制御モーメントジャイロスコープ

コントロールモーメントジャイロスコープ（CMG）は、宇宙船の姿勢制御システムに一般的に使用される姿勢制御装置です。CMGは、回転するローターと、ローターの角運動量を傾ける1つ以上の電動ジンバルで構成されています。ローターが傾くと、角運動量の変化によってジャイロトルクが発生し、宇宙船が回転します。^{[1] [2]}

CMG はリアクションホイールとは異なります。後者はローターの回転速度を変えるだけでトルクを加えますが、前者は必ずしも回転速度を変えずにローターの回転軸を傾けます。CMG ははるかに電力効率に優れています。数百ワットと約 100 kg の質量で、大型 CMG は数千ニュートンメートルのトルクを生み出します。同様の能力を持つリアクションホイールにはメガワットの電力が必要になります。^[3]

最も効果的な CMGには、ジンバルが 1 つだけ含まれています。このような CMG のジンバルが回転すると、ローターの角運動量の方向の変化がトルクとなり、CMG が取り付けられている物体 (宇宙船など) に作用します。宇宙船の動きによる影響を除き、このトルクは制約によるものであるため、機械的な作業は行いません (つまり、エネルギーを必要としません)。シングルジンバル CMG は、非常に少ない電力で角運動量を交換するため、最小限の電気入力で非常に大きなトルクを加えることができます。

このような CMG には、ローターごとに 2 つのジンバルが含まれます。アクチュエータとしては、ローターの角運動量ベクトルを任意の方向に向けることができるため、シングル ジンバル CMG よりも汎用性があります。ただし、1 つのジンバルの動きによって生成されたトルクは、宇宙船に向かう途中でもう 1 つのジンバルによって反応する必要があることが多く、シングル ジンバル CMG よりも所定のトルクに対して多くの電力が必要になります。国際宇宙ステーションの場合のように、角運動量を質量効率よく保存することが目的である場合は、デュアル ジンバル CMG が設計上の適切な選択肢です。ただし、宇宙船が最小限の電力消費で大きな出力トルクを必要とする場合は、シングル ジンバル CMG の方が適しています。

ほとんどの CMG は、比較的小型のモーターを使用してローター速度を一定に保ち、動的カップリングと非保存効果による変化を相殺します。一部の学術研究では、CMG ジンバルのローター速度を増減する可能性に焦点を当てています。可変速 CMG (VSCMG) は、ローターからの出力トルクがジンバルの動きによって発生するトルクよりも通常ははるかに小さいため、作動能力を考えると実用的な利点はほとんどありません。従来の CMG と比較した場合の VSCMG の主な実用的な利点は、利用可能なローター トルクによって提供される追加の自由度であり、これは CMG 特異点の連続回避と VSCMG クラスターの再方向付けに利用できます。研究によると、これら 2 つの目的に必要なローター トルクは非常に小さく、従来の CMG ローター モーターの能力内です。^[4]したがって、VSCMG の実用的な利点は、CMG クラスター ステアリングと CMG ローター モーターの制御法則を変更した従来の CMG を使用して容易に利用できます。VSCMG は、フライホイールの 運動エネルギーとして電気エネルギーを蓄える機械式バッテリーとしても使用できます。

宇宙船に回転部品がある場合、それを CMG として利用または制御できます。

宇宙船の姿勢制御には、少なくとも 3 つの単軸 CMG が必要です。ただし、宇宙船が CMG をいくつ使用しても、ジンバルの動きによって、特定の方向に沿って使用可能な出力トルクを生成しない相対的な向きが生じる可能性があります。これらの向きは特異点として知られており、特定の関節の配置によりエンドエフェクタの速度に制限が生じるロボット システムの運動学に関連しています。これらの特異点を回避することは当然大きな関心事であり、いくつかの手法が提案されています。David Bailey らは (特許および学術出版物で)、これらの特異点に関連する「ゼロ除算」エラーを回避するだけで十分であると主張しています。^{[5] [6]}さらに最近の 2 つの特許では、競合するアプローチがまとめられています。^{[7] [8]}ジンバル ロックも参照してください。

