השימוש בגלגלי תגובה בכותונים בעלי יכולת גבוהה לשליטה באוריינטציה

בלונים בעלי יכולת גבוהה הפכו לפלטפורמות חיוניות למחקר מדעי, ניטור אטמוספירי, ויציאה חינוכית.הפעלה במכשירים סטרסטוספירה בגובה של מעל 30 ק"מ, הבלונים האלה נושאים מטענים המבצעים הכל מתצפיות אסטרופיזיקה ועד מדידות אקלים.אתגר טכני קריטי במשימות אלה הוא שמירה על אוריינטציה מדויקת ויציבות.

כיצד פועל הגלגל

גלגל תגובה הוא גלגל מעופף מונע מנוע שמשנה את מהירות הספין שלה להפעיל מומנט על הרכב המארח.העיקרון הבסיסי הוא שימור של מומנטום זוויתי, כפי שתואר על ידי החוק השלישי של ניוטון, כאשר הגלגל מאיץ בכיוון אחד, היטל הבלון מסתובב בכיוון ההפוך כדי לשמר מומנטום מוחלט של זווית ו, על ידי שליטה בדיוק המהירות של הגלגל, מהנדסים יכולים להתאים את הכיוון של שלוש פעימות הלב של כל ציר הבקרה - או של כל אחד - כל אחד.

הגלגל עצמו הוא בדרך כלל דיסק מוצק או גלגל זבוב מזור שנוצר מחומר צפוף ומאוזן כגון פלדה או אלומיניום.הוא רכוב על נושאים נמוכים ומניע על ידי מנוע DC חסר מברשת נשלט על ידי מיקרו-בקר.מערכת הבקרה קורא נתונים אוריינטציה מחיישנים כגון גירוסקופים, accelerometers, או עוקבי כוכבים, אז מפקד המנוע כדי להאיץ או להאיץ את הגלגל כדי להשיג את הדיוק של גלגל מדויק כמו אופטימיזציה הרצויה.

מפתח: Torque, Momentum Capacity ו-Power

תכנון גלגל תגובה כרוך איזון שלושה פרמטרים מרכזיים: פלט מומנט מקסימלי, נפח אחסון זוויתי, צריכת חשמל. Torque קובע כמה מהר המטען יכול לסובב, בעוד יכולת המומנטום מגדיר כמה זמן הגלגל יכול לספק שליטה לפני ריצוף. צריכת כוח הוא קריטי עבור משימות בלון, אשר מסתמכ על סוללות או לוחות סולאריים עם יכולת מוגבלת.

מדוע בלונים בעלי חשיבות גבוהה זקוקים לשליטה

עומסים מדעיים על בלונים לעתים קרובות דורשים אוריינטציה יציבה, נשלטת בדיוק.לדוגמה, טלסקופ צופה גלקסיות מרוחקות חייב להצביע באותו אובייקט שמימי במשך דקות או שעות תוך הגשה לסיבוב ולסחף עצמו של הבלון עצמו - כגון ארבעהייה-טרנספורמונים, מיקרוגלמטרים, או מדגם גז - יש צורך להיות מכוונת בעמודה אטמוספירית מסוימת או לכיוון השמש עבור סטיות, ללא סטיות, או נוקשות, עם ספין-סגולות מופעלות, או נוקשות, או ספין-ידי ספין-או-או-או-או-מדומים אלה, או ספין-או-מדומים, ללא ספין-מדומים, או ספין-מדומים, או ספין-מדומים, או ספין-או-או-או-מדומים, או כיוונים פעילים.

מעבר למדע, אוריינטציה יציבה חיונית גם לתקשורת.אנטנות עם beamwidths צר חייב להיות מכוון לתחנות קרקע או ללווייני מס.אם הבלון לשלם tumbles, העברת נתונים יכולה לרדת או להיות לסירוגין. גלגלי התגובה מספקים את היכולת מצביעה על כך לשמור על קשר אמין, גם כאשר הבלון מוצפת על ידי רוחות סטריטופריות.

