マグネトルカー

磁気トルカーまたは磁気トルカー（トルクロッドとも呼ばれる）は、姿勢制御、デタンブリング、安定化のための衛星システムで、電磁コイルで構築されています。磁気トルカーは、周囲の磁場（通常は地球の磁場）と相互作用する磁気双極子を作成し、生成された反力が有用なトルクを提供します。

磁気トルク装置は、広範囲に回転非対称 (異方性) 磁場を発生させるように配置された電磁石のセットです。この磁場は、通常、コンピューターによるフィードバック制御の下で、コイルを流れる電流のオン/オフを切り替えることで制御されます。磁石自体は機械的に船体に固定されているため、周囲の磁場に及ぼす磁力は磁気逆力につながり、船の重心の周りに機械的なトルクが発生します。これにより、電気エネルギーのみを使用して、磁場の 既知の局所勾配内で船体を自由に回転させることができます。

磁気トルク発生器によって生成される磁気双極子は、次の式で表される。

${\displaystyle \mathbf {m} =nI\mathbf {A} ,}$

ここで、nはワイヤの巻き数、Iは供給される電流、Aはコイルのベクトル面積です。双極子は磁場と相互作用してトルクを生成します。

${\displaystyle {\boldsymbol {\tau}}=\mathbf {m} \times \mathbf {B} ,}$

ここで、mは磁気双極子ベクトル、B は磁場ベクトル（宇宙船の場合は地球磁場ベクトル）、τ は生成されるトルク ベクトルです。

磁気トルク発生器の構造は、要求される性能に応じて、決められた面積と巻き数を持つコイルを実現することに基づいています。しかし、コイルを得るにはさまざまな方法があり、したがって、構造戦略に応じて、一見互いに大きく異なるが同じ概念に基づく3種類の磁気トルク発生器が存在します。^[1]

空芯磁気トルク装置

これは、衛星に固定された非導電性の支持材に導電性のワイヤを巻き付ける磁気トルク装置の基本概念です。この種類の磁気トルク装置は、許容可能な質量と負担で一貫した磁気双極子を提供できます。

埋め込みコイル

これは、コイルの効果を生み出すソーラーパネルのPCB内に螺旋状のトレースを作成するように構築されています。このソリューションは、完全にソーラーパネル内に収まるため、衛星への影響が最も少ないソリューションです。ただし、ボードの厚さの物理的な制限と、他の回路や電子部品の存在により、磁気双極子の値を高くすることはできません。

トルクロッド

これは最も効率的なソリューションです。コイルによって励起されると磁化される強磁性コアの周りに導電ワイヤが巻かれ、他のソリューションよりもかなり高い双極子が生成されます。ただし、コアの磁化曲線のヒステリシスにより、コイルをオフにしても残留磁気双極子が残るという欠点があります。そのため、適切な消磁手順でコアを消磁する必要があります。通常、コア (通常は重金属で構成) が存在すると、システムの質量が増加します。

通常は 3 つのコイルが使用されますが、完全な姿勢制御が必要ない場合や、非対称抗力などの外力によってアンダーアクチュエート制御が可能な場合は、2 つまたは 1 つの磁石の縮小構成でも十分です。3 つのコイル アセンブリは通常、3 つの直交コイルの形をとります。これは、この構成により、生成できる磁場の回転対称性が均等化されるためです。外部磁場と機体が互いに対してどのように配置されているかに関係なく、3 つの異なるコイルに異なる量の電流を使用するだけで、ほぼ同じトルクを常に生成できます。

電流がコイルを通過し、宇宙船が外部磁場に対して固定された方向に安定していない限り、宇宙船の回転は継続します。 ^{[引用が必要]}

非常に小型の衛星では、コイルの代わりに永久磁石が使用される場合があります。 ^{[引用が必要]}

磁気トルカーは軽量で信頼性が高く、エネルギー効率に優れています。スラスタとは異なり、消耗品である推進剤を必要としないため、コイルの抵抗負荷に見合う十分な電力が供給されている限り、理論上は無期限に作動します。地球軌道上では、太陽光は太陽電池パネルを使用した、実質的に無尽蔵のエネルギー源の 1 つです。

運動量ホイールや制御モーメントジャイロスコープに比べてもう一つの利点は、可動部品がないため、信頼性が大幅に高くなることです。

磁気トルク装置の主な欠点は、大型の宇宙船を素早く方向転換させる場合、非常に高い磁束密度が必要になることです。このためには、コイルに非常に高い電流を流すか、地球の軌道で利用できるよりもはるかに高い周囲の磁束密度が必要になります。その結果、提供されるトルクは非常に限られており、宇宙船の姿勢の変化をわずかに加速または減速するだけです。時間の経過とともに、能動制御により地球上でも高速スピンを実現できますが、正確な姿勢制御と安定化には、提供されるトルクが不十分な場合がよくあります。これを克服するために、磁気トルク装置はリアクションホイールと組み合わせられることがよくあります。

より広範な欠点は、地球の磁場強度に依存するため、このアプローチは深宇宙ミッションには不向きであり、静止軌道などの高軌道よりも低軌道に適している。地球の磁場の強度が大きく変動することへの依存は、姿勢制御の問題が高度に非線形になるため問題となる。また、トルクは地球の磁場ベクトルに垂直にしか生成できないため、3つのコイルすべてを使用したとしても、3軸すべてで姿勢を制御することは不可能である。^{[3] [4]}

導電性材料で作られた回転する衛星は、その本体内で渦電流が発生し、それに応じて回転速度に比例したブレーキ力が発生するため、地球の磁場内で回転運動量を失います。 ^[5] 空気 摩擦損失も一因となります。つまり、磁気トルク発生装置は、存在する抵抗力に対抗するのに十分な電力レベルで継続的に動作させる必要があります。これは、船舶のエネルギー制約内で常に可能であるとは限りません。

ミシガン探査研究所（MXL）は、MXLとJPLの共同プロジェクトであるM-Cubed CubeSatが、 2011年10月28日の展開後に、受動的な姿勢制御に使用される強力な搭載磁石を介して、同時に放出された2番目のCubeSatであるExplorer-1 Primeと磁気的に結合したと疑っています。 ^[6] これは、2つの衛星が非破壊的に結合した最初のケ​​ースです。^[7]

• 重力勾配安定化、受動的な安定化技術