إن سواتل رصد الأرض هي أدوات الرصد البيئي الحديث، وعلوم المناخ، وإدارة الكوارث، ولإعطاء صورة سريعة الاستبانة، وتتبع إزالة الغابات في الأمازون، وقياس درجات الحرارة السطحية البحرية، أو دعم الزراعة الدقيقة - يجب أن تكون المركبة الفضائية ثابتة ودقيقة بشكل غير عادي، والفرق بين الصورة القابلة للاستعمال وجهاز غير واضح غالبا ما يهبط إلى مستوى القدرة على استخدام أجهزة الدفع الجزئية التي تتسم بالاستقرار.

ما هي العجلات الراتب؟

عجلة الرد هي دوار الكتلة - عجلات الذباب داخل قمر صناعي، ترتفع أو تبطئ بواسطة محرك كهربائي، المبدأ الأساسي هو الحفاظ على الزخم الجذري: عندما تتسارع عجلة القيادة في اتجاه واحد، تدور الجسم الساتلي في الاتجاه المعاكس، وهذا يسمح للمهندسين بتعديل توجه المركبة الفضائية بدقة (خط الطول) دون إطلاق النار أو طرد أي كتلة.

وتُبنى عجلات الرد عادة من قفص معدني أو مركب عالي التحلل، مدعومة بعلامات دقيقة ويقودها محرك تابع لمبنى DC بلا فرش، وتُقام المجمع بأكمله في حاوية مختومة، وغالبا ما تكون مجهزة بغاز غير ملوث أو تعمل في فراغ، لتقليل السحب والتلوث إلى أدنى حد، وتُدمج عجلات الرد الحديثة من بضعة سنتيمتر في وحدات فضائية كبيرة الحجم.

الفرق بين عجلات التفاعل وعجلة الحركة غير مهمة عادة ما ترتفع عجلة الزخم بسرعة عالية باستمرار لتوفير التشعبات الجيروسكوبية، ومساعدة الساتل على مقاومة العروق الخارجية، وعجلة الرد، على العكس، مصممة لتسريع وتسريع مستمر لإنتاج أجهزة التحكم في السلوكيات، وكثير من نظم التحكم في سلوك السواتل تجمع بين كلا النوعين، أو تستخدم مجموعة من العجلات في توفير العجلات.

How Reaction Wheels Enable Precise Pointing

إن الإشارة الدقيقة إلى قمر صناعي لرصد الأرض ليست إجراءً واحداً بل عملية مراقبة مقفلة، نظام تحديد مواقف الساتل الذي يستخدم أجهزة تتبع النجوم ومجسات الشمس والجراجات التي تضبط الاتجاه الحالي إلى الدقة دون الثانية، ويقارن هذا الحاسوب بالتوجه المرغوب ويحسب العمود الفقري اللازم لتصحيح أي خطأ، وبالتالي فإن هذا التقلبات تُرسل إلى محرك الرد.

ونظراً لأن عجلات الرد يمكن أن تُدخل تعديلات دقيقة للغاية - أحياناً بضعة آلاف من درجة في الثانية - هي مثالية للتعقب البطيء والمطّرد اللازم لرصد الأرض - عندما يُتجاوز الساتل هدفاً، يجب أن يحافظ على هذا الهدف في مجال النظر لعدة ثوانٍ بينما يُستشعر المرآة أو أجهزة الاستشعار، وأي جهاز للتعقب أو يُشبّخ الصورة بدرجة أقل.

التحكم في الغوريثم والأداء

وتستخدم البرامجيات التي تملك عجلات تفاعلية التحكم في المشتقات التكاملية، وكثيرا ما تكون مع معدلات إضافية للتغذية مقابل حساب السدود الخارجية المعروفة (مثل درجة الجاذبية أو ضغط الإشعاع الشمسي) وتستخدم البعثات المتقدمة أجهزة قياسية نموذجية للتنبؤ أو مقاييس تكييفية للحفاظ على نقطة الاحتكاك بالعجلات مع مرور الوقت، ونتيجة لذلك تحقق سواتل رصد الأرض الحديثة بشكل روتيني نسبة 0.00

مثال توضيحي: لاندسات 8 ولاندسات 9 يستخدمان عجلات رد فعل من هونيويل (الموارد البشرية 12 و عارضات الموارد البشرية 16) لتحقيق معرفة واضحة بـ 9.6 ثانية من القطب الشمالي ونقطة استقرار تبلغ 5 ميكروات خلال فترة تكامل مدتها 1 ثانية، وهذا الأداء يسمح لجهاز إدارة الأراضي العملياتي بأن ينتج صوراً لتسوية تبلغ 15 متراً دقيقة جغرافياً في حدود 12 متراً من المساحة الأرضية.

