикальном оперении создает рыскание, а элероны (закрылки на крыльях, которые движутся встречно направления) производим рулон.

Положение космического корабля обычно должно быть стабилизировано и контролироваться по разным причинам. Часто это необходимо для того, чтобы космический корабль антенна с высоким коэффициентом усиления мог быть точно направлен на Землю для связи, чтобы бортовые эксперименты могли выполнить точное наведение для точного сбора и последующей интерпретации данных, так что нагрев и охлаждение эффекты солнечного света и тени можно разумно использовать для терморегулирования, а также для наведения: короткие маневры должны выполняться в правильном направлении.

Типы стабилизации

Существует два основных подхода к стабилизации управления ориентацией на космическом корабле:

• Стабилизация вращения достигается путем установки вращения космического корабля с использованием гироскопического действия вращающего масса КА как стабилизирующий механизм. Двигатели двигательной установки срабатывают только изредка, чтобы внести желаемые изменения в скорость вращения или в положение со стабилизацией вращения. При желании вращение можно остановить с помощью подруливающих устройств или откручивания йо-йо. Зонды Pioneer 10 и Pioneer 11 во внешней Солнечной системе являются примерами космических аппаратов со стабилизацией вращения.
• Трехосная стабилизация - альтернативный метод управления ориентацией космического корабля в котором космический аппарат фиксируется в желаемой ориентации без какого-либо вращения.
  • Один метод заключается в использовании небольших двигателей для постоянного толкания космического корабля вперед и назад в пределах зоны нечувствительности допустимой угловой погрешности. Двигатели могут также называться системами управления массовым выбросом (MEC) или системами управления реакцией (RCS). Космические зонды Voyager 1 и Voyager 2 используют этот метод и по состоянию на июль 2015 года израсходовали около трех четвертей своих 100 кг топлива.
  • Другой метод для достижения трехосной стабилизации следует использовать реактивные колеса с электроприводом, также называемые импульсными колесами, которые установлены на трех ортогональных осях на борту космического корабля. Они предоставляют средства для обмена угловым моментом между космическим кораблем и колесами. Чтобы повернуть автомобиль на заданной оси, реактивное колесо на этой оси ускоряется в противоположном направлении. Чтобы повернуть автомобиль назад, колесо замедляется. Избыточный импульс, который накапливается в системе из-за внешнего крутящего момента, например, из-за давления солнечных фотонов или градиентов силы тяжести, должен иногда удаляться из системы путем приложения контролируемого крутящего момента к космическому кораблю, чтобы колеса могли вернуться в исходное положение. до желаемой скорости под управлением компьютера. Это делается во время маневров, называемых маневрами рассыщения по инерции или разгрузкой по инерции. Большинство космических аппаратов используют систему двигателей для создания крутящего момента для маневров по рассыщению. Другой подход был использован в космическом телескопе Хаббл, который имел чувствительную оптику, которая могла быть загрязнена выхлопом двигателя малой тяги, и вместо этого использовала магнитный момент для маневров по рассыщению.

Есть преимущества. и недостатки как стабилизации вращения, так и стабилизации по трем осям. Корабль со стабилизированным вращением обеспечивает непрерывное движение, которое желательно для приборов поля и частиц, а также некоторых оптических сканирующих приборов, но для них могут потребоваться сложные системы для вращения антенн или оптических приборов, которые должны быть нацелены на цели для научных наблюдений или связь с Землей. Корабль с трехосным управлением может наводить оптические инструменты и антенны без необходимости их раскручивать, но им, возможно, придется выполнять специальные маневры вращения, чтобы наилучшим образом использовать свои поля и инструменты для измерения частиц. Если двигатели используются для обычной стабилизации, оптические наблюдения, такие как получение изображений, должны разрабатываться с учетом того, что космический корабль всегда медленно раскачивается вперед и назад, и не всегда точно предсказуемо. Реактивные колеса обеспечивают гораздо более устойчивый космический аппарат, с которого можно проводить наблюдения, но они добавляют массу космическому кораблю, имеют ограниченный механический срок службы и требуют частых маневров по уменьшению количества движения, которые могут нарушить навигационные решения из-за ускорений, передаваемых с помощью двигателей..