השוואת גלגלי תגובה לשיטות בקרה אחרות

מהנדסים יש כמה אפשרויות לנטייה בלון: סנפירים אווירודינמיקה, ייצוב כוח הכבידה פסיבי, צריפים גז קר, וגלגלי תנופה (גרסה של גלגלי תגובה) ארודינמיקה מסתמכים על לחץ דינמי, אשר כל אך נעלם מעל 20 ק"מ, מה שהופך אותם יעילים על פני כדור פורחים צף גובה. Gravity-ייצוב משתמש שדה הכבידה של כדור הארץ כדי להתאים את ציר הזמן הארוך ביותר של ציר תשלום מסה, אך למעשה חייב להיות יעיל על פני כדור הארץ, אך ורק על פני כדור הארץ, ללא צורך יעיל של כדור הארץ, בתנאי בקרה פעיל, אך ורק לחץ אווירי תיבות של כוח אדם פעיל, אך ורק בתנאי לחץ אווירי תיבות של כוח הגנה על פני כדור הארץ, אך ורק על פני כדור הארץ, ללא צורך יעיל של כדור הארץ, ללא צורך יעיל של כדור הארץ, בתנאי לחץ אווירי כוח הגנה מפני לחץ אוויר פעיל, אך ורק על פני כדור הארץ, בתנאי לחץ אווירי כוח המשיכה פעיל, בתנאי לחץ אווירי, אך ורק על פני כדור הארץ, בתנאי לחץ אווירי כוח המשיכה פעיל, ללא לחץ אווירי כוח המשיכה פעיל, ללא לחץ אווירי, ללא צורך יעיל על פני כדור הארץ, ללא צורך יעיל על פני כדור הארץ, בתנאי לחץ אווירי כוח הגנה על פני כדור הארץ,

תגובות על Dragon Systems for בלונים Payloads

הגדלת גלגלי התגובה למערכת בלון גבוהה מחייבת עיצוב מכני וחשמלי זהיר.רכבת הגלגל רכוב בדרך כלל על מסגרת מטען קשיחה, לעתים קרובות עם בידוד מתדפסת רטט כדי למנוע רטטים מוטוריים ממשפיעים על מכשירים רגישים.הבקר המנוע מתקשר עם מחשב על לוח פועל יישום גישה ואלגוריתמים בקרה.

ארכיון תגיות: Three Orthogonal Wheels

רוב מערכות הבלון ליישם תצורה תלת-גלגלית היישר עם האקסקסים העיקריים של המטען.כל גלגל פועל באופן עצמאי, אבל מערכת הבקרה לתאם את מהירויות שלהם כדי לייצר את ה- נטו הרצויה.לדוגמה, לסובב את העומס סביב ציר האנכי (השב), מערכת הבקרה מאיצה או מפצה את הגלגלים האופקיים של צירים בכיוון הפוך, ומייצרת תנופה טהורה ל-eque זה מאפשר לכל כיוון מדויק.

« « ⁇ ⁇

גלגלי תגובה מצטברים תאוצה זוויתית לאורך זמן בשל מומנט חיצוני (למשל, כבידה ⁇ , ⁇ eroדינמית גרור או לחץ קרינה סולארית) כאשר גלגל מגיע למהירות הספין המקסימלי שלה, זה כבר לא יכול לספק שליטה מומנט בכיוון זה - מצב שנקרא מגבלות משיכה.כדי לשחזר, המערכת חייבת ליישם חיצוני כדי להסיר עודף של גז, תהליך שנקרא בלון לשימוש בריצה (דלקת) עם מגבלות מגנטיות מסוימות (דלקת חשמל) או ירידה) שימוש בריצה קלה.

היתרונות של גלגלי תגובה עבור יישומי בלונים

• (FLT:0) Precision Pointing:FLT:103) גלגלים של תגובה מאפשרים שליטה זוויתית בתוך שבריר של תואר, חיוני עבור מכשירים אסטרופיזיים ואנפריטיים.
• (ב) ,0) מבצע: FLT:1 בניגוד לדחפורים, גלגלים אינם מבזבזים ניתוק; הם יכולים לפעול במשך שבועות או חודשים כל עוד כוח זמין.
• (FLT:0) תלות באמוספרה: ריצוף 1: גלגלים פועלים זהה ברמת הים ובריק הסטרטוספרי, מה שהופך אותם אידיאליים עבור בלונים הפועלים מעל 30 ק"מ.
• (FLT:0)Low Vibration: FLT:103) גלגלי התגובה המודרניים מאוזנים לייצר מיקרו-מוחות מינימליים, הגנה על מכשירים רגישים מפני הפרעה.
• (FLT:0)Compact ו- Light Weight:FLT:1 עם התקדמות בטכנולוגיית מנועים וחומרים, ניתן לבנות גלגלי תגובה קטנים מספיק עבור תשלום מתחת ל 10 ק"ג ועדיין לספק מומנט הולם.

