Vodenje in stabilizacija satelita v magnetnem polju
Spacecraft altitude control and stabilization analysis
APLIKACIJA: satelitske tehnologije
SODELUJOČA SREDNJA ŠOLA: Gimnazija Ravne na Koroškem
RAZISKOVALNA SKUPINA: Klemen Žlebnik, Blaž Kuhelnik, Jaša Pavše
MENTOR: Peter Sekolonik, prof.
Plakat, ki je bil predstavljen na konferenci Small Satellites Systems and Services – The 4S Symposium v Portorožu od 4. do 8. junija 2012.
Vsaka naprava v vesolju, kot so vesoljske postaje in sateliti potrebujejo nadzorne sisteme za obračanje in stabilizacijo. Majhni sateliti postajajo vse bolj priljubljeni za slikanje, daljinsko zaznavanje, obvladovanje nesreč, itd. Za opravljanje takšnih nalog potrebujejo okretne sisteme krmiljenja v prostoru.
V raziskovalni nalogi predstavljamo dva načina kontrole in stabilizacije satelitov. Izdelali smo dva modela, ki lebdita v magnetnem polju. Pri prvem smo za kontrolo uporabili reakcijsko kolo, pri drugem pa par žiroskopov.
Slika 1: Idejna zasnova ogrodja modela satelita.
– Za začetek smo preučili internetne članke in fizikalno literaturo s tega področja (predvsem o krmiljenju in žiroskopih).
– Obračanje in stabilizacija obeh modelov satelita temelji na ohranitvi vrtilne količine. Elektromagnet privlači ali odbija na model pritrjen magnet. Vezje nad tuljavo regulira višino.
Slika 2: Pri prvem modelu smo uporabili reakcijsko kolo, ki lahko vrti model okrog navpične osi. Ko se reakcijsko kolo vrti v eno smer, se model zaradi ohranitve vrtilne količine vrti v nasprotni smeri.
Slika 3: Pri drugem modelu smo uporabili dve enojno vpeti vrtavki, ki sta postavljeni pod kotom 45 stopinj. Z njima lahko vrtimo in stabiliziramo model okrog dveh osi.
– Raziskali smo lastnosti izdelanih modelov. Merili smo: vztrajnostni moment, kotni pospešek in doseženo hitrost vrtenja.
Slika 4: Meritve vztrajnostnega momenta.
Slika 5: Graf vrednosti kota (vijolična) in kotne hitrosti (rdeče) v odvisnosti od časa.
Ugotovili smo, da so reakcijska kolesa preprostejša, a imajo tehnične omejitve. Njihov navor je manjši, zato vrtijo satelite počasneje. Zaradi zunanjih navorov se začnejo sčasoma hitro vrteti in jih je treba z drugim navorom zaustaviti (npr. s šobami) . Kontrola satelitov z vrtavkami je bolj zapletena, vendar tudi bolj natančna. Potrebne so vsaj tri vrtavke za obračanje in stabilizacijo satelita v treh oseh. Navor vrtavk na satelit je večji kot pri reakcijskem kolesu in lahko hitreje zavrtijo satelit.
Video 1: Model satelita z dvema enojno vpetima vrtavkama.
Video 2: Model satelita z reakcijskim kolesom.