Шарнирное соединение

Многие космические корабли имеют компоненты, требующие шарнирного сочленения. Вояджер и Галилео, например, были разработаны со сканирующими платформами для наведения оптических инструментов на их цели, в значительной степени независимо от ориентации космического корабля. Многие космические корабли, такие как марсианские орбитальные аппараты, имеют солнечные панели, которые должны отслеживать Солнце, чтобы они могли обеспечивать космический корабль электроэнергией. Форсунки главного двигателя Кассини были управляемыми. Знание, куда направить солнечную панель, платформу сканирования или сопло - то есть, как ее сформулировать, - требует знания положения космического корабля. Поскольку одна подсистема отслеживает положение космического корабля, местоположение Солнца и Земли, она может вычислить правильное направление, чтобы указать на придатки. Логически это относится к одной и той же подсистеме - Подсистеме управления отношением и артикуляцией (AACS), чтобы управлять как отношением, так и артикуляцией. Название AACS может быть даже перенесено на космический корабль, даже если у него нет придатков, которые нужно было бы сформулировать.

Отношение является частью описания того, как объект помещается в пространство занимает. Отношение и положение полностью описывают, как объект размещается в пространстве. (Для некоторых приложений, таких как робототехника и компьютерное зрение, принято объединять положение и отношение вместе в одно описание, известное как Поза.)

Отношение можно описать с помощью множества методы; однако наиболее распространенными являются матрицы вращения, кватернионы и углы Эйлера. Хотя углы Эйлера часто являются наиболее простым представлением для визуализации, они могут вызвать проблемы для высокоманевренных систем из-за явления, известного как Gimbal lock. Матрица вращения, с другой стороны, обеспечивает полное описание отношения за счет требования девяти значений вместо трех. Использование матрицы вращения может привести к увеличению вычислительных затрат, и с ними может быть труднее работать. Кватернионы предлагают достойный компромисс, поскольку они не страдают от блокировки кардана и требуют только четырех значений, чтобы полностью описать отношение.

Изменение ориентации твердого тела аналогично вращению осей системы отсчета, прикрепленной к нему.

Датчики относительного положения

Многие датчики генерируют выходные данные, которые отражают скорость изменения положения. Они требуют известного начального отношения или внешней информации, чтобы использовать их для определения отношения. Многие датчики этого класса имеют некоторый шум, приводящий к неточности, если он не корректируется датчиками абсолютного положения.

Гироскопы

Гироскопы - это устройства, которые регистрируют вращение в трехмерном пространстве, не полагаясь на наблюдение за внешними объектами. Классически гироскоп состоит из вращающейся массы, но существуют также «кольцевые лазерные гироскопы », использующие когерентный свет, отраженный по замкнутому пути. Другой тип «гироскопа» - это гироскоп с полусферическим резонатором, в котором хрустальная чаша, имеющая форму бокала для вина, может быть приведена в колебание, точно так же, как бокал для вина «поет», когда палец трется о его обод. Ориентация колебания фиксируется в инерциальном пространстве, поэтому измерение ориентации колебания относительно космического корабля можно использовать для определения движения космического корабля относительно инерционного пространства.

Эталонные блоки движения

Эталонные блоки движения - это своего рода инерциальные блоки измерения с одно- или многоосевыми датчиками движения. Они используют гироскопы MEMS. Некоторые многоосные MRU могут измерять крен, тангаж, рыскание и вертикальную качку. У них есть приложения за пределами авиационной области, такие как:

• Антенна компенсация и стабилизация движения
• Динамическое позиционирование
• Компенсация вертикальной качки морских кранов
• Управление движением высокоскоростных судов и системы демпфирования
• Гидроакустическое позиционирование
• Компенсация движения одно- и многолучевых эхолотов
• Измерения океанских волн
• Мониторинг движения морских конструкций
• Ориентация и измерения пространственного положения на автономных подводных аппаратах и подводных аппаратах с дистанционным управлением
• мониторинг движения судна

датчики абсолютного положения

Этот класс датчиков определяет положение или ориентацию полей, предметы или другие явления вне космического корабля.