אתגרים ואסטרטגיות מייגציה

למרות היתרונות שלהם, גלגלי התגובה מציגים מספר אתגרים הנדסיים שיש לטפל בהם בעיצובים של מערכת הבלונים.

הרגעה

כאמור, גלגל יכול רק לאחסן כל כך הרבה מומנטום לפני ייבוש.במשימה בלון, הפרעות חיצוניות טורקים - כגון רוטציה הנגרמת רוח או כוח הכבידה - יכול להאיץ את הישבן. מהנדסים חייבים לתכנן את מערכת הבקרה כדי למזער הפרעות (למשל, על ידי אופטימיזציה של הרגע של מטענים או כוח המשיכה) ולתכנן עבור התפלות רגילה.

ניהול כוח ו-Thermal Management

מנועים של גלגל התגובה לצרוך כוח כאשר מאיץ או מגרד, והם מייצרים חום פסולת. עלונים לשלם הם לעתים קרובות כוח-consמוגבל; מערכת טיפוסית עשויה להיות תקציב כוח 50-100 וואט עבור כל בקרת גישה אלקטרוניקה, מנועים וחיישנים. מהנדסים חייבים לבחור מנועים עם יחסים גבוהים עד כדי כוח ולהשתמש נהגים יעילים.

אמינות מכנית

שיגור בלונים כרוך האצה אלימה ו נדנדה; המטען יכול לחוות זעזועים עד 10-20 גרם גלגל תגובה נושאת ו Assemblies חייב לעמוד בעומסים אלה ללא נזק.בנוסף, הסביבה בלחץ נמוך יכול לגרום גזים מ lubricants, המוביל לשאת כישלון לאורך זמן. רבים תגובה גבוהה להשתמש גלגלים יבשה-lucatedbrieds או ניקוי מגנטי כדי למנוע בעיות טרום-חום.

תקציב משקל

כל קילוגרם נחשב על משימת בלון.התגובה גלגלים הם קלים יחסית (גלגל קטן טיפוסי עשוי לשקול 200-500 גרם), אבל המבנה תומך, בקר מוטורי, וחומרה דלה להוסיף מסת. מהנדסים חייבים לסחור ביכולת הגלגל (גודל) נגד מסה תשלום כוללת.עבור תשלום אולטרה סגול מתחת 5 ק"ג, צמצום של גלגלים תגובה עם מומנטום על מנת של 0.01 Nms זמינים לספקים כגון Blueclatclair או W.

דרישות עבור הסביבה של בלונים

בעוד גלגלי התגובה נפוצים על החללית, תשלום בלונים לפעול תחת מגבלות שונות.פלטפורמת הבלון יכול לסובב או להתנדנד בדרכים בלתי צפויות עקב שר הרוח, ואת המטען עשוי להיות מושעה על ידי tether ארוך, הוספת מורכבות לדינמיקה.מערכת בקרת הגישה חייבת לקחת בחשבון עבור מצבי החרוטה של הבלון וכל נביחות בהשעיה.

קיצוניות טמפרטורה הן גורם אחר: בקניון צף גובה, טמפרטורות מתפתל יכול לרדת מתחת -60 מעלות צלזיוס. מנועים גלגל תגובה ואלקטרוניקה חייב להיות מדורג בתנאים כה קרים, לעתים קרובות דורש תנורים לשמור על טמפרטורות תפעוליות. , אור שמש ישיר יכול לחמם חלקים של עומס ל +50 מעלות צלזיוס, הדורש עיצוב תרמי זהיר כדי למנוע ⁇ תרמיים שיכולים לגרום למקרר.

לבסוף, סביבת הקרינה בגובה גבוה אינה חמורה כמו בחלל, אבל היא יכולה להוות סיכון לאלקטרוניקה רגישה על פני טיסות ארוכות.מהנדסים בוחרים רכיבים מרעבים או משתמשים במגן עבור לוח הבקרה והחיישנים של המנוע.

משימות אמיתיות בעולם באמצעות גלגלי תגובה על בלונים

כמה משימות בלון בעלות פרופיל גבוה השתמשו בהצלחה בגלגלי תגובה לשליטה אוריינטציה.

Super Pressure-Borne Imaging טלסקופ

SuperBIT הוא טלסקופ בלון נתמך על ידי נאס"א המשתרע לגובה של 33.5 ק"מ כדי לצפות בגלקסיות אשכולות וחומר אפל.זה משתמש במערכת גלגל תגובה תלת-אפית להשגת יציבות מצביעה של כמה שניות קשתות.הגלגלים משולבים עם כוכב עוקב אחר כוכב וצוערוסקופ עבור הדרכה טובה.

