إن عجلات الرد هي مُلَكات أساسية في نظم مراقبة مواقف المركبات الفضائية، مما يتيح إجراء تغييرات دقيقة في التوجه دون طرد المروحة، وبالنسبة للبعثات التي تتطلب إدارة سريعة للزخم أو كبيرة للزخم، تصبح عجلات الرد العالية الطفرة أمرا لا غنى عنه، وتضع هذه العجلات في إطار مطالب شديدة الخطورة مبادلات هندسية معقدة تشمل مواد دقيقة، وتكنولوجيا حرارية، ومراقبة حرارية، والتخفيف من حدة الاحترار.

أساسيات عملية الارتداد

وتستغل عجلات الرد على العمل الحفاظ على الزخم المتكرر، وعندما يتسارع المحرك الكهربائي أو يزيل عجلات الذبابة، تُعاني المركبة الفضائية من تسارع مساوي وقابل، وبتحكمها في سرعة ثلاث أو أربع عجلات مجهزة بالعجلات، يمكن للمركبات الفضائية أن تدور حول أي محور، وتتميز عجلات الرد العالية الطفرة بقدرتها على إيصال الطلب المتحرك بسرعة كبيرة، وهو أمر حاسم الأهمية.

Momentum and Torque Relations

إن العراك الذي ينتجه عجلات رد الفعل متناسب مع لحظة توتر السطح وتسريعه العتلي، فبالنسبة للتصميمات العالية الطوابق، يزيد المهندسون من سرعة الدوارة إلى أقصى حد من خلال مقياس أكبر أو قدرة أكبر على الحرق الجماعي والحركي، غير أن تزايد التكتل يزيد من الحمولات الهيكلية ويتطلب عوامل أقوى.

تورك ضد شركة Momentum Storage

وتؤدي عجلة الرد دورين هما: الإنتاج المكثف وتخزين الزخم، وكثيرا ما تركز التطبيقات العالية الطفرة على الزخم المخزن، وفي حين يعتمد تخزين الزخم على السرعة العالية المستمرة، فإن الطلب على العراك يؤكد على الواجهة المحركية والميكانيكية، ويجب على المصممين أن يوازنوا العجلات maximum torque] مع تقدير قوة الدفع التي توفرها :2]

البارامترات الرئيسية للتصميمات العالية التراكم

ويتطلب تصميم عجلة الرد السريع الناجح اختيارا دقيقا لعدة بارامترات مترابطة.

الكثافة الضارية

إن الكثافة الحرارية لكل كتلة من الوحدات هي قياس حرج للتطبيقات الفضائية حيث يحسب كل كيلوغرام، وكثيرا ما تستخدم العجلات العالية الطراز المضغوطة والدوائر المغنطسية المتقدمة لضغط الكثافة الحرارية إلى ما يتجاوز 0.5 نون/كغ. وتسهم الابتكارات في الهواء الحركي والمواد المغناطيسية، مثل الساماريوم - الكوبالت أو النيوديمون - إيرون

الحد الأقصى من التشغيل السريع

ويحد السرعة من قوة المواد الدوارة وقدراتها ذات التأثير، حيث تعمل العجلات العالية بسرعة تتراوح بين 000 2 و 000 6 ريم، وتتيح سرعة السرعة أصغر حجماً، ولكنها تزيد من الضغوط على الطرد المركزي وترتديه، وفي حالة السيناريوهات العالية الطفرة، كثيراً ما يفضل المصممون السرعة الدنيا والزواحف الكبيرة تجنباً لطرق الفشل مثل انفجار الدوار.

الحياة والقابلية للثقة

ويمكن أن تستمر بعثات المركبات الفضائية في الفترة من ١٠ إلى ١٥ سنة، ويجب أن تصمم عملياتها ذات الطوابق العالية للتعجيل بتدهورها بسبب ارتفاع الحمولات والحرارات، كما أن نظم التطهير، التي تستخدم في كثير من الأحيان أقفاص متعددة الزعانف أو خزانات مخرفة، من أجل الحياة الممتدة، كما أن الأغلال الرادعة والاختتام المغناطيسي شائعة في تصميمات ذات موثوقية عالية.