Датчик горизонта

Датчик горизонта - это оптический прибор, который обнаруживает свет от «края» атмосферы Земли, то есть на горизонте. Часто используется тепловое инфракрасное зондирование, которое определяет сравнительную теплоту атмосферы по сравнению с гораздо более холодным космическим фоном. Этот датчик обеспечивает ориентацию относительно Земли по двум ортогональным осям. Он имеет тенденцию быть менее точным, чем датчики, основанные на наблюдении звезд. Иногда его называют датчиком Земли.

Орбитальный гирокомпас

Аналогично тому, как в наземном гирокомпасе используется маятник для определения местной гравитации и выравнивает свой гироскоп с вектором вращения Земли и, следовательно, указывает на север, орбитальный гирокомпас использует датчик горизонта, чтобы определять направление на центр Земли, и гироскоп, чтобы определять вращение вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты. Таким образом, датчик горизонта обеспечивает измерения тангажа и крена, а гироскоп - рысканья. См. Углы Тейта-Брайана.

Датчик солнца

A Датчик солнца - это устройство, которое определяет направление на Солнце. Это может быть так просто, как некоторые солнечные элементы и плафоны, или настолько сложно, как управляемый телескоп , в зависимости от требований миссии.

Датчик Земли

Датчик Земли - это устройство, определяющее направление на Землю. Обычно это инфракрасная камера ; В настоящее время основным методом определения ориентации является звездный трекер, но датчики Земли по-прежнему интегрированы в спутники из-за их низкой стоимости и надежности.

Звездный трекер

Звезда в реальном времени STARS Программное обеспечение отслеживания работает с изображением, полученным с EBEX 2012, космологического эксперимента на высотном воздушном шаре, запущенного из Антарктиды 29 декабря 2012 года.

Звездный трекер - это оптическое устройство, которое измеряет положение (с) звезды (-ов) с использованием фотоэлемента (-ов) или камеры. Он использует величину яркости и спектральный тип для определения, а затем вычисления относительного положения звезд вокруг него.

Магнитометр

A магнитометр - это устройство, которое определяет напряженность магнитного поля и, при использовании в трехосной триаде, направление магнитного поля. В качестве вспомогательного средства навигации космического корабля измеренная напряженность поля и направление сравниваются с картой магнитного поля Земли, хранящейся в памяти бортового или наземного компьютера управления. Если положение космического корабля известно, можно сделать вывод об ориентации.

Перед тем, как можно будет выполнить управление ориентацией, необходимо определить текущее положение. Отношение не может быть измерено напрямую каким-либо единичным измерением, поэтому оно должно быть рассчитано (или оценено ) на основе набора измерений (часто с использованием разных датчиков). Это можно сделать либо статически (вычисление положения с использованием только доступных в настоящее время измерений), либо с помощью статистического фильтра (чаще всего фильтр Калмана ), который статистически объединяет предыдущие оценки положения с текущими измерениями датчика. чтобы получить оптимальную оценку текущего отношения.

Для некоторых датчиков и приложений (например, космических аппаратов, использующих магнитометры) также должно быть известно точное местоположение. Хотя оценку позы можно использовать, для космического корабля обычно достаточно оценить положение (через Определение орбиты ) отдельно от оценки ориентации. Для наземных транспортных средств и космических аппаратов, работающих вблизи Земли, появление систем спутниковой навигации позволяет легко получать точные данные о местоположении. Эта проблема усложняется для аппаратов дальнего космоса или наземных аппаратов, работающих в условиях, запрещенных глобальной навигационной спутниковой системой (GNSS) (см. Навигация ).

Статические методы оценки отношения

Статические методы оценки отношения являются решениями проблемы Вахбы. Было предложено множество решений, в частности q-метод Давенпорта, QUEST, TRIAD и разложение по сингулярным значениям.