CMG のクラスターは、特定の方向に最大量の角運動量を保持し、それ以上保持できないという意味で飽和状態になる可能性があります。

たとえば、2 つ以上のデュアル ジンバル CMG を搭載した宇宙船が、おそらく排気ガスの反動によって一時的な不要なトルクを経験し、前方軸を中心に時計回りに回転し、その軸に沿った角運動量が増加する傾向があるとします。次に、CMG 制御プログラムは、CMG のジンバル モーターに、ローターの回転軸を徐々に前方に傾けるように指示し、ローターの角運動量ベクトルが前方軸に近づくようにします。ローターの回転方向が徐々に変化する間、ローターは前方軸を中心に反時計回りになるジャイロ トルクを生成し、不要な排気ガス トルクに対して宇宙船を安定させます。

過渡トルクが終了すると、制御プログラムはジンバルの動きを停止し、ローターは以前よりも前方を向いたままになります。不要な前方角運動量の流入は CMG を経由してローターに排出され、合計角運動量ベクトルの前方成分は以前よりも大きくなります。

これらのイベントが繰り返されると、個々のローターの角運動量ベクトルは、前方方向にどんどん密集していきます。極限の場合、それらはすべて平行になり、CMG クラスターはその方向で飽和します。つまり、それ以上角運動量を保持できなくなります。CMG が最初に他の軸に関して角運動量を保持していなかった場合、前方軸に沿って正確に飽和します。ただし、(たとえば) CMG がすでに「上」(左ヨー) 方向に少し角運動量を保持していた場合、前方を指してわずかに上を向く軸に沿って飽和します (平行になります)。飽和はどの軸でも起こり得ます。

飽和状態では姿勢制御は不可能です。ジャイロ トルクは飽和軸に対して直角にしか生成できないため、その軸自体のロール制御は不可能になります。他の軸の制御にも大きな問題があります。たとえば、望ましくない左ヨーは、CMG ローターに「上向き」の角運動量を蓄積することによってのみ対処できます。これは、軸の少なくとも 1 つを上向きに傾けることによってのみ実行でき、これにより、合計角運動量の前方成分がわずかに減少します。蓄積できる「右ロール」前方角運動量が減ったため、宇宙船にいくらか放出する必要があり、望ましくない右ロールを開始せざるを得なくなります。^[a]

この制御不能に対する唯一の救済策は、宇宙船から余分な角運動量を取り除き、CMG を非飽和状態にすることです。これを行う最も簡単な方法は、反応制御システム(RCS) スラスタを使用することです。前方軸に沿った飽和の例では、RCS が点火され、その軸を中心に反時計回りのトルクを生成します。次に、CMG 制御プログラムは、ローター回転軸に前方方向から扇状に広がるように指示し、その結果として前方方向を中心に時計回りのジャイロ トルクが生成され、点火されている限り RCS に対抗し、宇宙船を安定させます。これは、CMG ローターから適切な量の前方角運動量が排出されるまで続けられます。これは、 RCS スラスタ排気口内の移動物質の運動量モーメントに変換され、宇宙船から運び去られます。^[b]

「飽和」は、2 台以上の CMG のクラスターにのみ適用できることは注目に値します。これは、それらのローターの回転が平行になることを意味するためです。単一の定速 CMG が飽和する可能性があると言うことは意味がありません。ある意味では、ローターがどの方向を向いていても、それは「永久に飽和」します。これは、最大設計速度で飽和に達するまで、より速く回転することで固定軸に沿ってますます多くの角運動量を吸収できる単一のリアクション ホイールとは対照的です。

