В статье представлен сравнительный анализ преимуществ и недостатков гиродинов в системах ориентации космических аппаратов. В ходе работы был проведен обзор принципов действия различных систем ориентации космических аппаратов: реактивных двигателей, электродвигателей-маховиков и гиродинов. Рассмотрены их основные характеристики. Реактивные двигатели обладают высоким удельным импульсом и могут использоваться для значительных изменений ориентации, но требуют ограниченных запасов топлива, а также могут быть менее эффективны для длительных операций. Электродвигатели-маховики обеспечивают высокую точность управления ориентацией, однако они не подходят для активного маневрирования. В сравнении с этими альтернативными устройствами гиродины демонстрируют преимущества в эффективности. Выбор оптимальной системы ориентации должен основываться на конкретных условиях миссии.

Ключевые слова: гиродины, силовые гироскопы, системы ориентации космических аппаратов, реактивные двигатели, электродвигатели-маховики, ракетно-космическая техника.

Введение

Внастоящее время системы ориентации космических аппаратов (КА) выполняют важную роль в обеспечении их стабильной работы и выполнения заданий в условиях космического пространства. Актуальность работы обусловлена постоянным увеличением числа космических миссий, как коммерческих, так и научных [1].

Особое значение приобретает выбор оптимальных исполнительных органов систем ориентации КА, от которых зависят точность стабилизации, энергоэффективность и надежность КА в течение всего срока активного существования.

Постановка задачи. Таким образом, цель данной работы заключается в сравнительном анализе преимуществ и недостатков гиродинов в системах ориентации космических аппаратов по сравнению с альтернативными системами ориентации: реактивных двигателей и электродвигателей-маховиков. Для достижения цели были поставлены следующие задачи :

— рассмотреть принципы и особенности работы реактивных двигателей, электродвигателей-маховиков и гиродинов;

— выявить преимущества и недостатки каждой из систем ориентации;

— сравнив характеристики каждой системы ориентации, сделать вывод о выборе оптимальной системы ориентации КА.

Основная часть.

Гиродин — это вращающееся инерциальное устройство, которое применяется для ориентации космических аппаратов. Гиродины предназначены для обеспечения необходимой ориентации КА в полете [2].

Рис. 1. Персонал НАСА и гироскоп для Международной космической станции [5]

Основные преимущества гиродинов: они сохраняют достоинства традиционных электродвигателей-маховиков и обладают повышенной эффективностью. Например: отсутствие расхода рабочего тела в отличие от реактивных двигателей, которые потребовали бы сотни килограммов жидкого топлива; высокая точность ориентации; длительный срок службы способность управлять положением ориентации более массивных аппаратов. Например, для управления ориентацией орбитальных космических станций [2].

Основные недостатки гиродинов: эффект насыщения, необходимость сложных систем подвеса, дополнительные конструктивные сложности. Необходимо помнить, что механические компоненты гиродинов подвержены износу. Из-за больших габаритных размеров и массы ограничено их применение на малых спутниках [3].

Реактивные двигатели могут использоваться для быстрого изменения направления и могут обеспечивать значительные угловые перемещения. Реактивным двигателям требуется расход топлива для поддержания ориентации, что ограничивает срок службы аппарата, так как ограничено количество топлива. Реактивные двигатели менее точные в управлении по сравнению с электродвигателями-маховиками, особенно при малых углах поворота [1].

Преимущества электродвигателей-маховиков заключается в том, что питание электродвигателей-маховиков обеспечивается солнечными батареями, а не ограниченным количеством топлива, что делает их более экономичными для длительных миссий. Электродвигатели-маховики способны обеспечить высокую точность управления ориентацией за счет плавного изменения скорости вращения маховиков. Однако электродвигатели-маховики не подходят для активного маневрирования. Со временем маховики могут терять эффективность из-за трения или быть подвержены износу, заканчивая выходом из строя [1].

Выбор между гиродинами, маховиками и реактивными двигателями зависит от конкретных требований миссии, включая продолжительность полета, необходимую точность управления и доступные ресурсы. Для миссий, требующих высокой точности и стабильности, целесообразно использовать гиродины и маховики, в то время как для динамичных операций и маневров предпочтительнее применять реактивные двигатели.

Гиродины, являясь усовершенствованной версией электродвигателей-маховиков, представляют собой эффективное, но не универсальное решение для систем ориентации космических аппаратов. Эти устройства демонстрируют преимущества в точности стабилизации и способности управлять ориентацией массивных объектов, что делает их незаменимыми для орбитальных станций. Однако присущие гиродинам недостатки сужают область их оптимального применения. Для крупных и высокоточных КА рекомендуется использовать гиродины. Для средних и малых КА современные электродвигатели-маховики [4].

Перспективы развития технологии связаны с внедрением электромагнитных подвесов для устранения механического износа, использованием композитных материалов для снижения массы, увеличением управляющих и кинетических моментов [3].

Заключение

Таким образом, в результате работы были проанализированы системы ориентации космических аппаратов: реактивные двигатели, электродвигатели-маховики и гиродины. Были рассмотрены особенности работы реактивных двигателей, электродвигателей-маховиков и гиродинов. Выявлены преимущества и недостатки каждой из систем ориентации. Несмотря на существующие ограничения, гиродины остаются важным компонентом современных систем ориентации КА, однако их применение требует тщательного анализа требований миссии и технико-экономического обоснования. Дальнейшее развитие систем ориентации КА должно быть направлено на увеличение управляющих и кинетических моментов, увеличение ресурса работы и снижение массогабаритных характеристик.

Литература:

1. Ибатуллин А. Р. Сравнительный анализ систем ориентации космических аппаратов: реактивные двигатели и электродвигатели-маховики / А. Р. Ибатуллин, М. С. Березин. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2025. — № 1 (552). — С. 12–14. — URL: https://moluch.ru/archive/552/121404/.
2. Елпатов А. С. Обзор современных гиродинов // Материалы XXV Международной научно-практической конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева. В 2-х частях. Том Часть 1. Красноярск, 2021. С. 291–292.
3. Электромеханические устройства космических аппаратов и ракет-носителей / В. Я. Авербух, Д. М. Вейнберг, В. П. Верещагин [и др.]. — Текст: непосредственный // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ — 2001. — № 100. — С. 93.
4. Оценка преимуществ использования гиродинов в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов // Сборник материалов V Международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики. В 3-х томах. Том 1. Красноярск, 2019. — С. 601–603.
5. NASA personnel handle a single Control Moment Gyroscope for the International Space Station // NASA image and video laboratory — URL: https://images.nasa.gov/details/KSC-98pc868/.