Последовательные методы оценки

Фильтрация Калмана может использоваться для последовательной оценки отношения, а также угловая скорость. Поскольку динамика ориентации (комбинация динамики твердого тела и кинематики ориентации) нелинейна, линейного фильтра Калмана недостаточно. Поскольку динамика отношения не очень нелинейна, обычно достаточно расширенного фильтра Калмана (однако Крассидис и Маркели продемонстрировали, что фильтр Калмана без запаха может быть использован и может дать преимущества в случаях где первоначальная оценка плохая). Было предложено несколько методов, однако мультипликативный расширенный фильтр Калмана (MEKF), безусловно, является наиболее распространенным подходом. В этом подходе используется мультипликативная формулировка кватерниона ошибок, которая позволяет лучше обрабатывать ограничение на единицу для кватерниона. Также широко используется метод, известный как замена динамической модели, где угловая скорость не оценивается напрямую, а скорее измеренная угловая скорость от гироскопа используется непосредственно для распространения динамики вращения вперед во времени. Это справедливо для большинства приложений, поскольку гироскопы, как правило, намного более точны, чем знание возмущающих моментов, действующих на систему (что требуется для точной оценки угловой скорости).

Алгоритмы управления - это компьютерные программы, которые получают данные от датчиков транспортного средства и выдают соответствующие команды исполнительным механизмам для поворота транспортного средства в желаемое положение. Алгоритмы варьируются от очень простых, например пропорциональное управление, для сложных нелинейных оценщиков или многих промежуточных типов, в зависимости от требований миссии. Обычно алгоритмы управления ориентацией являются частью программного обеспечения, работающего на аппаратном обеспечении, которое принимает команды с земли и форматирует данные транспортного средства телеметрию для передачи на землю. станция.

Алгоритмы управления ориентацией написаны и реализованы на основе требований для конкретного маневра ориентации. Помимо реализации пассивного управления ориентацией, такого как стабилизация градиента силы тяжести, в большинстве космических аппаратов используется активное управление, которое имеет типичный контур управления ориентацией. Схема алгоритма управления зависит от привода, который будет использоваться для конкретного маневра ориентации, хотя и с использованием простого пропорционально-интегрально-производного регулятора (ПИД-регулятор ) удовлетворяет большинство потребностей в управлении.

Соответствующие команды исполнительным механизмам получаются на основе сигналов ошибки, описываемых как разница между измеренным и желаемым положением. Сигналы ошибки обычно измеряются как углы Эйлера (Φ, θ, Ψ), однако альтернатива этому может быть описана в терминах матрицы направляющего косинуса или кватернионов ошибки . Наиболее распространенный ПИД-регулятор реагирует на сигнал ошибки (отклонение) в зависимости от положения следующим образом:

$T\; c\; (t)\; =\; K\; pe\; (t)\; +\; K\; i\; \int \; 0\; te\; (\tau )\; d\; \tau \; +\; K\; de\; \dot{}\; (\; t),\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{c\}\; (t)\; =\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{p\}\}\; e\; (t)\; +\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{i\}\}\; \backslash \; int\; \_\; \{0\}\; ^\; \{t\}\; e\; (\backslash \; tau)\; \backslash ,\; d\; \backslash \; tau\; +\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{d\}\}\; \{\backslash \; dot\; \{e\}\}\; (t),\}$

где $T\; c\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{c\}\}$- управляющий крутящий момент, $e\; \{\backslash \; displaystyle\; e\}$- сигнал отклонения положения, а $K\; p,\; K\; i,\; K\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{p\}\},\; K\_\; \{\backslash \; text\; \{i\}\},\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{d\}\}\}$- параметры ПИД-регулятора.

Простым воплощением этого может быть применение пропорционального управления для наведения надира с использованием в качестве исполнительных механизмов либо импульсных, либо реактивных колес. Основываясь на изменении количества движения колес, закон управления может быть определен в трех осях x, y, z как

$T\; cx\; =\; -\; K\; q1\; q\; 1\; +\; K\; w1\; wx,\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{c\}\; x\; =\; -K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{q1\}\}\; q\_\; \{1\}\; +\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{w1\}\}\; \{w\_\; \{x\}\},\}$

$T\; cy\; =\; -\; K\; q2\; q\; 2\; +\; K\; w2\; wy,\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{c\}\; y\; =\; -K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{q2\}\}\; q\_\; \{2\}\; +\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{w2\}\}\; \{w\_\; \{y\}\},\}$

$T\; cz\; =\; -\; K\; q3\; q\; 3\; +\; K\; w3\; wz,\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{c\}\; z\; =\; -K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{q3\}\}\; q\_\; \{3\}\; +\; K\; \_\; \{\backslash \; text\; \{w3\}\}\; \{w\_\; \{z\}\},\}$

Этот алгоритм управления также влияет на импульс сброс.