飽和以外にも、望ましくないローター軸構成はあります。特に、反平行配置です。たとえば、2 つのデュアル ジンバル CMG を搭載した宇宙船で、1 つのローター回転軸が正面を向き、もう 1 つのローター回転軸が真後ろを向いている (つまり、最初の軸と反平行になっている) 状態になると、ロール制御がすべて失われます。これは、飽和の場合と同じ理由で発生します。ローターは、回転軸に対して直角のジャイロ トルクしか生成できず、このトルクには前後方向の成分がないため、ロールには影響しません。ただし、この場合、CMG はまったく飽和していません。CMG の角運動量は等しく反対であるため、蓄積された角運動量の合計はゼロになります。ただし、飽和の場合とまったく同じ理由で、CMG が反平行配置に近づくと、ロール制御はますます困難になります。

反平行構成では、ロール制御は失われますが、他の軸に関する制御は依然としてうまく機能します (飽和の場合とは対照的)。望ましくない左ヨーは、いくらかの「上」の角運動量を蓄えることで対処できます。これは、両方のローター回転軸をわずかに上向きに同じ量だけ傾けることで簡単に実行できます。前後の成分は依然として等しく反対であるため、前後の角運動量に変化はなく (依然としてゼロ)、したがって望ましくないロールは発生しません。実際、ローター軸が完全に反平行ではなくなり、いくらかのロール制御が回復するため、状況は改善されます。

したがって、反平行アライメントは飽和ほど深刻ではありませんが、それでも回避する必要があります。理論的には、CMG の数に関係なく可能です。一部のローターが特定の軸に沿って平行にアライメントされ、他のすべてのローターが正確に反対方向を向いている限り、飽和は発生しませんが、その軸の周りのロール制御は発生しません。3 つ以上の CMG を使用すると、ローター間で既存の合計角運動量を再分配するだけで、状況はすぐに修正できます (合計がゼロであっても)。^[c]実際には、CMG 制御プログラムは、そもそも状況が発生するのを回避するために、合計角運動量を継続的に再分配します。

最初の例のように、クラスター内に CMG が 2 つしかない場合、蓄積された角運動量の合計がゼロに達すると、反平行配置が必然的に発生します。解決策としては、RCS 点火などを使用して、角運動量をゼロから遠ざけることです。これはあまり満足のいくものではなく、実際には CMG を使用するすべての宇宙船には少なくとも 3 つの CMG が装備されています。ただし、故障後にクラスターに機能する CMG が 2 つしか残らない場合があり、制御プログラムはこの状況に対処できなければなりません。

1973 年にスカイラブで打ち上げられたような古い CMG モデルでは、固定された機械式ストップ間のジンバル移動が制限されていました。スカイラブ CMG では、内側のジンバルではゼロからプラスマイナス 80 度、外側のジンバルではプラス 220 度からマイナス 130 度までが制限されていました (つまり、ゼロは移動の中心から 45 度オフセットされていました)。内側の角度を「緯度」、外側の角度を「経度」として視覚化すると、個々の CMG には「北極と南極」に半径 10 度の緯度を持つ「死角」があり、プラス 135 度の「経度」ラインを中心に極から極まで 10 度の「経度」幅の「死角帯」があることがわかります。これらの「死角」は、ローターの回転軸が決して向けられない方向を表しています。^{[9] : 11}

スカイラブは 3 つの CMG を搭載しており、そのケース (つまりジンバルがゼロに設定されている場合はローター軸) は互いに直交する 3 つの方向を向いていた。これにより、6 つの「極盲点」が互いに 90 度離れていることが保証された。45 度のゼロオフセットにより、外側のジンバルの 3 つの「盲点」が隣接する「極盲点」の中間を通過し、互いに最大距離を保つことが保証された。全体的な配置により、3 つの CMG の「盲点」が重なることがなく、3 つのローター回転のうち少なくとも 2 つを任意の方向に向けることができるようになった。^{[9] : 4}

