چرخ های واکنش محرک های ضروری در سیستم های کنترل نگرش فضاپیما هستند، که تغییرات جهت گیری دقیق را بدون اخراج پروانه ها فراهم می کند. برای ماموریت هایی که نیاز به تخریب سریع یا مدیریت حرکت بزرگ دارند، چرخ های واکنش با چگالی بالا، ضروری می شوند. طراحی این چرخ ها برای تقاضای گشتاور شدید، الزامات پیچیده مهندسی را که شامل مواد، فن آوری موتور، کنترل حرارتی و کاهش لرزش است، این مقاله کشف اصول طراحی فیزیک پیشرفته، و راه حل های اکتشافی مدرن را قادر می کند تا نیازهای دقیق را برآورده کند.

اصول عملیات چرخ واکنش

چرخ های واکنش از حفاظت از حرکت زاویه ای بهره می برند، هنگامی که یک موتور الکتریکی سرعت یا تخریب یک چرخ پرواز را تسریع می کند، فضاپیما یک گشتاور برابر و مخالف را تجربه می کند.با کنترل سرعت سه یا چهار چرخ سواره شده توسط یک فضاپیما می تواند در مورد هر محور چرخش کند.

Angular Momentum و روابط گشتاور

گشتاور تولید شده توسط یک چرخ واکنش متناسب با لحظه عدم تحرک روتور و شتاب زاویه ای آن است.برای طرح های باتور بالا، مهندسان به حداکثر رساندن Inertia روتور - از طریق قطر بزرگتر یا توده بالاتر - با این حال، افزایش درونگرایی بارهای ساختاری را افزایش می دهد و نیاز به بلبرینگ های قوی تر دارد.

ذخیره سازی در مقابل Momentum Storage

چرخ واکنش دو نقش را ایفا می کند: تولید گشتاور و ذخیره سازی حرکت بالا (برنامه های با ذخیره سازی بالا) اغلب بر گشتاور بیش از حرکت ذخیره شده تأکید می کنند، در حالی که ذخیره سازی حرکت به سرعت بالا پایدار متکی است، تقاضای گشتاور گشتاور گشتاور گشتاور گشتاور گشتاور گشتاور گشتاور گشتاور بر حرکت حرکتی و مکانیکی (۳:۳) باید تعادل را به عنوان یک واحد (FLT:۰٫۰) و قدرت توده ای می تواند به عنوان یک مقدار جرم و یا یک را مجازات کند.

پارامترهای طراحی کلیدی برای سیستم های با کیفیت بالا

طراحی چرخ واکنش با سنسور بالا نیازمند انتخاب دقیق چندین پارامتر وابسته به هم است.

چگالی گشتاور

چگالی گشتاور - هر توده واحد - یک متریک حیاتی برای برنامه های فضایی است که در آن هر کیلوگرم اندازه می گیرد. چرخ های باتور بالا اغلب از روتور کامپوزیت و مدارهای مغناطیسی پیشرفته برای فشار چگالی گشتاور فراتر از 0.5 N ·m /kg نوآوری در پیچ و تاب موتور و مواد مغناطیسی، مانند Samarium-cobalt یا نئونیوم-onbo آهنرباهای مغناطیسی، به طور قابل توجهی کمک به دستیابی به گشتاور بالا بدون افزایش وزن.

حداکثر سرعت عملیاتی

سرعت توسط قدرت مواد روتور و قابلیت های تحمل محدود است. چرخ های باتور به طور معمول در سرعت بین ۲۰۰۰ تا ۶۰۰۰ دور کار می کنند. سرعت سریع تر اجازه می دهد قطر کوچکتر اما افزایش تنش های سانتریفوژ و سایش تحمل.

زندگی و قابلیت اطمینان

ماموریت های Spacecraft می توانند 10 تا 15 سال طول بکشند، عملیات با سرعت بالا به دلیل بارهای بالاتر و سیستم های حرارتی.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک اغلب با استفاده از قفس های پلیمری رقیق کننده روغنی یا مخازن متخلخل، برای زندگی طولانی طراحی شده اند.

انتخاب مواد و طراحی مکانیک

انتخاب مواد به طور مستقیم بر عملکرد چرخ، جرم و دوام تاثیر می گذارد.