آثار العجلات الرهينة على رصد الأرض

وتأتي أفضلية عجلات الرد على المدافع في البعثات التي تتسم بأهمية حاسمة من عدة فوائد واضحة:

  • عجلات الرد تستخدم الطاقة الكهربائية فقط التي يمكن أن تولدها الألواح الشمسية لعقود، تستهلك العجلات الوقود، وتحد من عمر البعثة، وتحتفظ بمحركات الدفع التي تُستخدم في مدارات كبيرة أو في حالة الطوارئ، ويمكن أن تعمل السواتل لمدة 10-15 سنة أو أكثر، وأجهزة الدفع التي تعمل في إطارها أجهزة الدفع التي تعمل في الماضي.
  • High Precision and Smoothness:] Reaction wheels provide continuous, linear control torque with very fine resolution, they do not produce the impulsive forces of small chemical pushs, which can excite structural vibrations. This smoothness is essential for interferometric synthetic aperture Radio (InSAR) missions like Sentin
  • Reaction wheels produced Contamination:] Thrusters eject hot gases that can condense on sensitive optics or solar cells.
  • Mechanical Simplicity (in concept): ] A reaction wheel assembly has one moving part (the rotor assembly with bearings) compared to the many valves, injectors, and nozzles of a powerer system. This simplicity can translate into higher reliable when bearings are properly designed.

القيود والحلول الهندسية

وعلى الرغم من مزاياها، فإن عجلات الرد لا تواجه تحديات، بل إن أكثر المسائل المعروفة هي الاستمناء .

تقنيات الاستمناء

وتستخدم ثلاث طرق رئيسية لتفريغ قوة الدفع المتحركة للرد:

  • (الآلات المغناطيسية) (الناموس): Coils that create a magnetic dipole, which interacts with Earth's magnetic field to produce a torque. Magnetorquers are simple, light weight, and require no propellant.
  • Thrusters (Reaction Control System): ] Small chemical or electric pushers can fire briefly to apply a torque that unloads the wheel. This consumes propellant, so it is used sparingly-often only when magnetorquers cannot provide enough torque, such as during emergency maneuvers or in geostationary field where the magnetic field.
  • Gravity Gradient and Solar Radiation Pressure: ] In some missions, the spacecraft's natural dynamic environment can be harnessed. By rotating the satellite relative to the gravity gradient, or by adjusting the angle of solar panels relative to the sun, small torques can be applied to manage wheel momentum.

العجلات الميكانيكية والطرق الفشلية

إن محركات العجلات المتفاعلة هي أكثر نقاط الفشل شيوعا في البعثات الفضائية الطويلة الأمد، وفي ظل الفراغ، يمكن لأجهزة التشحيم أن تتبخر أو تهاجر، مما يؤدي إلى زيادة الاحتكاك، أو " الضبط " أو توليد الحطام المجهري الذي يمكن أن يلحق ضررا بالسطح، وتولد السرعة العالية الحرارة، مما يعجل تدهور التربة.

  • باستخدام مواد التشحيم التي تختبر مدى الحياة والتي تحمل درجة فضائية مثل برايكوت 601 أو شحم البيرفلوروبولاي الأخرى المماثلة.
  • دمج المسخان للحفاظ على درجة حرارة العجلات في نطاق أمثل.
  • تصميم نظم فعالة للتعويض عن اختلال التوازن تُعدّل الظروف السائدة في الكتلة.
  • تشغيل عجلات متعددة (أربعة في المائة في تشكيلة تراتابرا) حتى يمكن للثلاثة الباقين أن يقدموا مشعلا كاملا للتحكم في حال فشلهم.

أجهزة التزود بالأجهزة الصغيرة والطائرات الصغيرة

حتى عجلات تفاعل متوازنة تماما تنتج بعض الإهتزازات بسبب الاضطرابات و مزق المحركات

  • :: عجلات تفاعلية متنقلة على أجهزة الإيزوائية السلبية (مثلاً، أجهزة الرطوبة أو المزلاجات الجماعية الملتوية).
  • عجلات التشغيل بالسرعة التي تتجنب ترددات الصمود الهيكلي
  • باستخدام التحكم التكييفي في الأشعة الأمامية حيث يُقيس جهاز التسارع الخاص بالسواتل و محرك العجلات يُأمر بإلغاء الإضطراب

نظم رصد الأرض الحقيقية في العالم باستخدام العجلات الرقابية

إن عجلات الرد متماثلة في أسطول مراقبة الأرض، وتبدو أمثلة بارزة تتراوح بين البعثات العلمية التي تعملها الحكومة وبين الصور التجارية ذات الاستبانة العالية:

برنامج (ناسا) لـ(لاندسات)

(د) أن يكون كل من هذه العجلات (Handsat 8) و9، التي أطلقت في عام 2013 و2021 على التوالي، يحمل أربع عجلات رد فعل (HHubwell HR16) مرتبة في شكل هرم، وتوفر العجلات الدقة اللازمة لجهاز التحكم في الأرض العملياتي (OI) وجهاز الاستشعار الحراري (Trmal Infrared) وتُحَمَّل العجلات باستخدام أجهزة التحكم المغناطيسي مستحيلة.

