Do sukcesu każdej misji niezbędne jest odpowiednie ułożenie statku kosmicznego. Aspekt ten jest najistotniejszy w przypadku obiektów służących do wykonywania obserwacji, na przykład orbitalnych teleskopów. Obserwacja obiektów wymaga niezwykłej precyzji, porównywanej do celowania w monetę znajdującą się w Waszyngtonie, samemu będąc w Nowym Jorku. I to przez nawet kilkadziesiąt godzin.
Jednym z najprostszych urządzeń służących do kontroli orientacji statku kosmicznego jest koło reakcyjne. Napędzane silnikiem elektrycznym umożliwia obracanie obiektem. Większość z nich jest dużo lżejsza niż statek kosmiczny, do którego należą. W przypadku niewielkich statków, takich jak CubeSaty, masa koła reakcyjnego może jednak stanowić znacznie większą część masy całej konstrukcji. Dlatego, aby duży statek kosmiczny mógł obracać się stosunkowo wolno, koło reakcyjne musi osiągać znacznie większą prędkość kątową. Wynika to z zasady zachowania momentu pędu. Jest to iloczyn momentu bezwładności, czyli wielkości opisującej rozkład masy względem osi obrotu, i prędkości kątowej, a w układzie, na który nie działają zewnętrzne momenty sił, całkowity moment pędu pozostaje stały. Oznacza to, że gdy koło reakcyjne zostaje rozpędzone w jednym kierunku, statek kosmiczny zaczyna obracać się w przeciwnym.
Małe koło reakcyjne widoczne z profilu.
Obracanie statku kosmicznego zawsze odbywa się względem jego środka masy, niezależnie od położenia kół reakcyjnych. Jedno takie koło pozwala kontrolować obrót statku kosmicznego wokół jednej osi, dlatego aby utrzymać orientację we wszystkich trzech kierunkach należy zamontować co najmniej trzy sztuki. Jednak najczęściej inżynierowie decydują się na zamontowanie czterech kół reakcyjnych po to, by jedno z nich służyło w razie usterki. Tak zrobiono np. w przypadku teleskopu Hubble’a.
Intuicyjnie może się wydawać, że oczywistym rozwiązaniem jest użycie silników, które korygowałyby ułożenie statku. Są one jednak potrzebne przede wszystkim wtedy, gdy konieczna jest zmiana trajektorii lotu, bo taka operacja wymaga działania siły zewnętrznej. W przypadku zmiany wyłącznie orientacji używanie silników byłoby mało ekonomiczne, gdyż wymagałoby to zużycia paliwa, a do tego konstrukcja byłaby bardziej skomplikowana. Kolejnym argumentem przeciw takiemu zastosowaniu jest fakt, że z silników wydobywają się substancje, które mogłyby uszkodzić wrażliwe części, np. w teleskopach.
Choć w uproszczonym ujęciu można traktować statek jako układ zachowujący całkowity moment pędu, w rzeczywistości działają na niego zewnętrzne momenty sił, między innymi wynikające z oporu szczątkowej atmosfery, ciśnienia promieniowania słonecznego czy niejednorodności pola grawitacyjnego. Koła reakcyjne muszą je kompensować, przez co ich moment pędu stopniowo rośnie. W rezultacie koło zaczyna obracać się coraz szybciej, aż w końcu może osiągnąć swoją maksymalną prędkość. Zjawisko to nazywa się nasyceniem koła reakcyjnego. W takiej sytuacji konieczne jest „pozbycie się” części zgromadzonego momentu pędu, czyli desaturacja koła. Można to zrobić za pomocą innych urządzeń, na przykład silników sterujących, które poprzez wytworzenie odpowiedniego ciągu generują zewnętrzny moment siły.