دانلود فیلم The Rotor Materials

آلیاژهای آلومینیوم با قدرت بالا (به عنوان مثال، 7075-T6) انتخاب های سنتی هستند، اما طرح های مدرن از پلیمرهای کربنی- فیبر-دررو (CFRP) یا کامپوزیت های فلزی استفاده می کنند. CFRP یک نسبت قدرت بالا به وزن و گسترش حرارتی را ارائه می دهد، کاهش حساسیت به شدت گشتاور، سفتی عالی و سخت است (F همچنین باید کاهش وزن و کاهش یابد: همچنین باید کاهش وزن آن را کاهش دهد.

سیستم های با

لبه ها بیشترین جزء شکست در چرخ های واکنش هستند. طرح های با کابینت بالا از بلبرینگ های تماس زاویه ای با جفت های پیش بارگذاری شده برای رسیدگی به بارهای محوری و شعاعی استفاده می کنند. مواد شامل فولاد سخت (۴۰C) یا بلبرینگ های هیبریدی سرامیکی (گل های نیتیدیکونید) که اصطکاک و سایش را کاهش می دهند.

مسکن و ارتقاء

مسکن چرخ باید سفت و سخت باشد تا از تغییر شکل در واکنش گشتاور جلوگیری کند که معمولا از آلیاژهای سبک ساخته شده است، مسکن همچنین شامل مسیرهای حرارتی برای پخش گرما است. رابط های ثابت اغلب از خم شدن یا ارتعاشات استفاده می کنند تا عدم تعادل چرخ را از ساختار فضاپیما جدا کنند.

موتور و درایو الکترونیک

موتور باید گشتاور دقیق را با کارایی بالا و کم کندگی ارائه دهد.

هواپیمای DC Motors

موتورهای DC بدون برس سه فاز استاندارد هستند.برای گشتاور بالا، طراحان موتورهای را با تعداد بالایی از جفت های قطب و پیچ های متمرکز انتخاب می کنند تا گشتاور را در هر آمپر به حداکثر برسانند. پیکربندی های حرکتی بدون اسلات باعث کاهش گشتاور می شوند، که کنترل صاف تر در سرعت های پایین را فعال می کند.

الگوریتم های کنترل

دستورات با چگالی بالا نیاز به کنترل پیشرفته برای جلوگیری از عیب یابی و نوسان دارد. ] کنترل زمین گرا [ (FOC) معمول است، ارائه پاسخ سریع گشتاور و بهره وری برای تخلیه حرکت، کنترل کننده باید با چرخ های واکنش از دیگر محورها هماهنگ شود. نرم افزار شامل مدیریت اشباع و یک برنامه ریزی سازگار برای حفظ ثبات در سراسر محدوده گشتاور.

استراتژی های مدیریت حرارتی

گرما یک محصول اصلی از عملیات با راننده بالا است و خلاء فضا خنک کننده های جمعی را از بین می برد.

منبع های تولید گرما

تلفات مقاومت موتور (I2R)، اصطکاک و جریان های رقص در روتور گرما را تولید می کنند.در گشتاور بالا، دما به سرعت افزایش می یابد، خطر جذب آهنرباهای دائمی و تجزیه و تحلیل حرارتی باید بدترین چرخه های وظیفه مورد نظر را در نظر بگیرد، مانند کشت مکرر.

خنک کننده های Passive and Active Cold

اکثر چرخ های واکنش به خنک کننده منفعل متکی هستند: مسیرهای هدایت کننده به اتوبوس فضاپیما از طریق بند حرارتی یا لوله های حرارتی، برخی از طرح های با قدرت بالا رادیاتورها را در مسکن چرخ قرار می دهند. خنک کننده فعال با استفاده از حلقه های پمپ شده نادر است اما برای موارد شدید مواد با هدایت حرارتی بالا، مانند آلومینیوم یا مس، کمک به گسترش پوشش حرارتی (خفیزیکی بالا) برای بهبود تابش فضا.

برای بیشتر در کنترل حرارتی فضاپیما، به نمای حرارتی مراجعه کنید.

ارتعاش و تعادل

میکروپراسیون های چرخ واکنش می توانند عملکرد محموله های حساس مانند تلسکوپ یا تداخل سنج را کاهش دهند.

