معجزه جرم‌های متحرک
جرم‌های متحرک داخلی قادر به تغییر مرکز جرم یک جسم صلب یا انعطاف‌پذیر هستند. از طریق حرکت این جرم‌ها ممکن است ویژگی های اینرسیایی جسم نیز تغییر کند. برای جسمی که در یک سیال حرکت می کند (سیالی با چگالی غیرقابل اغماض مانند هوا یا آب) تغییر مرکز جرم به‌منظور تغییر گشتاورهای آیرودینامیکی/هیدرودینامیکی وارد بر جسم می تواند سودمند باشد. این امر امکان هدایت بدون استفاده از سطوح کنترلی و یا ابزارهای اعمال تراست را فراهم می‌کند.
روشی جدید برای کنترل وضعیت ماهواره
به دلیل تاثیر ممان اینرسی در معادلات دورانی یک جسم صلب، می‌توان از تغییر ممان اینرسی برای کنترل این حرکت استفاده کرد. یک مثال ساده درباره این موضوع اسکیت باز است. اسکیت باز هنگام انجام مانور چرخشی، برای کاهش سرعت دورانی، بازوهای خود را باز و برای افزایش آن بازوهای خود را جمع می کند. همین مفهوم می‌تواند با استفاده از جرم‌های متحرک داخلی برای تنظیم سرعت زاویه‌ای یک جسم صلب استفاده شود. در روش‌های مرسوم فعلی با اعمال گشتاور خارجی یا با استفاده از تجهیزات مبادله ممنتوم، کنترل وضعیت انجام می‌شود و به‌طور کلی در این روش های کنترلی فرض می‌شود که اینرسی جسم صلب ثابت است اما استفاده از عملگرهای جرم متحرک خطی اجازه می‌دهد تا اینرسی تغییر یابد که در نتیجه سرعت زاویه‌ای فضاپیما نیز تغییر می کند. توانایی این جرم‌های متحرک برای تنظیم سرعت زاویه‌ای، یک وسیله بدیع و نو برای کنترل وضعیت ماهواره فراهم می‌کند.
پیاده‌سازی آزمایشگاهی
آرایش عملگر تنها اینرسی حول محورهای z و y را تغییر خواهد داد. از آنجا که شبیه‌ساز حول محور z دارای آزادی کامل است، عملگرها برای تنظیم سرعت زاویه‌ای حول این محور استفاده خواهند شد. حرکت دادن جرم ها به یک فاصله مناسب و کافی در راستای x باعث می شود که سرعت زاویه ای به سمت صفر هدایت شود که البته این مساله از نظر فیزیکی به طول عملگرهای استفاده شده و اندازه فضاپیما محدود می شود. در این روش کنترل ورودی به صورت کنترل موقعیت جرم ها در امتداد مسیر مربوطه است.
شبيه‌ساز آزمايشگاهي Whorl-I
برای آزمایش عملی ایده مطرح شده یعنی استفاده از تغییر موقعیت جرم ها برای کنترل سرعت زاویه ای، از شبيه‌ساز آزمايشگاهي Whorl-I در ویرجینیا‌تک استفاده شده است. یک واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) برای جمع آوری و پردازش داده‌های سرعت زاویه‌ای حول هر یک از محورها استفاده می‌شود. در عملگر موقعیت یک جرم ۷.۵ کیلوگرم توسط یک موتور پله ای در یک مسیر مستقیم کنترل می شود.
با توجه به آزادی کامل شبیه‌ساز Whorl-I حول محور z (یاو)، هدف آزمایش تنظیم سرعت زاویه‌ای و کنترل نشانه روی حول محور z است. این آزمایش به‌منظور اثبات تجربی این موضوع انجام شده است که این جرم‌ها می‌توانند در یک محیط فاقد از گشتاور خارجی، یک گشتاور خالص کنترلی روی جسم صلب اعمال کنند.
نتایج تجربی
در آزمایش اول سرعت زاویه ای اولیه rad/s ۰.۲۵ و در دو آزمایش بعدی سرعت زاویه‌ای اولیه ای حدود ۰.۲۷ rad/s به شبیه‌ساز داده شده است. در طول جمع آوری داده‌ها، شبیه‌ساز فاقد هرگونه گشتاور خارجی است. در آزمایش اول سرعت زاویه ای به اندازه rad/s ۰.۰۳ و در دو تکرار بعدی به اندازه rad/s ۰.۰۲ کاهش می یابد. زمانی که جرم از موقعیت اولیه خود در زمان t=3 ثانیه باز شده است کاهش سرعت زاویه‌ای آغاز می شود.
ابزار اصلی کنترل
استفاده از جرم های متحرک به‌عنوان ابزار اصلی کنترل، چندین مزیت ممتاز و مشخص نسبت به روش‌های کنترل سنتی فراهم می کند. هدایت وسایل پرنده بازگشت‌پذیر با استفاده از جرم های متحرک، نیاز به سطوح کنترلی که در هنگام ورود به اتمسفر نیروهای بسیار بزرگ آیرودینامیکی حس می کنند را از بین می‌برد. همچنین قابلیت هدایت دقیق یک وسیله پرنده بازگشت‌پذیر، به وسیله پرنده این امکان را می دهد که به دقت بیضی فرود را ملاقات کند. برخلاف تجهيزات مبادله مومنتوم، تراسترها و گشتاور دهنده های مغناطیسی که برای حفظ وضعیت مورد نظر نیاز به عملکرد مستمر و پیوسته دارند، جرم‌های متحرک داخلی به صورت ناپیوسته (گسسته) کار می کنند و نیاز به حمل سوخت های خطرناک در فضاپیما ندارند.
همچنین این شکل از کنترل وضعیت نسبت به میدان مغناطیسی زمین حساس نیست. این موضوع این امکان را به سیستم می دهد که زمان ماموریت را افزایش و انرژی مورد نیاز را کاهش دهد. یکی از کاربردهای این مفهوم که در کارهای آتی درنظر گرفته خواهد شد کاربرد ماهواره‌ای نشانه روی زمینی ثابت است. از آنجا که هیچ جرمی از ماهواره کاسته نمی شود، ممکن است سرعت زاویه‌ای اصلی به‌سادگی با برگشت حرکت جرم‌ها به موقعیت اصلی خود دوباره حاصل شود.
مفهوم اين روش شبیه به استراتژی de-spin(حذف چرخش) یو یو برای حذف چرخش یک ماهواره است. عوامل مهم هنگام استفاده از این نوع کنترل، نسبت های جرم عملگر به جرم کل، طول عملگر، سرعت عملگر و انواع جرم‌های انتقالی (جرم‌های مستطیلی، میله و غیره) هستند. اگر میله‌های بلند و باریک، مورد استفاده قرار گیرند، امکان به‌دست آوردن کاهش سرعت زاویه‌ای بسیار بزرگ‌تر نیز فراهم خواهد شد. اگر چنین روشی مورد استفاده قرار گیرد و میله ها در دوره زمانی طولانی تر باز شوند، می‌توان سرعت زاویه‌ای را با مرتبه بزرگی کاهش داد.