Другой важный и распространенный алгоритм управления включает в себя концепцию отсечки, которая уменьшает угловой момент космического корабля. Необходимость разобрать космический корабль возникает из неконтролируемого состояния после выхода из ракеты-носителя. Большинство космических аппаратов на низкой околоземной орбите (НОО) используют концепцию магнитной отсечки, в которой используется эффект магнитного поля Земли. Алгоритм управления называется контроллером B-Dot и основан на магнитных катушках или торсионных стержнях в качестве исполнительных механизмов управления. Закон управления основан на измерении скорости изменения сигналов закрепленного на теле магнитометра.

$m\; =\; -\; KB\; \dot{}\; \{\backslash \; displaystyle\; m\; =\; -K\; \{\backslash \; dot\; \{B\}\}\}$

где $m\; \{\backslash \; displaystyle\; m\}$- заданный магнитный дипольный момент магнитный крутящий момент, а $K\; \{\backslash \; displaystyle\; K\}$- пропорциональное усиление, а $B\; \dot{}\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; dot\; \{B\}\}\}$- скорость изменения магнитного поля Земли.

Управление ориентацией может быть получено с помощью нескольких механизмов, а именно:

Подруливающие устройства

Подруливающие устройства Вернье являются наиболее распространенными приводами, поскольку они могут использоваться также для содержания станции. Подруливающие устройства должны быть организованы как система, обеспечивающая стабилизацию по всем трем осям, и по крайней мере два подруливающих устройства обычно используются на каждой оси для обеспечения крутящего момента в виде пары, чтобы предотвратить передачу смещения к автомобилю. Их ограничения - это расход топлива, износ двигателя и циклы регулирующих клапанов. Топливная эффективность системы ориентации определяется ее удельным импульсом (пропорциональным скорости истечения) и наименьшим импульсом крутящего момента, который она может обеспечить (который определяет, как часто двигатели должны срабатывать, чтобы обеспечить точное управление). Двигатели должны быть запущены в одном направлении, чтобы начать вращение, и снова в противоположном направлении, если необходимо сохранить новую ориентацию. Системы двигателей используются на большинстве пилотируемых космических аппаратов, включая Восток, Меркурий, Близнецы, Аполлон, Союз <214.>и космический шаттл.

. Чтобы минимизировать ограничение по топливу для продолжительности полета, можно использовать вспомогательные системы ориентации для уменьшения вращения транспортного средства до более низких уровней, такие как небольшие ионные двигатели, которые ускоряют ионизированные двигатели. газы электрически до экстремальных скоростей, используя энергию от солнечных батарей.

Стабилизация вращения

Весь космический аппарат может быть раскручен для стабилизации ориентации отдельной оси аппарата. Этот метод широко используется для стабилизации последней ступени ракеты-носителя. Весь космический корабль и прикрепленный к нему твердотопливный ракетный двигатель раскручиваются вокруг оси тяги ракеты на «вращающемся столе», ориентированном системой управления ориентацией нижней ступени, на которой установлен вращающийся стол. Когда будет достигнута конечная орбита, спутник можно выключить различными способами или оставить вращаться. Стабилизация вращения спутников применима только к тем миссиям, в которых первичная ось ориентации не требует значительных изменений в течение срока службы спутника и не требует чрезвычайно высокой точности наведения. Это также полезно для миссий с инструментами, которые должны сканировать звездное поле, поверхность или атмосферу Земли. См. спутник со стабилизированным вращением.

Колеса Momentum

Это роторы с приводом от электродвигателя , которые вращаются в направлении, противоположном направлению, необходимому для изменения ориентации транспортного средства. Поскольку импульсные колеса составляют небольшую часть массы космического корабля и управляются компьютером, они обеспечивают точное управление. Колеса Momentum обычно подвешены на магнитных подшипниках, чтобы избежать трения подшипников и проблем с поломкой. Для сохранения ориентации в трехмерном пространстве необходимо использовать минимум три с дополнительными блоками, обеспечивающими защиту от единичного отказа. См. Углы Эйлера.

