هواپیماهایی که در جو زمین پرواز می کنند، برای کنترل جهت حرکتشان، به وسیله بخش هایی از بال و دم به هوای اطراف نیرو وارد می کنند (هوا را رو به عقب هل می دهند) ولی به دلیل عدم وجود هوا در فضا این روش برای ماهواره ها یا سفینه های فضایی قابل استفاده نیست.
برای کنترل حرکت سفینه های فضایی و ماهواره ها از «سیستم کنترل واکنشی» استفاده می شود. این سیستم ها معمولا راکت های پیشران حاوی پروکسید هیدروژن هستند که روی دماغه و بال فضاپیما نصب می شوند و روش کارشان بر اساس قانون سوم نیوتن است.
وقتی بخواهیم فضاپیما (یا ماهواره) در یک جهت حرکت کند باید راکت های کنترلی را در جهت عکس روشن کنیم. مثلا برای بالا بردن دماغه فضاپیما در فضا، باید راکت کنترلی نصب شده روی دماغه، به سمت پایین قرار گرفته و روشن شود. معمولا از این سیستم ها برای اعمال تغییرات کوچک در مسیر حرکت اجرام فضایی و یا چرخش آنها به دور خود استفاده می شود.
برای چرخاندن اجرام فضایی به روش فوق، نیاز به مصرف سوخت داریم. ولی همان طور که می دانید میزان سوخت موجود در سفینه/ماهواره/تلسکوپ فضایی بسیار محدود بوده و باید در مصرف آن صرفه جویی کنیم. برای چرخش ماهواره ها بدون مصرف سوخت می توان از چرخ واکنشی (Reaction Wheel) استفاده کرد. مهم ترین کاربرد این چرخ ها، اعمال چرخش های کوچک به ماهواره یا اجرام فضایی است. مثلا وقتی لازم باشد لنز یک تلسکوپ فضایی در حال حرکت، همواره رو به یک ستاره به خصوص قرار داشته باشد، چرخ های واکنشی می توانند به کمک ما بیایند. تلسکوپ های فضایی هابل و کپلر از این ابزار استفاده می کنند. چرخ های واکنشی از یک موتور الکتریکی و یک چرخ لنگر (FlyWheel) تشکیل شده اند که با تغییر سرعت چرخش آنها، می توان چرخش ماهواره را کنترل کرد.
چرخ های واکنشی در سه محور
قانون سوم نیوتون: بر اساس قانون سوم نیوتن، برای هر کنش، یک واکنش برابر اما در جهت مخالف وجود دارد. مفهوم اساسی در این قانون این است که نیروی تک در طبیعت وجود ندارد. هر نیرویی که در محلی وجود داشته باشد، قطعا نیروی دیگری با همان اندازه و در جهت مخالف آن وجود دارد. یعنی نیروهای موجود در طبیعت همواره به صورت دوتایی هستند. اگر یکی از این دو نیرو را کنش (عمل) بنامیم، نیروی دیگر واکنش (عکس العمل) نامیده می‌شود. به عنوان مثال وقتی یک توپ تنیس را به زمین می اندازید، توپ در هنگام برخورد، یک نیروی رو به پایین به زمین وارد می کند (عمل)، در مقابل، زمین هم به توپ یک نیروی رو به بالا وارد می کند (عکس العمل) که باعث بازگشت توپ به بالا می شود.
به عنوان مثال دیگر، همان طور که پای فوتبالیست بر توپ فوتبال نیرو وارد می‌کند، متقابلا توپ فوتبال نیز بر پای فوتبالیست نیرو وارد می‌کند (اگر در وجود این نیرو شک دارید، برای یک بار هم که شده به جای توپ، با یک آجر فوتبال بازی کنید).
بر اساس قانون سوم نیوتن، اگر جسمی به جسم دیگر گشتاوری وارد کند (سعی کند جسم دوم را بچرخاند)، جسم دوم هم سعی در چرخاندن جسم اول کرده و در نتیجه هر دو جسم در خلاف جهت یکدیگر خواهند چرخید. از این موضوع برای چرخاندن ماهواره ها (و اجرام فضایی دیگر) به دور خودشان استفاده می شود. به این صورت که با شروع چرخش چرخ واکنشی در یک جهت، گشتاوری به ماهواره وارد می شود و ماهواره نیز در جهت عکس آن شروع به چرخش می کند.
یک تلسکوپ فضایی را در نظر بگیرید که در حالت عادی به دور خود نمی چرخد، چرخ های واکنشی آن نیز در حالت عادی حرکتی ندارند. فرض کنید این تلسکوپ، ماموریت اولیه خود را به اتمام رسانده و اکنون باید با چرخش به دور خود، به سمت ستاره جدیدی جهت گیری کند. راه حل ساده است: باید چرخ های واکنشی را در خلاف جهتی که تلسکوپ باید بچرخد به چرخش درآوریم. با این کار، تلسکوپ شروع به چرخش در جهت مورد نظر خواهد کرد. وقتی جهت تلسکوپ رو به ستاره جدید قرار گرفت، با متوقف کردن چرخش چرخ واکنشی، چرخش تلسکوپ نیز متوقف می شود.
سفینه های فضایی معمولا دارای ۴ چرخ واکنشی هستند. ۳ چرخ در ۳ محور فضایی قرار دارند تا امکان چرخش سفینه را در همه جهات فراهم کنند و یکی به عنوان چرخ یدکی در نظر گرفته می شود.
تلسکوپ فضایی کپلر
پسای اتمسفری: اگر جاذبه تنها نیروی موثر بر ماهواره ها می بود، ماهواره هایی که به دور زمین می چرخند تا ابد به حرکت خود ادامه می دادند. ولی در ارتفاع پایین تر از ۲۰۰۰ کیلومتر از سطح زمین، هر چند جو (اتمسفر) وجود ندارد، ولی همچنان مولکول هایی از هوا به طور ناپیوسته در فضا شناور هستند و ماهواره هایی که در این ارتفاع حرکت می کنند، با این مولکول ها برخورد می کنند. این برخورد، ضمن کاهش سرعت ماهواره ها، می تواند باعث چرخش ناخواسته آنها به دور خود شود.
در فضا به دلایل مختلف از جمله پسای اتمسفر (نیروی مقاومت ناشی از برخورد ماهواره با مولکول های هوا)، تشعشعات خورشیدی و… نیروهای خارجی به بخش های مختلف ماهواره وارد شده که باعث چرخش ناخواسته آن می شوند. در این شرایط می توان از چرخ های واکنشی برای خنثی کردن این چرخش استفاده کرد. ولی به مرور زمان و با افزایش این چرخش های ناخواسته، چرخ های واکنشی به حداکثر سرعت خود رسیده و دیگر توان خنثی کردن آنها را نخواهند داشت. به همین دلیل ماهواره ها به جز چرخ های واکنشی از سیستم های کنترل واکنشی (راکت پیشران) نیز استفاده می کنند.