עיצוב גלגלי תגובה יישומים גבוהים בחלל

גלגלי התגובה הם פועלים חיוניים במערכות בקרת הגישה של החללית, המאפשרים שינויים אוריינטציה מדויקת ללא גירוש דחף.עבור משימות הדורשות שיוט מהיר או ניהול מומנטום גדול, גלגלי תגובה גבוהה הופכים הכרחיים.עיצוב הגלגלים אלה לדרישות קיצוניות להורדת דחפור מציגות מורכבות הנדסה משולבת של חומרים מעורבים, טכנולוגיה מוטורית, בקרה תרמית, ורטימנטציה.זה חוקר את הפיזיקה, עקרונות עיצוב, ומאפשר פתרונות מתקדמים לפתרונות מתקדמים של חלליים מתקדמים לפתרונות מתקדמים של פתרונות מתקדמים של תהליכים מתקדמים של תהליכים מתקדמים של תהליכים מתקדמים של תהליכים מתקדמים.

תוצאות של Reaction Wheel Operation

גלגלי התגובה מנצלים את שימור המומנטום הזוויתי.כאשר מנוע חשמלי מאיץ או משמיד גלגל זבוב, החללית חווה מומנט שווה ומנוגד.על ידי שליטה על המהירות של שלושה או ארבעה גלגלים רכובים באופן אורטוני, חללית יכולה לסובב על כל ציר. גלגלי תגובה גבוהים נבדלים על ידי יכולתם לספק דחפים זוויתיים גדולים במהירות, אשר קריטי עבור חלליות גדולות או תובעני במהירות.

רגעים ngular Momentum ו-Torque Relations

ה- torque המיוצר על ידי גלגל תגובה הוא פרופורציה של הרוטור ואת האצה הזוויתית שלו. עבור עיצובים גבוהים, מהנדסים למקסם את inertia רוטטור - דרך קוטר גדול יותר או מסה גבוהה יותר - ואת יכולות מומנט מוטורי. עם זאת, הגדלת inertia מעלה עומסים מבניים ודורשת יותר נושאים חזקים.

Torque לעומת הרגע אחסון

גלגל תגובה משרת שני תפקידים: ייצור מומנט אחסון תנופה.יישומים גבוהים מדגישים לעתים קרובות מומנט על מומנט על מומנט המוחזק על מומנטום אחסון מאוחסן על מהירות גבוהה מתמשכת, הביקוש מומנט מדגיש את הממשק המנועי והמכני. מעצבים חייבים לאזן את הגלגל של גלגל ה-FLT:0 [מקסימום] מומנטום 1 נגד דירוג שלו:2angular מומנטום קיבולת: 3, כמו גם מסה אחת, 000 כוח מסה אחד יכול.

ראשי תיבות של High-Torque Systems

תכנון גלגל תגובה מוצלח דורש מבחר זהיר של כמה פרמטרים בין-תלויים.

הכחשה

צפיפות Torque - המסה יחידתית - היא מדד קריטי עבור יישומי חלל שבו כל קילווגרם ספירה. גלגלים גבוהה-טורק לעתים קרובות להשתמש רוטורים מורכבים מעגלים מגנטיים מתקדמים לדחוף צפיפות מומנט מעבר 0.5 Nm / ק"ג. חידושים במנועי רוח וחומרים מגנטיים, כגון samarium-cobalt או ניאוmium-iron-boron, לתרום באופן משמעותי להשגת משקל מופרז.

מהירות הפעלה מקסימלית

מהירות מוגבלת על ידי כוח חומרי רוטר ויכולות נושא.גלגלים גבוהים פועלים בדרך כלל במהירויות בין 2,000 ל-6,000 מהירויות מהירה יותר מאפשרות לקוטרים קטנים יותר, אך מגבירים את הלחץ הצנטריפוגלי ונושאים. עבור תרחישים גבוהים, מעצבים לעתים קרובות מעדיפים מהירויות נמוכות יותר וטררקטורים גדולים יותר כדי למנוע מצבי כישלונות כמו התפרץ.

