هوا فضا، که توسط فعالیت های خورشیدی و پدیده های کیهانی هدایت می شود، نشان دهنده یک تهدید مداوم و اغلب غیر قابل پیش بینی برای سیستم های فضاپیما است.در میان حساس ترین اجزای چرخ های واکنش هستند، دستگاه های الکترومکانیکی مسئول کنترل دقیق نگرش، طوفان خورشیدی شدید می تواند عملکرد آنها را کاهش دهد، باعث خرابی موقت، یا حتی منجر به شکست دائمی، اهداف ماموریت به خطر انداختن.

چرخ های واکنش چیست؟

چرخ های واکنش، مجامعی هستند که از تبادل حرکت زاویه ای به یک فضاپیما بدون اخراج پروانه ها استفاده می کنند.هر چرخ شامل یک روتور سنگین است که توسط یک موتور الکتریکی پشتیبانی می شود، که معمولاً با استفاده از بلبرینگ های توپ یا بیشتر از چرخ های مغناطیسی پیشرفته تر پشتیبانی می شود.

چرخ های واکنش برای دقت و توانایی آنها برای سال ها مورد استفاده قرار می گیرند.آنها تقریبا در هر ماهواره مدرن، از جمله تلسکوپ فضایی (FLT:0)ble (، که از چهار چرخ برای قرمزی استفاده می کند، ساخت و ساز آنها شامل تحمل قطعات مکانیکی و الکترونیک حساس است: کنترل کننده های حرکتی، رمزگذاری موقعیت، و مدارهای مدیریت برق که از طریق مسیرهای اولیه فضا ایجاد می کنند، می تواند باعث ایجاد خطای فضایی شود.

تکنولوژی هوا و هوا فضا و اثرات آن بر روی الکترونیک

هوا فضا از خورشید و فراتر از آن سرچشمه می گیرد، خطرات اصلی شامل شعله های خورشیدی، جرم کرونا (CMEs)، ذرات انرژی خورشیدی (SEPs)، و پرتوهای کیهانی کهکشانی (GCRs) است که هر کدام به طور متفاوتی با وسایل الکترونیکی فضاپیما ارتباط برقرار می کنند.

آسیب پذیری پرتو

پروتون های با انرژی بالا، الکترون ها و یون های سنگین می توانند به محافظت نفوذ کنند و باعث ایجاد یونیزاسیون تجمعی و آسیب جابجایی در اتصالات نیمه هادی شوند، در طول ماه ها یا سال ها، این کاهش جذب ترانزیستور، افزایش جریان نشت و انتقال ولتاژ آستانه استفاده شده در رانندگان موتور واکنش به ویژه آسیب پذیر است.

اثرات تک تک Event Effects

تک رویداد ناراحت (SEU) هنگامی رخ می دهد که یک ذره تک انرژی به یک گره حساس در یک مدار دیجیتال حمله می کند، کمی حافظه را تکان می دهد یا باعث یک ولتاژ گذرا می شود.در دستگاه کنترل کننده چرخ واکنش، SEU می تواند الگوریتم های کنترل نگرش فاسد را کنترل کند، باعث یک چرخ به سرعت ناخواسته چرخش کند یا حتی یک کنترل کننده شدیدتر باشد (SEL0) که می تواند به این دستگاه های فعلی کمک کند:

الکتروماتیک و شارژ

شعله های خورشیدی اشعه مغناطیسی شدید را در سراسر رادیو، اشعه ایکس و باندهای اشعه گاما آزاد می کنند، این می تواند جریانها را در سیم کشی و تخته مدار ایجاد کند، و باعث ایجاد نویز شود که خواندن سنسور یا دستورات گشتاور حرکتی را مختل می کند، در همین حال، طوفان های ژئومغناطیسی و تعاملات پلاسما باعث ایجاد سطح فضاپیما و شارژ عمیق الکتریکی می شود.

اثرات حرارتی

شار ذرات پیشرفته در طول رویدادهای خورشیدی می تواند گرمای داخلی را در اجزای الکترونیکی افزایش دهد، به طور بالقوه بیش از دمای عملیاتی ایمن است. (اغلب یک فیلم نازک از روغن یا گریس) ممکن است سریعتر تحت تابش ترکیبی و استرس حرارتی، افزایش اصطکاک و سایش کاهش یابد.