Ponieważ koła reakcyjne mogą pracować przez bardzo długi czas, istotne jest ograniczenie tarcia i zużycia ich łożysk. Stosuje się w tym celu między innymi specjalnie dobrane materiały oraz rozwiązania konstrukcyjne pozwalające ograniczyć straty energii i zużycie mechaniczne. W starszych konstrukcjach stosowano przede wszystkim łożyska wykonane z metali, natomiast w nowszych rozwiązaniach coraz częściej wykorzystuje się ceramikę. W niektórych bardziej wymagających misjach wykorzystuje się także łożyska magnetyczne, które mogą zmniejszać tarcie oraz poziom wibracji. Jest to szczególnie ważne w przypadku teleskopów i innych instrumentów wykonujących bardzo precyzyjne obserwacje, ponieważ drgania generowane przez koła reakcyjne mogą pogarszać jakość uzyskiwanych danych. Z tego powodu w wielu statkach kosmicznych podczas wykonywania fotografii koła reakcyjne muszą zachować stałą prędkość obrotów.
Interesującą przyczyną uszkodzeń powstałych na kołach reakcyjnych są burze słoneczne. Okazuje się, że prawdopodobnie powodują pojawienie się ładunku elektrycznego między metalowymi bieżniami łożyska. Zgromadzony ładunek może doprowadzić do powstania wyładowań elektrycznych, które tworzą wżery w metalu i uszkadzają smar. Niestety przypuszczenia nie da się potwierdzić, bo wszystkie statki kosmiczne, których dotyczyło badanie, obecnie znajdują się w głębokim kosmosie, z dala od człowieka, który mógłby monitorować ich stan. Wiadomo jednak, że istnieje pewien związek między burzami słonecznymi a awariami kół reakcyjnych, gdyż schemat burza-awaria powtarzał się wielokrotnie.
Problemy z kołami reakcyjnymi w przeszłości powodowały porażkę wielu misji kosmicznych, dlatego też należy konstruować je z należytą starannością. Nowoczesne koła są bardzo dokładnie ważone na specjalistycznym sprzęcie, który może wskazać, gdzie znajduje się ułamek grama, który należy usunąć. A podczas ich eksploatacji, w przypadku usterki, trudno je zastąpić, choć zdarzały się wyjątki. Teleskop Kepler, służący do badania egzoplanet, był jednym z nich. Gdy doszło do awarii dwóch z czterech kół reakcyjnych, inżynierowie wykorzystali ciśnienie promieniowania słonecznego do stabilizacji i kontroli orientacji teleskopu.
Wystające, płaskie „blaszki” sondy Mariner 3 służyły do zmiany jej orientacji.
To rozwiązanie jest celowo stosowane w niektórych statkach kosmicznych zamiast kół reakcyjnych. W sondach Mariner 3 i 4 zamontowano łopatki reflektorowe, które w celu uzyskania pożądanego obrotu należało ustawić pod odpowiednim kątem względem Słońca, co pozwalało na powstanie różnych (lub takich samych) sił na każdej z nich.
Oczywiście, oprócz wspomnianych łopatek i szeroko omówionych kół reakcyjnych istnieją też inne urządzenia wykorzystywane do kontroli orientacji statku kosmicznego. Należą do nich między innymi żyroskopy, które również wykorzystują zasadę zachowania momentu pędu. Obracający się wirnik posiada moment pędu, którego zmiana wymaga przyłożenia momentu siły. Dzięki temu zjawisku można zarówno określać orientację statku kosmicznego, jak i pomagać w jej kontroli. W bardziej zaawansowanych systemach wykorzystuje się tak zwane żyroskopy sterujące, czyli control moment gyroscopes (CMG). Ich wirniki obracają się z dużą prędkością, a zmiana orientacji osi ich momentu pędu pozwala wygenerować moment siły działający na cały statek. W przeciwieństwie do zwykłych kół reakcyjnych CMG mogą wytwarzać znacznie większe momenty, dlatego znajdują zastosowanie między innymi w dużych statkach kosmicznych, w których konieczne jest szybkie zmienianie orientacji. Koła reakcyjne i CMG wykorzystują więc tę samą fundamentalną zasadę fizyczną, ale robią z niej inny użytek: koła zmieniają swój moment pędu poprzez przyspieszanie lub hamowanie wirnika, natomiast CMG wykorzystują zmianę kierunku osi wirującego koła.
Korekta – Adam Piznal
