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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動モーターで、回転速度が変化すると、角運動量保存の法則により、それに比例した逆回転を引き起こします。[ 1 ]リアクションホイールは、重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へ移動することはできません（並進力）。
リアクションホイールは、主に宇宙船の3軸精密姿勢制御に使用されますが、高速デタンブリングにも使用できます。リアクションホイールはロケットや外部トルク発生装置を必要としないため、燃料に必要な質量分率を削減できます。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役立ちます。
リアクションホイールは、衛星に大量の蓄積角運動量を与えるために、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。そうすることで、宇宙機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）に垂直な外乱トルクが、外乱トルクと同じ軸を中心とした宇宙機の角運動を直接引き起こすのではなく、その宇宙機の軸が垂直な軸を中心とした（一般的に小さい）角運動（歳差運動）を起こすようになります。これにより、その宇宙機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より単純な姿勢制御システムが可能になります。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があります。この衛星は、運動量ホイールの軸を軌道法線ベクトルに平行にすることで、「ピッチ運動量バイアス」構成になっています。リアクションホイールは、ロケット分離後や予期せぬ事態発生後の宇宙船の姿勢安定化のために、デタンブリング段階でも使用できる。
3軸制御の場合、リアクションホイールは少なくとも3方向にマウントする必要があり、追加のホイールが姿勢制御システムの冗長性を提供します。冗長マウント構成は、4つのホイールを四面体軸に沿って配置するか[ 3 ]、3軸構成に加えて予備の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は、ホイールが分解する速度、したがって蓄積できる角運動量の量を決定します。
リアクションホイールは宇宙船全体の質量のごく一部を占めるため、容易に制御でき、その速度を一時的に変化させるだけで角度もわずかに変化します。そのため、リアクションホイールを用いることで、宇宙船の姿勢を非常に精密に制御することが可能です。こうした理由から、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姿勢制御によく用いられます。
時間が経つにつれて、リアクションホイールは蓄積された運動量がホイールの最大速度を超えるほどになり、これを飽和と呼びます。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機構で補完し、リアクションホイールの「飽和解除」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「リアクション制御システム」を使用します。これは、ホイールが減速する際に噴射される小型化学ロケットエンジンのアレイで、ホイールが減速する際に宇宙船に与えるトルクを打ち消します。[ 4 ]
リアクションホイールの飽和度を下げるための、より燃料効率の良い方法が、時間の経過とともに開発されてきました。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なペイロードが増加します。これらの方法には、地球の惑星磁場を介して角運動量を地球に伝達するマグネトトルカー（トルクロッドとしてよく知られています）があり、燃料は必要なく電力のみが必要です。 [ 2 ]： 368ただし、これらは十分に大きな磁場を持つ宇宙領域（低地球軌道など）に限定されます。十分に強い磁場がない場合、次に最も効率的な方法は、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す。
ベレシートは、月面着陸を目指して、2019年2月22日1時45分（UTC）にファルコン9ロケットで打ち上げられた[ 5 ]。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。楕円軌道での4回目のマニューバ[ 6 ]以降、液体燃料の量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。
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡には、ロックウェル・コリンズ・ドイチュラント社製のリアクションホイールが6個搭載されている。[ 7 ]
LightSail 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を中心に据えている。LightSail 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角度で向きを変えることで、セイル全体に当たる光から異なる量の運動量を受け取ることができ、より高い高度に到達する。[ 8 ]
1つまたは複数のリアクションホイールの故障は、宇宙船が姿勢（方位）を維持する能力を失い、ひいてはミッションの失敗につながる可能性がある。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る。これらの現象は、イサコホイールの鋼球ベアリングに静電放電を誘発し、機構の滑らかさを損なうことによって故障を引き起こしたと考えられる。[ 9 ] この仮説を裏付けるように、新しいリアクションホイールは非導電性のセラミックベアリングを使用しており、このような故障は発生していない。
ハッブル宇宙望遠鏡の2回のサービスミッションで、リアクションホイールが交換されました。1997年2月、第2回サービスミッション（STS-82）で、機械的な問題ではなく「電気的な異常」により、 1つのリアクションホイールが交換されました[ 10 ] 。 [ 11 ]返却された機構の研究により、宇宙空間で長期間（7年間）使用された機器、特に真空が潤滑剤に及ぼす影響を研究する貴重な機会が得られました。潤滑剤は「非常に良好な状態」であることがわかりました[ 11 ] 。2002年、サービスミッション3B（ STS-109）中に、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ました[ 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つの冗長ホイールを備えて設計されており、3つが機能している限り指向能力を維持していました[ 12 ] 。
2004年、はやぶさ探査機のミッション中にX軸リアクションホイールが故障した。2005年にはY軸ホイールが故障し、探査機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った。[ 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つが故障しました。この故障により、ケプラーは当初のミッションを継続するのに十分な精度で姿勢を維持することができなくなりました。[ 14 ] 2013年8月15日、技術者たちはケプラーのリアクションホイールは修復不可能であり、トランジット法（惑星の周回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）を使用した惑星探査は継続できないと結論付けました。[ 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ますが、許容レベルを超える摩擦が発生しており、その結果、望遠鏡が適切に姿勢をとれる能力が妨げられています。ケプラー望遠鏡は、リアクションホイールの故障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「静止点状態」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めて高い姿勢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はケプラーミッションをK2と呼ばれる新しいミッションに拡張した。K2はケプラーを異なる方法で使用するが、系外惑星の探索を継続できる。[ 20 ] 2018年10月30日、NASAは燃料供給が枯渇したと判断された後、ケプラーミッションの終了を発表した。[ 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ました。当初は2012年8月26日にベスタを出発し、ケレスへの2年半の旅を開始する予定でしたが[ 22 ]、探査機のもう1つのリアクションホイールに問題が発生したため、ドーンはベスタの重力圏からの出発を2012年9月5日まで一時的に延期せざるを得なくなり、ケレスへの3年間の旅の間はリアクションホイールの代わりにスラスタジェットを使用する計画でした[ 22 ] 。リアクションホイールの喪失により、ケレスへの接近時のカメラ観測が制限されました。
2022年1月18日火曜日の夜、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、ミッションコントロールチームは疑わしいホイールの電源を切り、予防措置として天文台をセーフモードにしました。これは、スウィフトでリアクションホイールが故障した17年ぶりのことでした。スウィフトは2022年2月17日に科学運用を再開しました。[ 23 ]
制御モーメントジャイロスコープ（CMG）は、関連するものの異なるタイプの姿勢アクチュエータであり、一般的には1軸または2軸ジンバルに取り付けられたモーメンタムホイールで構成されています。[ 2 ]： 362剛性宇宙船に取り付けられた場合、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で一定の角速度を生じ、宇宙船の向きを制御できるようになります。CMGは一般的に、モーターの発熱が少なく、RWよりも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、より大型またはより機敏な（あるいはその両方）宇宙船で優先的に使用されます。
宇宙飛行士たちは、ハッブル宇宙望遠鏡の姿勢制御システムを構成する4つのリアクションホイールアセンブリのうちの1つを交換した。