Магнітний рушій () — система для контролю орієнтації, та стабілізації штучного супутника, побудована з електромагнітних котушок. Магнітний рушій створює магнітний момент, який взаємодіє з навколишнім магнітним полем, зазвичай земним, і результуючий момент сили впливає на обертання супутника.

Принцип дії

Магнітні рушії — це системи електромагнітів, розташованих так, щоб створювати обертово несиметричне (анізотропне) магнітне поле на певній площі. Цим полем керують, вмикаючи або вимикаючи подачу струму через котушки, зазвичай за допомогою комп'ютеризованої системи зворотного зв'язку та керування. Магніти жорстко закріплені на апараті, тому магнітна сила, з якою вони взаємодіють із зовнішнім магнітним полем, створює силу протидії й механічний крутний момент відносно центра мас апарата. Це дає змогу орієнтувати апарат у відомому магнітному полі, використовуючи лише електричну енергію.

Магнітний дипольний момент, який створює магнітний рушій, визначають за формулою

де n — кількість витків провідника, I — сила струму, A — вектор площі котушки. Магнітний момент взаємодіє з магнітним полем, унаслідок чого виникає крутний момент

де m — вектор магнітного моменту, B — вектор магнітного поля (для космічного апарата — вектор магнітного поля Землі), τ — вектор крутного моменту.

Конструкція

Магнітний рушій складається з котушки із заданою площею та кількістю витків, які визначають відповідно до потрібних характеристик. Існує кілька способів реалізації такої котушки, тому розрізняють три основні типи магнітних рушіїв, що зовні відрізняються за конструкцією, але ґрунтуються на спільному принципі: Магнітний рушій із повітряним осердям реалізує базовий принцип — провідник намотаний на немагнітну основу, закріплену на супутнику. Такий магнітний рушій забезпечує стабільний магнітний дипольний момент за прийнятної маси та габаритів. Вбудована котушка спіральну доріжку формують безпосередньо в шарах друкованих плат сонячних панелей, що заміняє собою котушку. Це рішення найменше впливає на конструкцію супутника, оскільки повністю інтегроване в панелі. Водночас через обмеження товщини плати та наявність інших електронних компонентів неможливо досягти великого значення магнітного моменту.

Магнітний стрижень найефективніше рішення. Провідник намотують на феромагнітне осердя, яке намагнічується під час проходження струму через котушку й створює значно більший дипольний момент, ніж інші варіанти. Недоліком є залишковий магнітний дипольний момент, що зберігається після вимкнення струму через гістерезис на кривій намагнічування осердя. Тому осердя потрібно розмагнічувати відповідною процедурою. Зазвичай наявність осердя (часто з важкого металу) збільшує масу системи.

Зазвичай застосовують три котушки, хоча для спрощених конфігурацій достатньо двох або навіть однієї, якщо повне керування орієнтацією не потрібне або якщо зовнішні сили, зокрема асиметричний аеродинамічний опір, дають змогу реалізувати . Три котушки зазвичай розміщують взаємно перпендикулярно, що вирівнює обертову симетрію створюваних полів: незалежно від взаємного положення зовнішнього поля й апарата можна отримати приблизно однаковий крутний момент, змінюючи силу струму в кожній із трьох котушок.

Переваги

Магнітні рушії мають малу масу, вирізняються надійністю та енергоефективністю. На відміну від ракетних двигунів (тягових установок), вони не потребують витрат палива, тому теоретично можуть працювати необмежено довго, якщо наявна достатня електрична потужність для компенсації омічного опору котушок. На навколоземній орбіті практично невичерпним джерелом енергії є сонячне випромінювання, яке використовують за допомогою сонячних панелей.

Ще одна перевага порівняно з маховими колесами та гіродинами полягає у відсутності рухомих частин, що істотно підвищує надійність.

Недоліки

Головний недолік магнітних рушіїв полягає в тому, що для швидкого повороту великих апаратів потрібна дуже висока магнітна індукція. Це вимагає або дуже великого струму в котушках, або значно більшої густини зовнішнього магнітного потоку, ніж та, що доступна на навколоземній орбіті. Тому створювані крутні моменти обмежені й зазвичай лише поступово змінюють орієнтацію космічного апарата. З часом активне керування може розкрутити апарат навіть на орбіті Землі, однак для точного керування та стабілізації орієнтації таких моментів часто недостатньо. Щоб компенсувати цей недолік, магнітні рушії зазвичай поєднують із реакційними колесами.

Іншим суттєвим обмеженням є залежність від напруженості магнітного поля Землі, через що цей підхід непридатний для місій у далекому космосі та ефективніший на низьких навколоземних орбітах, ніж на вищих, зокрема геостаціонарних. Значна змінність магнітного поля Землі ускладнює задачу керування орієнтацією, роблячи її суттєво нелінійною. Крім того, навіть за наявності трьох взаємно перпендикулярних котушок неможливо керувати орієнтацією незалежно за всіма трьома осями, оскільки крутний момент виникає лише в напрямках, перпендикулярних до вектора магнітного поля Землі.

Будь-який супутник, що обертається та має провідний корпус, втрачатиме кутовий момент у магнітному полі Землі через виникнення в його тілі вихрових струмів і відповідну гальмівну силу, пропорційну швидкості обертання. Певну роль можуть відігравати й втрати на аеродинамічне тертя. Це означає, що магнітний рушій має працювати практично безперервно з рівнем потужності, достатнім для компенсації наявних сил опору. За енергетичних обмежень апарата це не завжди можливо.

Можлива магнітна взаємодія окремих супутників. Так припускають, що кубсат  — спільний проєкт MXL та JPL — після запуску 28 жовтня 2011 року магнітно «зчепився» з іншим кубсатом — через потужні бортові магніти, призначені для пасивного керування орієнтацією. Це перший відомий випадок неруйнівного з'єднання двох супутників.

Примітки