Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

A Geometric Approach to Minimum-Time Eigen-Axis Repointing Maneuvers in Spacecraft with Pyramidal Reaction Wheels

Document Type : Original Research Paper

Authors
1 Faculty of New Science and Technology, Tehran, Iran
2 School of Aerospace Engineering, College of New Sciences and Technologies, University of Tehran
3 School of Aerospace Engineering, University of Tehran
10.22034/jsst.2026.1617
Abstract
In this paper, a geometric approach is proposed for the design of minimum-time Eigen-axis repointing maneuvers of symmetric spacecraft equipped with four reaction wheels in a pyramidal configuration. First, by analyzing the geometric distribution of the available control torque, an algorithm is developed to compute the maximum achievable torque along an arbitrary direction. Based on this maximum torque, the constant control coefficients required for implementing a bang–bang control law in the Eigen-axis maneuver are determined. Analytical and numerical results demonstrate that, due to the non-uniform torque distribution inherent in the pyramidal configuration, selecting an Eigen-axis perpendicular to the plane defined by the initial and final pointing directions does not necessarily yield the minimum maneuver time. Instead, the optimal Eigen-axis is located at an angle smaller than 90 degrees with respect to this plane. Furthermore, the torque distribution and maneuver performance are investigated under the condition of failure of one reaction wheel and compared with the conventional three orthogonal reaction wheel configuration. Numerical simulations show that the pyramidal configuration provides superior maneuver performance in terms of achievable torque and maneuver time, even in the presence of a single wheel failure.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

مانور نشانه روی محور ویژه زمان‌کمینه در ماهواره‌های مجهز به چرخ‌های عکس‌العملی با پیکربندی هرمی با رویکرد هندسی

Authors Persian

امیررضا کوثری 1
حامد گلپور 2
احسان عباسعلی 3
1 دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشکدگان علوم و فناوریهای میان رشته ای، دانشگاه تهران
3 دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه تهران
Abstract Persian

در این مقاله، یک رویکرد هندسی برای طراحی مانور نشانه‌روی محور ویژه ‌کمینه‌ زمان در ماهواره‌های متقارن مجهز به چهار چرخ عکس‌العملی با پیکربندی هرمی ارائه می‌شود. در گام نخست، با استفاده از تحلیل هندسی توزیع گشتاور، الگوریتمی برای محاسبه گشتاور بیشینه قابل اعمال در راستای یک بردار دلخواه استخراج می‌گردد. بر اساس این گشتاور، ضرایب کنترلی ثابت لازم برای پیاده‌سازی قانون کنترل بنگ–بنگ در مانور محور ویژه تعیین می‌شوند. نتایج تحلیلی و عددی نشان می‌دهند که به دلیل ناهمگن بودن توزیع گشتاور در پیکربندی هرمی، انتخاب بردار ویژه عمود بر صفحه گذرنده از جهت‌های نشانه‌روی اولیه و نهایی، لزوماً منجر به کمینه شدن زمان مانور نمی‌شود. در واقع، محور ویژه بهینه در زاویه‌ای کمتر از ۹۰ درجه نسبت به این صفحه قرار می‌گیرد. همچنین، توزیع گشتاور و عملکرد مانور در حالت از کار افتادن یکی از چرخ‌های عکس‌العملی بررسی شده و با پیکربندی متداول سه چرخ متعامد مقایسه می‌شود. شبیه‌سازی‌های عددی نشان می‌دهند که پیکربندی هرمی، حتی در حضور خرابی یک چرخ، از نظر زمان مانور و قابلیت اعمال گشتاور، عملکرد مناسبی داشته و نسبت به پیکربندی سه چرخ متعامد برتری قابل‌توجهی ارائه می‌دهد

Keywords Persian

مانور نشانه‌روی
‌کمینه‌ زمان
محور ویژه
گشتاور بیشینه
پیکربندی هرمی چرخ عکس‌العملی

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 07 October 2026

  • Receive Date 07 February 2026
  • Revise Date 06 August 2026
  • Accept Date 09 August 2026
  • First Publish Date 07 October 2026