اختيار المواد والتصميم الميكانيكي

فالخيار المادي يؤثر مباشرة على أداء المحركات والكتل والدوامة.

مواد روتور

(ب) إن المسافات المرتفعة الطول الألمنيوم (مثل 7075-T6) خيارات تقليدية، ولكن التصميمات الحديثة تستخدم البوليمرات المكلورة بالكربون أو مركبات المصفوفة المعدنية. كما أن هذه المركبات تتيح نسبة عالية من القوة إلى الوزن وتدني التوسع الحراري، مما يقلل من الحساسية.

نظم

فالأغلب هي أكثر العناصر تعرضاً للفشل في عجلات الرد، وتستخدم التصاميم العالية الطوابق كرات الاتصال العنيفة مع الأزواج المحملة مسبقاً لمعالجة الحمولات القارية والشعاعية، وتشمل المواد الصلبة (440C) أو الأربطة الهرمية المخية (كرات النتريد السيليكونية) التي تقلل الاحتكاك والارتداء، أما بالنسبة لأعلى التطبيقات التي تتسم بالتكسير، فإن الإضافات المغنطائية تُظُر.

الإسكان والتحصين

يجب أن يكون العجلات مُجمّدة لمنع التشوه تحت ردة فعل العروق، عادة ما يتمّ صنعها من السُبُل الخفيفة،

Motor and Drive Electronics

يجب أن يوصل المحرك إلى تورك دقيق بكفاءته العالية وقلة التكتل.

محركات البلدان النامية عديمة الرحمة

أما السيارات ذات المراحل الثلاث، فهي معيارية، فبالنسبة للتورك العالي، تختار المصممات محركات ذات عدد كبير من الأزواج القطبية، وتتركّز الرياح لتعظيم الزروعة لكل أمبير، وتخفض التشكيلات الآلية غير المتطورة الطينية، وتسمح بضبط أكثر سلاسة بالسرعة المنخفضة، كما أن المغناطيسات السريعة توفر الكثافة الفلورية الضرورية.

Control Algorithms

وتتطلب القيادة العالية الدقة رقابة متقدمة لتجنب الإفراط في الطلقات والتنفيس. ] السيطرة الموجهة نحو الميدان ] (FOC) نموذجية، توفر استجابة سريعة للصدمات وكفاءتها، ولإطلاق الزخم، يجب على المتحكم أن ينسق مع عجلات رد الفعل من فؤوس أخرى، وتشمل البرمجيات إدارة التشبع والكسب التكييفي للحفاظ على الاستقرار.

استراتيجيات الإدارة الحرارية

الحرارة هي منتج ثانوي كبير من العمليات ذات التردد العالي و الفراغ الفضائي يزيل التبريد المريح

مصادر توليد الحرارة

(د) الخسائر المقاومة الحديثة، التي تحمل الاحتكاك، وتيارات الدودي في الدوارة تولد الحرارة، وترتفع درجة الحرارة بسرعة عند ارتفاع الحرارة، وتخاطر بتطهير المغناطيسات الدائمة وتدهور المواد التشحيم، ويجب أن ينظر التحليل الحراري في أسوأ دورات العمل، مثل الحلق المتكرر.

التبريد السلبي والنشاطي

وتعتمد معظم عجلات التفاعل على التبريد السلبي: مسارات مسيرة إلى حافلة المركبات الفضائية عبر المكابح الحرارية أو الأنابيب الحرارية، وبعض تصميمات الطاقة العالية تتضمن أجهزة تشعب على المسكن المتحرك، وتبدو التبريد النشط باستخدام حلقات مضخة نادرة ولكنها تعتبر في حالة قصوى، وتحسن المواد ذات السمية الحرارية العالية مثل الألومنيوم أو النحاس، وتزيد من انتشار الإشعاع.

For more on spacecraft thermal control, refer to the ESA thermal control overview].