Гироскопы управляющего момента

Это роторы, вращающиеся с постоянной скоростью, установленные на стабилизаторах для обеспечения контроля ориентации. Хотя CMG обеспечивает управление двумя осями, ортогональными оси вращения гироскопа, для трехосного управления по-прежнему требуются два блока. CMG немного дороже с точки зрения стоимости и массы, потому что должны быть предоставлены карданы и их приводные двигатели. Максимальный крутящий момент (но не максимальное изменение углового момента), создаваемый CMG, больше, чем для импульсного колеса, что делает его более подходящим для больших космических кораблей. Главный недостаток - дополнительная сложность, увеличивающая количество точек отказа. По этой причине Международная космическая станция использует набор из четырех групп CMG для обеспечения двойной отказоустойчивости.

Солнечные паруса

Маленькие солнечные паруса (устройства, которые создают тягу в качестве силы реакции, вызванной отражением падающего света) могут использоваться для небольшого управления ориентацией и корректировки скорости. Это приложение может сэкономить большое количество топлива при длительной миссии, создавая контрольные моменты без расхода топлива. Например, Mariner 10 скорректировал свое положение, используя солнечные элементы и антенны в качестве небольших солнечных парусов.

Стабилизация гравитационного градиента

На орбите космический аппарат, одна ось которого намного длиннее двух других, самопроизвольно ориентируется так, чтобы его длинная ось указывала на центр масс планеты. Эта система имеет то достоинство, что не требует активной системы контроля или расхода топлива. Эффект вызван приливной силой. Верхняя часть автомобиля испытывает меньшее гравитационное притяжение, чем нижняя часть. Это обеспечивает восстанавливающий крутящий момент, если длинная ось не совпадает с направлением силы тяжести. Если не предусмотрены какие-либо средства демпфирования, космический аппарат будет колебаться вокруг местной вертикали. Иногда тросы используются для соединения двух частей сателлита, чтобы увеличить стабилизирующий момент. Проблема с такими тросами в том, что метеороиды размером с песчинку могут их разорвать.

Магнитные крутящие моменты

Катушки или (на очень маленьких спутниках) постоянные магниты создают момент против местного магнитного поля. Этот метод работает только там, где есть магнитное поле, на которое можно реагировать. Одна классическая «катушка» поля фактически имеет форму проводящей троса в планетарном магнитном поле. Такой проводящий трос может также генерировать электроэнергию за счет орбитального распада. И наоборот, создавая противоток и используя энергию солнечных батарей, можно поднять орбиту. Из-за огромной изменчивости магнитного поля Земли от идеального радиального поля законы управления, основанные на крутящих моментах, связанных с этим полем, будут в высшей степени нелинейными. Более того, в любой момент времени доступно только двухосное управление, что означает, что может потребоваться переориентация транспортного средства, чтобы обнулить все скорости.

Чисто пассивное управление ориентацией

Существует два основных типа пассивного управления для спутников. Первый использует градиент силы тяжести, и это приводит к четырем стабильным состояниям с длинной осью (осью с наименьшим моментом инерции), направленной к Земле. Поскольку эта система имеет четыре стабильных состояния, если спутник имеет предпочтительную ориентацию, например камера направлена ​​на планету, нужен способ перевернуть спутник и его трос. Другая пассивная система ориентирует спутник по магнитному полю Земли с помощью магнита. Эти чисто пассивные системы ориентации имеют ограниченную точность наведения, потому что космический аппарат будет колебаться около минимумов энергии. Этот недостаток преодолевается добавлением демпфера, который может быть выполнен из гистерезисных материалов или вязкого демпфера. Вязкий демпфер представляет собой небольшую емкость или резервуар с жидкостью, установленный в космическом корабле, возможно, с внутренними перегородками для увеличения внутреннего трения. Трение внутри демпфера будет постепенно преобразовывать энергию колебаний в тепло, рассеиваемое внутри вязкого демпфера.

• Авиационный портал
• Космический портал

• Продольная статическая устойчивость
• Направленная устойчивость
• Система управления реакцией