تاثیر خاص بر روی چرخ های واکنش الکترونیک

کنترل کننده موتور چرخ واکنش به طور معمول یک درایو حرکتی DC بدون برس پیچیده با بازخورد از سنسور اثر هال یا حل کننده ها است.این سنسورها بر روی سیگنال های سطح پایین که مستعد صدای ناشی از اشعه هستند، عمل می کنند، اغلب از کویل های زخم و هسته های مغناطیسی تشکیل شده، می توانند تغییرات در عدم انطباق را به دلیل یونیزاسیون تجربه کنند، که منجر به خواندن موقعیت نادرست می شود، این گشتاور، یا حتی متوقف کردن حرکتی، حتی جابجایی، حتی.

برق الکترونیک، مانند ترانزیستورها دو قطبی عایق (IGBTs) یا مایعات در مرحله درایو، مستعد فرسودگی تک رویداد (SEB) هستند که توسط یون های سنگین به ضرب و شتم می رسند، شکست در اینجا می تواند یک چرخ را به طور دائمی بدون قدرت رها کند، به طور مشابه، الگوریتم های کنترل چرخ بر میکروپرپرها یا FPGA ها اجرا می شود.

اجتماعات با استفاده از ایمنی نیست. تشعشع می تواند اجزای پلیمری را در مواد قفس و روان کننده ها تجزیه و تحلیل کند، این به عنوان افزایش کشش فعلی مورد نیاز برای حفظ سرعت، کاهش بهره وری و تولید گرمای اضافی در طول زمان، این سرعت سایش، یک حالت شکست رایج در ماهواره های قدیمی مانند Ga] ماموریت [FLT: 1، 1، نشان می دهد.

سنسور Degradation و Swing

سنسورهای چرخ شامل بارکد سرعت و مانیتورهای دما می توانند باعث تغییرات یا خطاهای جبران شده در زنجیره سیگنال آنالوگ شوند.یک حرکت کالیبراسیون در سنسور سرعت ممکن است کنترل کننده را به سرعت چرخ های اشتباه هدایت کند، که باعث نوسانات در حرکت اپراتورهای روی زمین می شود، اغلب نیاز به بارگذاری جداول کالیبراسیون جدید یا سوئیچ موقت به کنترل حالت های جایگزین در طول رویدادهای خورشیدی دارد.

کاهش عملکرد و چالش های عملیاتی

حتی اگر هیچ شکست فوری رخ ندهد، آب و هوای فضایی به تدریج عملکرد چرخ واکنش را کاهش می دهد.

  • دقت اشاره ای به نقطه عطف: افزایش سر و صدا در سیگنال های سنسور و خروجی گشتاور ناهموار، تصاویر را از مشاهدات زمین یا ابزارهای نجومی معرفی می کند.
  • خطر اشباع وول: اگر اصطکاک ناشی از تابش افزایش یابد، چرخ باید سریعتر چرخش کند تا به همان گشتاور برسد، به حداکثر حرکت زاویه ای خود را زودتر به دست آورد.این نیرو مانور تخلیه را تحریک می کند، مصرف محرک و عملیات ظریف مزاحم.
  • کوتاه مدت زندگی تحمل؛ تخریب لوبریکان تحت تابش و دوچرخه سواری حرارتی سرعت سایش، منجر به افزایش لرزش و تشنج نهایی.
  • افزایش مصرف برق: کنترل کننده های موتور خطا یا اصطکاک بالاتر قدرت بیشتری را جذب می کنند، و بر سیستم قدرت فضاپیما تاکید می کنند.
  • وقفه های عملیاتی: در طول طوفان های شدید خورشیدی، اپراتورهای ممکن است فضاپیما را به حالت امن قرار دهند، و مشاهدات علمی را تا زمانی که شرایط بهبود یابد، متوقف کنند.

استراتژی های پذیرش

مهندسان یک دفاع لایه ای برای محافظت از دستگاه های الکترونیکی واکنش از آب و هوا فضا را به کار می گیرند، هیچ راه حل واحدی کافی نیست؛ قابلیت اطمینان از ترکیب سیستم های سپر، سیستم های اضافی، طراحی تحمل خطا و برنامه ریزی دقیق عملیاتی می آید.