اليقظة والتوازن

ويمكن أن تؤدي مجهرات العجلات المتحركة إلى تدهور أداء الحمولات الحساسة مثل المقراب أو المتداخلات.

الموازنة الديناميكية

وتحتاج العجلات العالية إلى توازن دقيق للغاية للتقليل إلى أدنى حد من الموازنة المتبقية، وقد تم تطوير نظم الموازنة النشطة باستخدام الجماهير المنقولة، بعد التجمع، بعد الموازنة بين العجلات والعجلات التي تقسم إلى المعيار ISO 1940 G0.4 أو أفضل، وبالنسبة للبعثات التي لديها احتياجات شديدة من المربعات، تم تطوير نظم الموازنة النشطة باستخدام الجماهير المنقولة.

التكنيكات السامة

بل إن العجلات المتوازنة تماما تولد الاهتزاز من تحمل الضوضاء ومزق المحركات، إذ أن الموصلات السائلة ذات الرؤوس الفلزية أو المنبعية الفلزية تخفف من الاضطرابات العالية التردد، وتدمج في بعض الأحيان في التجمعات المتحركة، وبالنسبة للتطبيقات الحرجة، فإن منابر العزلة الشاملة تقلل من القوى المتحركة إلى المركبة الفضائية.

الاختبار والمؤهلات

كل عجلة ردة فعل عالية الطوارىء تخضع لفحص دقيق قبل الطيران الفضائي

وتشمل المؤهلات ما يلي:

  • Temperature cycling:] Survive extreme hot and cold conditions.
  • Vibration and shock:] Withstand launch loads.
  • Life testing:] Operate for years in vacuum at high torque.
  • Torque performance mapping:] Verify output across speed and voltage ranges.
  • Meicrovibration measurement:] Characterize resulting disturbances.

وتنظم إجراءات الاختبار معايير مثل النظام الأوروبي لمسح العجلات (ECSS-E-ST-35-02C) وتقدم دراسة حالة إفرادية مفصلة عن اختبارات عجلات التفاعل في هذه الورقة AIAA .

الابتكارات المستقبلية

وتعود التطورات في المواد والاختراع بقدرات أعلى من الطفرة.

الخصم العالي

ويمكن أن تؤدي المؤثرات العالية التمرينات إلى انحراف الدوار، وإزالة الاتصال الميكانيكي والاحتكاك، على الرغم من أن هذه المركبات لا تزال تجريبية، فإنها توفر حياة شبه نهائية و صفر من اللبس، مما يتيح سرعة أكبر بكثير وتمزقات، وتزيد التبريد الرئوي تعقيدا، ولكنها قد تكون مبررة للبعثات التي تتطلب الدقة القصوى والحياة الطويلة.

المواد الذكية ورصد الصحة الهيكلية

ويمكن للمستنقعات المُخلَّصة والخطوط المُعدّلة أن تسمح بعجلات تفاعلية لتحقيق التوازن الذاتي أو تعديل التكتّم الهيكلي، ويمكن للمُصوّرين المُدمجين في المحرك أن يُقوّضوا اليقظة في الوقت الحقيقي، وهذه السمات الذكية تزيد من الموثوقية وتُقلل من الحاجة إلى هوامش مفرطة.

لفهم الجيل القادم من مُلَكّمات المركبات الفضائية، انظر صفحة (ناسا) الخاصة بتقنية المركبات الفضائية الصغيرة.

خاتمة

إن تصميم عجلات الرد على التطبيقات ذات الطوابق العالية يتطلب نهجا على مستوى النظم يوازن بين العلوم المادية، وتصميم السيارات، والإدارة الحرارية، ومراقبة الاهتزاز، وكل ما يمكن أن يحقق سرعة التحلل، والسرعة، والتعقيم، ومدة الحياة، وتحديات العجلات الرئيسية في حدود الكتلة والطاقة والتكلفة، فمع تزايد طموح البعثات الفضائية، وتوسيع نطاق البحوث الجارية لتشمل نقاطا متقدمة، ومركبات مركبة، والحدود المنغوثيقية.