חיים וגמישות

משימות חלל יכולות להימשך 10-15 שנים. פעולות גבוהות מאיצות את ההשפלה של הנושא עקב עומסים גבוהים יותר וחום. מערכות לובריון, לעתים קרובות באמצעות כלובים פולימרים מאוישים שמן או מאגרי ⁇ , יש לתכנן לחיים מורחבים. Redundant Bears ו-Hemetic Sealing נפוצים בעיצובים גבוהים.

עיצוב חומרי ועיצוב מכני

בחירה חומרית משפיעה ישירות על ביצועי הגלגל, המסה, והעמידות.

חומרים רוטר

סגסוגת אלומיניום גבוהה (למשל, 7075-T6) הן אפשרויות מסורתיות, אבל עיצובים מודרניים משתמשים בפולימרים פחמן- סיביים (CFRP) או מרכב מתכת מורכב. CFRP מציע יחס גבוה למשקל משקל והתרחבות תרמית נמוכה, צמצום הרגישות לאיזון.

מערכות

Bearings הם הרכיב הכשל ביותר בגלגלי התגובה.עיצובים גבוהים משתמשים בכדור מגע זוויתי עם זוגות preloaded כדי להתמודד עם עומסים אקסקליאליים ורדיוניים.חומרים כוללים פלדה קשה (440C) או דובים היברידיים קרמיקה (כדורי חנקן קרמיקה) אשר להפחית את החיכוך וללבוש. עבור היישומים הגבוהים ביותר ל-torque, מגנטים הם נחקרים, למרות שהם מוסיפים מורכבות כוח.

דיור והרטינג

דיור הגלגל חייב להיות נוקשה כדי למנוע עיוות תחת תגובה torque. בדרך כלל נעשה מסגסוגת קל משקל, דיור גם משלב נתיבים תרמיים כדי קורנט חום. ממשקי הרטינג לעתים קרובות להשתמש flexures או מנטרול רטט כדי decouple חוסר האיזון השברירי של הגלגל מן המבנה החללית.

מנוע ו- Drive Electronics

המנוע חייב לספק מומנט מדויק עם יעילות גבוהה ונפיחות נמוכה.

Brushless DC Motors

שלושה מנועים מכחולים שאינם נצפים DC הם סטנדרטיים.עבור מומנט גבוה, מעצבים בוחרים מנועים עם מספר גבוה של זוגות קוטבים ורוחות מרוכזות כדי למקסם את ה- torque per ampere. תצורה מוטורית ללא ספק להפחית מומנט cogging, המאפשר שליטה חלקה במהירויות נמוכות. מגנטים נדירים-earth לספק את צפיפות שפעת הנדרשת.

שליטה על Algorithms

פקודות בעלות גבוהה דורשות שליטה מתקדמת כדי להימנע מפתרון יתר וחנקן.(FLT:0Field-oriented controlFbilment: 1) (FOC) הוא טיפוסי, מתן תגובה מהירה ויעילות.עבור תנופה ללא עומס, על הבקר לתאם עם גלגלים תגובה מאקסס אחרים.תוכנות כולל ניהול חישוק ותזמון הסתגלות כדי לשמור על יציבות מעבר למגוון רחב של טווחים.

אסטרטגיות ניהוליות

חום הוא תוצר לוואי גדול של פעילות גבוהה, ואקום החלל מבטל קירור קולקטיבי.

מקורות מבני דור החמימות

ההפסדים התנגדות מוטוריים (I2R), נושאים חיכוך, ו זרמי הדי ברוטב מייצרים חום. at high torque, הטמפרטורה עולה במהירות, סיכון של demagnetization של מגנטים קבועים ושפל סיכה.ניתוח הירומאלי חייב לשקול מחזורי חובה גרועים, כגון שיוט חוזר.

החלפה ואקטיבית

רוב גלגלי התגובה מסתמכים על קירור פסיבי: נתיבים מוליכים אל אוטובוס החללית באמצעות רצועות תרמיות או צינורות חום. כמה עיצובים בעלי עוצמה גבוהה משלבים קורנטורים על גלגל הדיור. קירור פעיל באמצעות לולאות משאבה הוא נדיר אבל נחשב למקרים קיצוניים עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון אלומיניום או צינורות נחושת, לעזור להפיץ חום.