CMG制御プログラムは、3つのローター間で角運動量を再分配して大きなジンバル角度をゼロに近づけることで、ジンバルがストッパーにぶつからないようにする役割を担っていた。保存される角運動量の合計は3つの自由度しかなかったが、制御プログラムは6つの独立変数（3組のジンバル角度）を変更できたため、反平行配置を避けるなどの他の制約に従いながら、これを実行するための十分な自由度がプログラムにはあった。^{[9] : 5}

スカイラブのような制限されたジンバルの動きの利点の 1 つは、特異点がそれほど問題にならないことです。スカイラブの内部ジンバルがゼロから 90 度以上離れることができていたら、「北極と南極」が特異点になっていた可能性がありますが、ジンバル ストップがこれを防止しました。

2000 年にISS に設置された4 台のユニットなどの最新の CMG は、ジンバル移動が無制限であるため、「死角」がありません。したがって、相互に垂直な方向を向いて取り付ける必要はなく、ISS の 4 台のユニットはすべて同じ方向を向いています。制御プログラムはジンバル ストップを考慮する必要はありませんが、一方で特異点を回避することにさらに注意を払う必要があります。

1973年5月に打ち上げられたスカイラブは、姿勢制御用の大型CMGを搭載した最初の有人宇宙船でした。^{[10] 3つのデュアルジンバルCMGが、ステーションの側面にある風車型の太陽電池パネルアレイの中心にある}アポロ望遠鏡マウントの機器ラックに取り付けられました。それらは、ケーシング（つまり、すべてのジンバルがゼロ位置にあるときのローター）が3つの相互に垂直な方向を向くように配置されていました。ユニットはデュアルジンバルであったため、各ユニットはローター軸に直角の任意の軸の周りにトルクを生成でき、ある程度の冗長性を提供しました。3つのうちの1つが故障しても、残りの2つを組み合わせることで、一般に任意の軸の周りにトルクを生成することができました。^[9]

CMGはサリュート宇宙ステーションとミール宇宙ステーションの姿勢制御に使用され、ジャイロダインと呼ばれていました（ロシア語のгиродин girodinに由来。この言葉は、特にロシアの乗組員によってISSのCMGを指すためにも時々使用されます）。^{[11] CMGは1974年に}サリュート3号で初めてテストされ、サリュート6号以降は標準コンポーネントとして導入されました。^[12]

完成したミール基地には全部で18個のジャイロダインが設置されており、最初はクヴァント1モジュールの加圧された内部に6個設置されていた。[13] 後にクヴァント2の加圧されていない外部にさらに6個設置さ^れた。NPOエネルギアによると、ジャイロダインを外部に設置したのは間違いだったという。ジャイロダインの交換がはるかに困難になったためだ。^[14] 3番目のジャイロダインセットはミール18の期間中にクリスタルに設置された。 ^[15]

ISS は、通常の飛行モード操作中の主要な駆動装置として、Z1 トラス^[16]に取り付けられた合計 4 つの CMG を使用しています。CMG 飛行制御システムの目的は、地球の表面に対して宇宙ステーションの姿勢を一定に保つことです。さらに、重力勾配、大気抵抗、太陽圧、地磁気相互作用によるトルクの寄与が最小になるトルク平衡姿勢 (TEA) を目指します。これらの環境擾乱が継続的に発生すると、CMG は角運動量を吸収して宇宙ステーションを所定の姿勢に維持しようとします。CMG は最終的に飽和し (角運動量が蓄積しきれなくなるまで蓄積する)、CMG アレイによる制御の有効性が失われます。CMG が所定の姿勢を保持できるようにし、同時に CMG の飽和を防ぐには、何らかの角運動量管理スキーム (MMS) が必要です。外部トルクがない場合、CMG は合計を変えることなく CMG 同士の間でのみ角運動量を交換できるため、外部制御トルクを使用して CMG を脱飽和させる、つまり角運動量を公称値に戻す必要があります。CMG の角運動量を解放する方法には、磁気トルク、反動スラスタ、重力勾配トルクの使用などがあります。宇宙ステーションでは、消耗品や外部ハードウェアを必要とせず、ISS の重力勾配トルクが非常に高くなる可能性があるため、重力勾配トルク アプローチが好まれます^{[要出典] 。 [17]} CMG の飽和は船外活動中に観測されており、望ましい姿勢を維持するために推進剤を使用する必要があります。^{[18] 2006 年と 2007 年には、CMG ベースの実験で、ISS の姿勢を 90° と 180° 調整するための}ゼロ推進剤操作の実行可能性が実証されました。^[19] 2016年までに、CMGベースの姿勢調整を使用して4回のソユーズドッキング解除が行われ、かなりの燃料節約につながりました。^[20]