پرتوی: Shield

محافظت محلی با استفاده از آلومینیوم، تاantalum یا تنگستن احاطه شده است حساس ترین الکترونیک، با این حال، محدودیت وزن محدود می کند که چقدر می توان اضافه کرد.برای یک مونتاژ چرخ واکنش معمولی، چند میلی متر آلومینیوم می تواند دوز در کنترل کننده موتور را با یک اندازه کاهش دهد.

دانلود بازی Redundancy and Fault Tolerance

فضاپیمای انتقادی سه یا چهار چرخ واکنش را حمل می کند – هر سه کنترل کامل سه محور را در صورت یک شکست، چرخ های باقی مانده می توانند دوباره پیکربندی کنند. الکترونیک اغلب به صورت سه جانبه اضافه می شوند، با رأی اکثریت برای ماسک زدن حوادث تک، حافظه در کنترل ها از کدهای اصلاح خطا (ECC) برای شناسایی و تعمیر نرم افزار SEU می تواند چرخ فعلی، سرعت و دمایی را به طور خودکار کنترل کند.

برنامه ریزی عملیاتی و نظارت بر زمان واقعی

کنترل ماموریت مشترک به پیش بینی آب و هوا از آژانس هایی مانند مرکز پیش بینی آب و هوا فضا قبل از ورود پیش بینی شده CME، اپراتورهای ممکن است جمع آوری داده های علمی و برق را کاهش دهند و برق را به سمت الکترونیک غیر ضروری در طول رویداد، آنها ممکن است فضاپیما را در یک "رفتار امن" با پانل های خورشیدی که با خورشید و چرخ های در سرعت های تشخیص متوسط مواجه هستند، کار کنند.

انتخاب قطعات و سخت شدن

استفاده از اجزای پرتوی که برای دوز بالا و ایمنی به چفتوپ امتیاز داده شده اند استاندارد است.تولید کنندگان مانند Honeywell و BAE Systems میکروپرهای سخت و FPGAs را برای درایوهای موتور چرخ واکنش ارائه می دهند، طراحان با امتیاز ولتاژ بالاتر برای تحمل بیش از حد استرس از SEB، روانکاری برای گازهای پایین و مقاومت اشعه، به عنوان مثال، روغن های ضد انعقادی انتخاب می شوند.

آزمایش زمین

قبل از پرتاب، چرخ های واکنش تحت آزمایش گسترده اشعه های رادیویی قرار می گیرند. تابلوهای الکترونیکی در معرض پرتوهای پروتون و سنگین قرار می گیرند تا SEU و SEL Cross-بخش های چرخ را اندازه گیری کنند.

مسیر های آینده و تحقیقات

از آنجایی که ماموریت های فضایی به مدار بالاتر و مدت زمان طولانی تر می روند، مقاومت در برابر چرخ واکنش باید بهبود یابد.

  • تابش فعال محافظت می کند: [FLT 1] با استفاده از میدان های الکترواستاتیک یا مغناطیسی برای تخریب ذرات شارژ، هر چند قدرت و توده باقی مانده چالش.
  • فن آوری های پیشرفته تحمل: ، پس از مغناطیسی تماس مکانیکی، کاهش اصطکاک و حذف مسائل روانکاری، چندین ماموریت اخیر، از جمله کسانی که از (FLT:2) استفاده می کنند، مغناطیسی توسعه یافته ، زندگی طولانی تر نشان داده اند.
  • ] تشخیص یادگیری ماشین: Onboard AI می تواند نشانه های ظریف از آسیب های تابشی یا تخریب انضباطی را تشخیص دهد، تنظیم استراتژی های کنترل در زمان واقعی برای گسترش زندگی چرخ.
  • مواد جدید: ترانزیستور های قدرت گالیم نیتید (GaN) تحمل تابش بالاتر از سیلیکون را نشان می دهند، در حالی که روتورهای فیبر کربن جرم و غیرشیا را کاهش می دهند، اجازه می دهد موتورهای کوچکتر با وسایل الکترونیکی کمتر.

هوا فضا همیشه عامل طراحی فضاپیما خواهد بود، اما از طریق مهندسی دقیق و ادامه سرمایه گذاری در فن آوری های سخت، چرخ های واکنش می توانند نقش اساسی خود را در کنترل دقیق نگرش برای دهه های آینده حفظ کنند.این بازی بین طوفان های خورشیدی و وسایل الکترونیکی حساس نیاز به هوشیاری مداوم دارد - هر دو در زمین و در مدار.