Dynamic تعادل

چرخ های باتور بالا نیاز به تعادل بسیار دقیق برای به حداقل رساندن تعادل باقی مانده است. ماشین های متعادل سازی چند سیاره ای درست برای خطاهای توزیع انبوه.پس از مونتاژ، چرخ ها به ISO 1940 G0.4 یا بهتر برای ماموریت با الزامات سخت تر، سیستم های متعادل سازی فعال با استفاده از توده های متحرک توسعه یافته اند.

تکنیک های Damping

حتی چرخ های کاملا متعادل نیز ارتعاشات تحمل و گشتاور حرکتی را تولید می کنند.پرونده های Soft-mount با چشمه های elastomeric یا فلزی در معرض اختلالات فرکانس بالا قرار می گیرند. مرطوب کننده های توده ای گاهی به مونتاژ چرخ یکپارچه می شوند.

آزمون و صلاحیت

هر چرخ واکنش با صندلی بالا قبل از پرواز فضایی تحت آزمایش دقیق قرار می گیرد.

صلاحیت شامل:

  • [در این میان] دوچرخه سواری کنید [[۱۰] [۱۰] [۱] [۱]] [۲۲] [۱] [۲۲] [۱] [۲۲]] [۲۲]] [۵] [۵] [۲۲]] [۲۲]] [۲۲] [۲۲] [۲۲]] [۲۲] [۲۲] [۲۲] [۲۲] [۲۲] [۸] [۸] [۳۲] [۳۲] [۳۲] [۸] [۳۲] [۸] [۸] [۸] [۸] [۸] [۵] [۵] [۸] [۵] [۸] [۵] [۵] [۸] [۵] [۵] [۸] [۵] [۸] [۸] [۸] [۸] [۵] [۵] [۲۲] [۵] [۵] [۲۲] [۲۲] [۲۲] [۸] [۸] [براى [براى [براى [براى [براى [براى [براى] [براى [براى [براى [براى [۲۲] [براى [براى [براى] [براى [براى [براى [براى [بر
  • [در این باره] [و] [و [از این رو] و شوک [از روی] [و [از روی] [و [از این رو] [بر روی] پرتاب] کلیک کنید.
  • [در این باره]: [[۱]] [۱۰] تست حیات: [[۱۰] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱] برای سال ها در خلاء در گشتاور بالا عمل می کند.
  • نقشه برداری عملکرد (FLT 1) خروجی را در محدوده سرعت و ولتاژ بررسی کنید.
  • [[۱] [۱۰] اندازه گیری میکروبکی (FLT ۱)

استانداردهایی مانند ECSS-E-ST-35-02C بر روش های تست نظارت می کنند.یک مطالعه دقیق در مورد تست چرخ واکنش در این مقاله AIAA ارائه شده است.

نوآوری های آینده

پیشرفت در مواد و وعده های عملی حتی قابلیت های گشتاور بالاتر.

Super Supering Lighting

عایق های ابررسانی با دمای بالا (HTS) می توانند روتور را از بین ببرند، اما هنوز هم تجربی هستند، یاتاقان های HTS زندگی نزدیک به نامحدود و سایش صفر را ارائه می دهند، که سرعت و گشتاور بسیار بالاتری را فراهم می کند.

نظارت بر مواد هوشمند و ساختار سلامت

سنسورهای جاسازی شده و آلیاژهای شکل می توانند چرخ های واکنش را به تعادل خود یا تنظیم سفتی ساختاری اجازه دهند.شزوالکتریک یکپارچه در موتور می تواند در زمان واقعی ارتعاشات را خنثی کند.این ویژگی های هوشمند قابلیت اطمینان را افزایش می دهند و نیاز به حاشیه های بیش از حد را کاهش می دهند.

برای بینش در مورد محرک های بعدی فضاپیما، ببینید صفحه فناوری فضایی کوچک ناسا.

نتیجه گیری

طراحی چرخ های واکنش برای برنامه های با کیفیت بالا نیاز به یک رویکرد سطح سیستم است که تعادل علم مواد، طراحی موتور، مدیریت حرارتی و کنترل ارتعاش را فراهم می کند.هر پارامتر -inertia، سرعت، گشتاور، طول عمر - باید در محدودیت های توده، قدرت و هزینه بهینه سازی شود، زیرا ماموریت های فضایی به صورت بلند پروازانه، تحقیقات مداوم به بلبرینگ های پیشرفته، کامپوزیت ها و الگوریتم های کنترل ادامه می دهد تا به چالش های دقیق مهندسی، با استفاده از این سرعت، به دست آورند.