天宮には合計6基のCMGがあり、天河コアモジュールに搭載されており、側面に丸い部分が見える。

2016年現在、 ISSのロシア軌道セグメントには独自のCMGが搭載されていない。しかし、提案されているがまだ構築されていない科学および電力モジュール（NEM-1）には、いくつかの外部搭載型CMGが装備される予定である。^{[21] NEM-1は、2016年から2025年のロシア計画内のいずれかの時点で完成および打ち上げが予定されている小型の}ウズロボイモジュールまたはノードモジュールの側面ポートの1つに搭載される。その双子のNEM-2（完成した場合）は、後にもう一方の側面UMポートに対称的に搭載される予定である。

2015年2月24日、ロスコスモスの科学技術評議会は、ISSの廃止後（当時は2024年の予定）に新しいロシアのモジュールを切り離し、OPSEKと呼ばれる全ロシアの小さな宇宙ステーションの中核を形成すると発表した。^{[22] [23]}この計画が実行されれば、NEM-1（および建設されればNEM-2）のCMGが新しいロシアのステーションの姿勢制御を行うことになる。

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  制御モーメントジャイロスコープ
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  制御モーメントジャイロスコープの図（カバーを外した状態）

提案された宇宙居住地アイランド3は、正味運動量がゼロのCMGではなく、2つの逆回転居住地を利用するように設計されており、そのため姿勢制御スラスタは不要である。^[24]

• 外洋船舶の横揺れを安定させるシステムであるアンチローリングジャイロ
• リアクションホイール
• CMG を使用した宇宙ステーション、スカイラブ

CMG の応用と基礎研究はいくつかの機関で行われています。

• ジョージア工科大学のパナギオティス・ツィオトラス氏は、フライホイールエネルギー貯蔵に関連した可変速CMGを研究し、それに基づいた宇宙船シミュレータを構築しました。教員ページ
• バージニア工科大学のクリストファー・ホール氏も宇宙船シミュレーターを製作した。教員ページ
• テキサスA&M大学のジョン・ジャンキンスとスリニヴァス・ヴァダリは、特異点回避に使用するためのVSCMGに関する論文を執筆しました。教員ページ
• コーネル大学のメイソン・ペックはバイオレット宇宙船でCMG駆動ナノサットを研究しています: バイオレットプロジェクトページ
• フロリダ大学の宇宙システムグループは、ノーマン・フィッツコイ教授の指導の下、超小型衛星や超小型衛星用のCMGの開発と、特異点回避SSGのさまざまな操縦ロジックについて研究してきました。
• 海軍大学院のブリジ・アグラワル教授は2つの宇宙船シミュレーターを製作しており、そのうち少なくとも1つはCMGを使用している。[1] ^{[永久リンク切れ]}
• ハネウェル・ディフェンス・アンド・スペース・システムズは、[リンク切れ] コントロール・モーメント・ジャイロの研究を行っています。また、CMG で駆動する宇宙船シミュレータも開発しています: [リンク切れ] CMG テストベッド ビデオ
• 海軍大学院のマルチェロ・ロマーノは可変速CMGを研究し、宇宙船の接近操縦の実験室実験用のミニシングルジンバル制御モーメントジャイロを開発しました。