リアクションホイール

リアクションホイール（RW）はフライホイールに取り付けられた電気モーターで、回転速度が変化すると、角運動量保存則によって比例して逆回転を引き起こします。^{[1]リアクションホイールは}質量の中心を中心に回転することしかできず、ある場所から別の場所に移動することはできません（並進力）。^[要出典]

リアクションホイールは主に宇宙船の3軸姿勢制御に使用され、ロケットや外部トルク供給装置を必要としないため、燃料に必要な質量分率が低減します。リアクションホイールは高い指向精度を提供し、^{[2] : 362}、望遠鏡を星に向け続けるなど、宇宙船を非常に小さな量だけ回転させなければならない場合に特に便利です。

リアクションホイールは、衛星に大量の角運動量を蓄積するために、一定（またはほぼ一定）の回転速度で動作することがあります。これにより、宇宙船の回転ダイナミクスが変化し、衛星の1つの軸（ホイールの回転軸に平行な軸）に垂直な擾乱トルクが、擾乱トルクと同じ軸の周りの宇宙船の角運動を直接引き起こすことはありません。代わりに、垂直軸の周りのその宇宙船の軸の（通常はより小さな）角運動（歳差運動）を引き起こします。これにより、その宇宙船の軸がほぼ固定された方向を指すように安定化する傾向があり、^{[2] : 362}姿勢制御システムの複雑さを軽減できます。この「運動量バイアス」安定化アプローチを使用する衛星には、SCISAT-1が含まれます。この衛星は、運動量ホイールの軸を軌道法線ベクトルと平行になるように配向することにより、「ピッチ運動量バイアス」構成になっています。

3軸制御の場合、リアクションホイールは少なくとも3方向に沿って取り付けられ、追加のホイールによって姿勢制御システムに冗長性が提供されます。冗長マウント構成は、四面体軸に沿った4つのホイールで構成するか、^[3] 3軸構成に加えてスペアホイールを搭載することができます。^{[2] : 369}速度の変化（どちらの方向でも）は、コンピューターによって電子的に制御されます。リアクションホイールに使用される材料の強度によって、ホイールが分離する速度が決まり、したがってホイールが蓄積できる角運動量が決まります。

リアクション ホイールは宇宙船の総質量のほんの一部であるため、その速度を一時的に変化させることは容易で、角度の変化もわずかです。したがって、ホイールによって宇宙船の姿勢を非常に正確に変えることができます。このため、リアクション ホイールはカメラや望遠鏡を搭載した宇宙船の方向を定めるのによく使用されます。

時間が経つにつれて、リアクションホイールは、ホイールの最高速度を超えるほどの運動量を蓄積することがあります。これを飽和といいます。しかし、ホイールを減速すると、望ましくない回転を引き起こすトルクが発生します。そのため、設計者は、リアクションホイールシステムを他の姿勢制御メカニズムで補完し、リアクションホイールの「飽和度の減少」によって発生するトルクを打ち消します。^[4]通常、設計者は「反応制御システム」を使用します。これは、ホイールが減速すると、ホイールが宇宙船に与えるトルクを打ち消すために、ホイールが減速すると点火する小型化学ロケットエンジンの配列です。^[4]

反応ホイールの脱飽和化のためのより燃料効率の良い方法が、時を経て開発されてきた。宇宙船の打ち上げに必要な燃料の量を減らすことで、軌道に運ぶことができる有効ペイロードを増やすことができる。これらの方法には、地球の磁場を通じて角運動量を地球に伝達する磁気トルカー（トルクロッドとしてよく知られている）があり、電力のみを必要とし、燃料は不要である。^{[2] : 368}ただし、これらは十分に大きな磁場がある宇宙空間（低地球軌道など）に限定されている。十分に強い磁場がない場合、次に効率的な方法は、イオンスラスタなどの高効率姿勢ジェットを使用することである。

ベレシートは2019年2月22日1:45 UTCにファルコン9ロケットで打ち上げられ、 ^[5]月面着陸を目指した。ベレシートは燃料を節約するために低エネルギー転送技術を使用している。楕円軌道上での4回目の軌道変更^[6]以降、液体燃料が少なくなったときの揺れを防ぐために、リアクションホイールを使用する必要があった。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡には、ロックウェル・コリンズ・ドイツ社製の6つの反応ホイールが搭載されている。^[7]

ライトセイル2は2019年6月25日に打ち上げられ、ソーラーセイルのコンセプトに焦点を当てています。ライトセイル2はリアクションホイールシステムを使用して非常に小さな量で方向を変え、セイル全体の光から異なる量の運動量を受け取ることを可能にし、結果としてより高い高度を実現します。^[8]

1 つまたは複数のリアクション ホイールが故障すると、宇宙船は姿勢 (方向) を維持する能力を失い、ミッションが失敗する可能性があります。最近の研究では、これらの故障は宇宙天気の影響と相関関係にあると結論付けられています。これらの事象は、イサコホイールのスチールボール ベアリングに静電放電を引き起こし、メカニズムの滑らかさを損なうことで故障を引き起こしたと考えられます。^[9]