جهاز الاستشعار الفضائي الأوروبي

ويستخدم جهاز الاستشعار من طراز Sentinel-1A و -1B (وجهاز الاستشعار الاصطناعي الوشيك) مجموعة من رادارات الفتحة الاصطناعية ذات النطاقات C.

(ماكسار) (العالم الثالث) و(4)

وتنتج هذه السواتل التجارية للتصوير المتحرك من الفضاء رقم 31 سنتيمتر، وهو أعلى ما يمكن الحصول عليه من الفضاء، ويعتمد الطلب على هذه الصور الحادة على عجلات رد الفعل من هونويل أو روكويل كولينز (وهنا الآن كولينز أيروسوس) لإبقاء المقراب ثابتا تماما بينما يتحرك الساتل في حوالي 8 كيلومترات في الثانية، والدقة العالمية في الساتل تشير إلى أكثر من 10 مترات في حلقة اختبار مراقبة النوادر.

"نوا" "مسلسل "جي إس آر

وتستخدم السواتل الأرضية الثابتة لطقس الطقس مثل غوس - ١٦ و GOES - ١٨ عجلات للزخم )متغير من عجلات التفاعل المتطايرة بسرعة عالية مستمرة( لتوفير تشنجات كهربية، بالإضافة إلى عجلات تفاعل أصغر لضبط عجلة خط الأساس المتقدمة، بل إن التحدي أكبر لأن السواتل الثابتة الثابتة المدارية تتعرض لضغط إشعاعي شمسي ثابت يجب أن تعالجه عوامل الدافع المتحركة.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا الارتداد

ومع توسع نطاق تقليل سواتل السواتل وتقليص حجمها تجاريا، لا تزال عملية تطوير عجلات التفاعل تتطور:

  • Miniaturized Wheels for CubeSats:] Several companies now offer reaction wheels weighting under 200 grams and consuming only 1-2 wats. These allow CubeSats to achieve sub-degree pointing accuracy, enabling high-resolution Earth observation from platforms the size of a shoesbox. Examples include the Blue Canyon technologies
  • (ب) يمكن أن تعرض أجهزة التصوير المتحركة (CMGs): بالنسبة للمركبات الفضائية الكبيرة جداً أو البعثات التي تحتاج إلى مصفوف سريعة (مثلاً، توجيه أهداف متعددة في التعاقب السريع)، أجهزة التصوير المقطعي للأشعة السينية، مقلبات أعلى من عجلات الرد.
  • Bearingless (Magnetic Suspension) Wheels:] To eliminate bearing wear entirely, research groups are developing reaction wheels that levitate using active magnetic bearings. These wheels could turn at very high speeds withoutميكانيكي contact, reducing jitter and extending life. The challenge is the complexity and power consumption of the magnetic suspension control.
  • Integrated Desaturation: Future satellites may combine reaction wheels with electric propulsion pushers that use the same power bus. The electric pushers can provide very fine to desaturation, consuming only inert gas. This is already seen on the European Space Agencys BepiColombosion mission to Mercury, which uses electric des propulation.

خاتمة

إن عجلات الرد هي حجر الزاوية في تصميم السواتل الحديثة لرصد الأرض، وقدرتها على توفير تسارع مستمر عالي الدقة دون استهلاك الوقود المحدود، مما يمك ِّن البعثات التي تعمل لمدة عقد أو أكثر، ويوصل التصوير الثابت اللازم لرصد المناخ والتصدي للكوارث والاستشعار التجاري عن بعد، وفي حين أن هذه الصور لا تزال دون تحديات، حيث إن الارتداد بالزوابق، وأجهزة التحكم في الكائنات الحية الدقيقة قد وضعت حلولاً قوية من خلال هياكل متداخلة.

وللحصول على مزيد من القراءة عن الفيزياء وتطبيق عجلات الرد، تقدم وكالة الفضاء الأوروبية لمحة عامة ممتازة في مقالات عجلة الرد . ويمكن الاطلاع على مواصفات أكثر تفصيلاً للوحدات التجارية المشتركة على هونيويل: صحيفة بيانات .