לקבלת שליטה תרמית של החללית, התייחס ל-FLT:0ESA , סקירה תרמית של שליטה תרמית של שליטה תרמית.

התחממות ומאזן

מיקרוביוט גלגל תגובה יכול לדרג ביצועים של עומסי תשלום רגישים כמו טלסקופים או אינטרפרמטרים.

דינמי Balancing

גלגלים בעלי ביצועים גבוהים דורשים איזון מדויק מאוד כדי למזער מכונות איזון של קיבולת מרובה מטוסים נכונים לשגיאות הפצה המונית.לאחר ההרכבה, גלגלים מאוזנים ל- ISO 1940 G0.4 או יותר.עבור משימות עם דרישות ג'טר הדוקות, מערכות איזון פעיל באמצעות ההמונים הניתנים למניעה פותחו.

טכניקת דמים

אפילו גלגלים מאוזנים לחלוטין לייצר רטט מנושא רעש וצעצוע מנועים ripple. Soft-הרף עם מעיינות אלסטומריים או מתכתיים מזרזים הפרעות גבוהות יותר. Tuned כי לחצנים המוניות לעתים משולבים לתוך הרכב.עבור יישומים קריטיים, פלטפורמות בידוד שלם להפחית את הכוחות המועברים לחללית.

בדיקות ו- Qualification

כל גלגל תגובה גבוה עובר בדיקות קפדניות לפני טיסה לחלל.

המונחים:

• (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1FLT שרדו תנאים חמים וקרים קיצוניים.
• (ב) ויקרא י"ד: "ה' י"א ויקרא י"ד:
• בדיקה אחרונה ב-17 במאי 2010. ^ "0 Life Testing: Fig.
• מיפוי ביצועים:0 (Torque Performanceמיפוי: FLT:103) מיפוי ביצועים בין מהירות וטווחי מתח.
• (ב) ,0) מדדי ה-FLT:1 (הופנה מהדף ).

סטנדרטים כגון ECSS-E-ST-35-02C למשולת את הליכי הבדיקה.מחקר מקרה מפורט על בדיקת גלגל התגובה מסופק ב-FLT:0 זה נייר AIAAA1FLT:1.

חידושים עתידיים

התקדמות בחומרים ופעולתו מבטיחה אפילו יכולות גבוהות יותר של מומנט.

תגיות קשורות Bearing

מוליכים סופר-תרגול של זמן רב (HTS) יכולים להציף את הרוטור, חיסול מגע מכני וחיכוך.למרות עדיין ניסיוני, HTS נושאות מציעות חיים ללא תשלום ואפס ללבוש, המאפשר מהירויות גבוהות יותר ופורקים.

חומרים חכמים ו ניטור בריאות מבני

חיישנים מעומקים וסגסוגת אדמדפריים בצורת יכולים לאפשר לגלגלי תגובה לאזן עצמי או להתאים נוקשות מבנית. pzoelectric Actuators המשולב בתוך המנוע יכול לנטר את הרטט בזמן אמת.תכונות חכמות אלה מגבירות את האמינות ולהפחית את הצורך בשוליים גדולים יותר.

לתובנות על פועלי חלל הדור הבא, ראו:0NASA's Small Spacecraft Technology pageveFLT:1.

מסקנה

תכנון גלגלי תגובה עבור יישומים גבוהים דורש גישה ברמת מערכות אשר מאזן מדעי החומר, עיצוב מוטורי, ניהול תרמי ובקרת רטט.כל פרמטר - אינרציה, מהירות, מומנט, חיים - חייב להיות מותאם בתוך המגבלות של מסה, כוח, ועלות. כמו משימות חלל לגדול מחקר שאפתני יותר, מתמשך לתוך נושאים מתקדמים, אלגוריתמים, ולשלוט ימשיך לדחוף את הגבולות של מה שיכול להגיע למהירות גבוהה יותר, כדי להשיג אתגרים הנדסיים שלנו.