Lewitacja czyli jak utrzymywać orientację przestrzeną i pozycję satelitów

System kontroli orientacji przestrzennej i orbity (AOCS) statku kosmicznego pozwala mu zachować orientację przestrzenną podczas poruszania się po orbicie i utrzymuje go na wyznaczonej orbicie, co decyduje o powodzeniu i bezpieczeństwie misji. Ponadto skuteczność działania systemu AOCS ma bezpośredni wpływ na ilość zużywanego paliwa, co pośrednio wpływa na koszty związane z misją oraz wielkość ładunku.

Aby zwiększyć niezależność i konkurencyjność Europy w sektorze satelitów komercyjnych i naukowych, zrealizowano finansowany przez UE projekt ELSA (European levitated spherical actuator). Głównymi celami projektu było obniżenie masy, zmniejszenie wymiarów oraz ograniczenie zapotrzebowania energetycznego podsystemu kontroli orientacji przestrzennej (ACS) przy równoczesnym zachowaniu precyzji i zwiększeniu niezawodności.

W systemie ACS używane są zwykle co najmniej trzy koła zamachowe lub żyroskopy stabilizujące, które wykrywają zmiany takich parametrów, jak przyspieszenie lub moment obrotowy. Następnie w systemie ACS stosowane są stabilizatory, które wprowadzają korekty. Naukowcy pracujący nad projektem ELSA za punkt wyjścia obrali innowacyjny pomysł na system ACS przedstawiony ponad 20 lat temu. Jest to tak zwana sfera zamachowa lewitująca w wyniku działania pola magnetycznego. Jest niemal idealnie symetryczna, stanowiąc optymalny wieloosiowy układ odniesienia, a jej masa jest znacznie mniejsza niż masa systemu złożonego z trzech kół zamachowych. Przezwyciężenie trudności technicznych przybliżyło tę technologię do gotowości komercyjnej.

W oparciu o tę zasadę zaprojektowano, zbudowano i przetestowano prototyp laboratoryjny potwierdzający koncepcję. Wybrana koncepcja synchroniczna została dopasowana tak, by w przybliżeniu spełniała wymogi ogólnych specyfikacji dostarczonych przez różnych podwykonawców. Pierwszy prototyp sfery zamachowej zaprojektowano tak, by uzyskać moment obrotowy o wartości 0,2 niutonometrów i momencie pędu wynoszącym 23 niutonometrów na sekundę.

Reprezentacyjny model eksperymentalny (elegant breadboard) projektu ELSA umożliwi wykorzystanie potencjału sfery zamachowej pod względem wyeksportowanej siły i momentów obrotowych dla pokazania pełnego potencjału konstrukcji w zakresie kół zamachowych lub żyroskopów stabilizujących do zastosowań kosmicznych.

Doprowadzenie idei systemu ACS ze sferą zamachową do fazy gotowości technicznej będzie dla społeczności badań kosmicznych w UE ogromnym osiągnięciem. Umożliwi to uniezależnienie się od obcych systemów, zapewniając solidną alternatywę, która może stać się towarem eksportowym przeznaczonym dla innych krajów i firm. Prace i wyniki zespołu projektu ELSA utorowały drogę do wykorzystania tego potencjału.