Orientācijas noteikšana un vadība

Ievads

Parasti kosmosa kuģa orientāciju dažādu iemeslu dēļ ir nepieciešams stabilizēt un vadīt. Dažreiz tas ir nepieciešams, lai noturētu lidaparāta komunikācijas antenu Zemes virzienā, lai spētu nodrošināt komumikāciju. Dažreiz, lai veiktu zinātniskos eksperimentus, lai vērstu saules paneļus pret sauli un jutīgus sensorus prom no saules virziena.

Relatīvie orientācijas noteikšanas sensori

Ir vairāki sensori, kas kā rezultātu izvada atbilstošo orientācijas izmaiņas ātrumu. Lai izmantotu šos sensorus, ir nepieciešams zināt sākotnējo objekta orientāciju. Šī tipa sensoriem piemīt trokšņainība, taču to var labot, izmantojot absolūtos orientācijas noteikšanas sensorus.

Žiroskops

Žiroskops ir ierīce, kas spēj mērīt rotāciju trīsdimensionālā laukā, neizmantojot citu ārējo objektu mērīšanu. Klasiskais žiroskops sastāv no rotējoša masas gabala, taču ir arī lāzera žiroskopi, kas izmanto gaismas atstarošanās principus, kā arī citu veidu žiroskopi.

Absolūtie orientācijas noteikšanas sensori

Šī sensoru grupa mēra pozīciju vai orientāciju laukiem, objektiem vai citām īpašībām ārpus lidaparāta.

Horizonta sensors

Horizonta sensors ir optiskais instruments, kas uztver gaismu no Zemes atmosfēras 'loka', tas ir, Zemes horizonta. Bieži tiek izmantota termālā-infrasarkanā mērīšana, kas mēra atmosfēras siltuma attiecību pret kosmiskā fona siltumu. Šis sensors nodrošina orientācijas mērījumus attiecībā pret Zemi divās ortogonālās asīs. Tas mēdz būt neprecīzāks par sensoriem, kas balstīti uz zvaigžņu vērošanu. Dažreiz šis sensors tiek saukts arī par Zemes sensoru.

Saules sensors

Saules sensors ir ierīce, kas uztver Saules virzienu. Var tikt izstrādāts kā vienkāršas saules šūnas, vai arī sarežģīti - kā vadāms teleskops. Tas, kuru sensoru labāk izmantot, ir atkarīgs no misijas.

Zvaigžņu sekotājs

Zvaigžņu sekotājs ir optiskais instruments, kas mēra zvaigžņu pozīcijas, izmantojot fotošūnas vai arī kameru.

Magnetometrs

Magnetometrs ir ierīce, kas izjūt magnētiskā lauka spēku, un, kad tiek izmantots trīs-asu konfigurācijā, arī magnētiskā lauka stiprumu.

Algoritmi

Vadības algoritmi ir datorprogrammas, kas saņem datus no ierīces sensoriem un iegūst/aprēķina pareizās komandas priekš devējiem, lai pagrieztu ierīci vēlamajā orientācijā. Algoritmi var būt gan ļoti vienkārši, gan sarežģīti, atkarībā no misijas sarežģītības. Parasti, orientācijas vadības algoritmi ir daļa no programmatūras, kas tiek atskaņota uz iekārtas, kas saņem komandas no bāzes stacijas un formatē datu telemetriju sūtīšanai uz bāzes staciju.

Izpildierīces jeb aktuatori

Lidaparāta orientācija var tikt vadīta ar dažādu ierīču un metožu palīdzību.

Reaktīvie dzinēji

Vernjera reaktīvie dzinēji ir visbiežāk izmantotie aktuatori. Dzinējiem ir jābūt izkārtotiem tā, lai visa sistēma nodrošinātu stabilizāciju visās 3 asīs. Katrai asij parasti tiek izmantoti vismaz divi reaktīvie dzinēji, lai griezes momentu veidotu kā pāris. Galvenais reaktīvo dzinēju izmantošanas ierobežojums ir tas, ka tie izmanto degvielu, kā arī mehāniskais dzinēju nolietojums. Degvielas efektīvu izmantošanu lidaparāta orientācijas noteikšanas un vadības sistēmā nosaka specifiskais impulss un mazākais griezes momenta impulss, ko tas spēj radīt (tas nosaka to, cik bieži reaktīvajiem dzinējiem ir jāieslēdzas, lai nodrošinātu precīzu vadību). Reaktīvie dzinēji ir jāslēdz iekšā vienā virzienā, lai sāktu rotāciju pa vienu asi, un vienu reizi pretējā virzienā, lai saglabātu jauno orientāciju. Reaktīvo dzinēju sistēmas ir bijušas izmantotas lielākajā daļā kosmosa kuģu  ar cilvēku apkalpi, tai skaitā, Vostok, Mercury, Gemini, Apollo, Soyuz, Space Shuttle.
Lai minimizētu degvielas izmantošanu misijā, var tikt izmantoti citu veidu dzinēji, piemēram, mazi jonu dzinēji, kas paātrina jonizētas gāzes elektriski, izmantojot elektroenerģiju, kas iegūta no saules šūnām.

Rotācijas stabilizācija

Lai stabilizētu orientāciju vienā asī, var iegriezt visu lidojošo objektu. Šo metodi bieži izmanto, lai stabilizētu pēdējo nesējraķetes posmu. Visu kosmisko aparātu, kopā ar pievienoto raķetes motoru iegriež raķetes griezes momenta vektora virzienā. Kad vēlamā orbīta ir sasniegta, kosmiskā aparāta rotāciju ir iespējams samazināt, vai arī atstāt griežoties, ja nepieciešams.

Impulsu diski

Impulsu diski ir rotori, kas elektromotora vadīti griežas pretēji vēlamajam objekta griešanās virzienam. Tā kā impulsu diski aizņem tikai nelielu daļu no lidaparāta masas, ar tiem iespējams veikt precīzu vadību. Lai spētu vadīt orientāciju visās trīs asīs, nepieciešams izmantot vismaz 3 impulsa diskus, lai gan biežāk tiek izmantoti vairāki gadījumam, ja kāds pārstāj savu darbību.

Saules vēja buras

Nelielas saules buras var tikt izmantotas, lai veiktu nelielus kosmiskā aparāta orientācijas vadības un ātruma manevrus. Šī metode ļauj veikt ilgtermiņa degvielas ekonomiju.