ハッブル宇宙望遠鏡の2回の整備ミッションで、リアクションホイールが交換された。1997年2月、第2回整備ミッション（STS-82）で、機械的な問題ではなく「電気的な異常」が原因でリアクションホイールが交換された^{[10] 。 [11]}回収された機構の調査により、宇宙で長期間（7年間）使用された機器を研究する貴重な機会が得られ、特に真空が潤滑剤に与える影響が明らかになった。潤滑剤は「非常に良好な状態」であることがわかった。^{[11] 2002年、整備ミッション3B（} STS-109 ）で、スペースシャトルコロンビアの宇宙飛行士が別のリアクションホイールを交換した。^[10]これらのホイールはどちらも故障しておらず、ハッブルは4つの冗長ホイールで設計され、3つが機能している限り指向能力を維持した。^[12]

2004年、はやぶさ宇宙船のミッション中に、X軸リアクションホイールが故障しました。2005年にはY軸ホイールが故障し、宇宙船は姿勢制御を維持するために化学スラスタに頼らざるを得なくなりました。^[13]

2012年7月から2013年5月11日まで、ケプラー宇宙望遠鏡の4つのリアクションホイールのうち2つが故障した。この故障により、ケプラーは当初のミッションを続行するのに十分な精度の方向を維持する能力に深刻な影響を及ぼした。^[14] 2013年8月15日、技術者らはケプラーのリアクションホイールを修復することはできず、トランジット法（軌道を回る惑星によって引き起こされる恒星の明るさの変化を測定する）を使用した惑星探索は続行できないと結論付けた。^{[15] [16] [17] [18]}故障したリアクションホイールはまだ機能しているが、許容レベルを超える摩擦が発生しており、その結果、望遠鏡が適切に方向を定める能力が妨げられている。ケプラー望遠鏡は、故障したリアクションホイールを補うために少量のスラスタ燃料を使用する安定した構成である「ポイントレスト状態」に戻され、ケプラーチームは当初のミッションで必要とされた極度の方向精度を必要としないケプラーの代替用途を検討した。^[19] 2014年5月16日、NASAはケプラー計画をK2という新しい計画に拡張しました。K2ではケプラーを別の用途に使用しますが、太陽系外惑星の探索は継続されます。^[20] 2018年10月30日、NASAは燃料が枯渇したと判断されたため、ケプラー計画の終了を発表しました。^[21]

NASAの宇宙探査機ドーンは、 2010年6月にリアクションホイールの1つに過剰な摩擦が発生した。当初は2012年8月26日にベスタを出発し、ケレスまでの2年半の旅を開始する予定だった。^[22]しかし、探査機のリアクションホイールのもう1つに問題が発生したため、ドーンはベスタの重力からの離脱を2012年9月5日まで一時的に延期せざるを得なくなり、ケレスまでの3年間の旅の間、リアクションホイールの代わりにスラスタージェットを使用する予定だった。^[22]リアクションホイールの喪失により、ケレスへの接近中のカメラ観測が制限された。

2022年1月18日火曜日の夕方、スウィフト天文台のリアクションホイールの1つに故障の可能性があることが判明したため、ミッションコントロールチームは予防措置として、疑わしいホイールの電源を切り、天文台をセーフモードに切り替えました。これは、スウィフト天文台のリアクションホイールが故障した17年ぶりの出来事でした。スウィフトは2022年2月17日に科学観測を再開しました。^[23]

コントロール・モーメント・ジャイロスコープ（CMG）は、姿勢アクチュエーターの関連した異なるタイプであり、一般的には1軸または2軸ジンバルに取り付けられた運動量ホイールで構成されています。^{[2] : 362}剛性のある宇宙船に取り付けられている場合、ジンバ​​ルモーターの1つを使用してホイールに一定のトルクを加えると、宇宙船は垂直軸の周りに一定の角速度を発生させ、宇宙船の向きを制御できるようになります。CMGは通常、RWよりもモーターの発熱が少なく、より大きな持続トルクを生成できるため、スカイラブ、ミール、国際宇宙ステーションなどの大型またはより機敏な（またはその両方）宇宙船で優先的に使用されます。

• コリンズ エアロスペース – 航空宇宙メーカー
• 反応制御システム – 姿勢制御と移動を行うために使用される宇宙船のスラスタ
• ROSAT  – 衛星X線望遠鏡
• 宇宙船の推進 – 宇宙船を加速するために使用される方法

ウィキメディア・コモンズには、リアクションホイールに関連するメディアがあります。

• ダグ・シンクレア、C・コーデル・グラント、ロバート・E・ジー (2007)。「高性能ナノ衛星姿勢制御のためのリアクションホイール技術の実現」(PDF)。
• 「Wolfram Research の反応ホイール」。2008 年 6 月。
• Markley, F. Landis; Reid G. Reynolds; Frank X. Liu; Kenneth L. Lebsock (2009)。「リアクションホイールアレイの最大トルクと運動量エンベロープ」(PDF)。2022-10-09 にオリジナルからアーカイブ(PDF) 。