EUSO (Extreme Universe Space Observatory) בלוני משימה

תכנית EUSO משתמשת בבלונים כדי לזהות קרני קוסמיות אולטרה-אנרגיה על ידי התבוננות באור פלואורגנט באטמוספירה.העומסים שלה, כגון EUSO-SPB2, משלבים גלגלי תגובה כדי לשמור על המערכת האופטית הצביעה על הנוטר או באזור מסוים של השמים.הגלגלים מספקים את היציבות הנדרשת עבור גלאי פוטו-מולייר רגישים.

פרויקט בלון סטודנטים גבוה

אוניברסיטאות וקבוצות מחקר בנו מערכות גלגל תגובה בעלות נמוכה בניסויים של בלון הסטודנטים.לדוגמה, תוכנית "BalloonSat" של אוניברסיטת קיימברידג' השתמשה בגלגלי תגובה קטנים כדי להקליד מצלמה להתבוננות בכדור הארץ.פרוייקטים אלה מוכיחים שאפילו צוותים ממומנים צנועים יכולים ליישם שליטה אוריינטציה באמצעות רכיבי מדף.

פיתוח עתידי ב-Reaction Wheel Technology for בלונים

המגמה ב הבלון בדרג גבוה היא לקראת טיסות ארוכות יותר (עד 100 ימים), עומסי שכר גדולים יותר, ודרישות תובעניות יותר להצביע. טכנולוגיית גלגל התגובה מתפתחת במספר כיוונים כדי לענות על הצרכים האלה.

מיניטורליזציה ומודולריות

As payloads become smaller (the "nano‑balloon" trend), reaction wheels are shrinking in size and weight. New wheel designs using carbon‑fiber rotors and micro‑motors can fit in a 10×10×10 cm cube while providing enough momentum for small instruments. Modular wheel units with standardized interfaces make it easier for mission teams to integrate attitude control without custom engineering.

מערכות היברידיות

שילוב גלגלי תגובה עם ממריצים אחרים יכול לשפר את הביצועים ולהקטין את הישבן.לדוגמה, מערכת עשויה להשתמש בגלגלים עבור מצביעים דקים וקטורים מגנטיים עבור אוריינטציה קורקזה או התמדה. חלק מהעיצובים משלבים גלגל תנופה לייצוב, עם גלגלים תגובה עבור קידוד או סריקה של תנועות.

שליטה מתקדמת Algorithms

למידת מכונה ושליטה מבוססת מודל הם מוחלים על השימוש בגלגל התגובה.אלגוריתמים הסתגלות יכולים ללמוד את ההפרעה ספציפית לטיסה בלון ולהתאים פקודות גלגל כדי למזער צריכת חשמל ושקע. Kalman מסננים ומיזוג חיישן לשפר את הערכות אוריינטציה, ומאפשר למערכת להשיג תת-שני מצביע אפילו עם גירויים נמוכים.

Integrated Reaction Wheel ומודולים של חיישן

יצרנים מציעים כעת יחידות משולבות הכוללות גלגל תגובה, גירוסקופ, ובקר מנוע בחבילה יחידה, calibrated. אלה "מודולים שליטה בקוויטי" להפחית את המורכבות של האינטגרציה והם אידיאליים עבור מערכי בלון שיש לאסוף במהירות. חברות כגון FLT:0Rocket LabFLT:1 (באמצעות הרכיבים שלהם) וספקים קטנים אחרים לספק פתרונות כאלה.

מסקנה

גלגלי התגובה הוכיחו להיות טכנולוגיה יעילה מאוד לשליטה אוריינטציה בבלונים בעלי יכולת גבוהה לספק מומנט מדויק, אמין ויעיל כוח בסביבה סטרטוספירית תובענית - ללא מגבלות של לחץ אטמוספירי - עושה אותם הפעלת בחירה עבור משימות מדעיות הדורשות שינוי יציב, בעוד אתגרים כגון תנופה, ניהול כוח והתנהגות תרמית חייב להיות מזרז, כמו גם אלגוריתמים מבוקרים, להמשיך לשלוט על ידי מערכות בקרה גבוהה יותר, כמו גם על פני כדוריות, כמו גם על ידי מערכת תקשורת גבוהה, כמו גם על ידי שימוש, כמו גם על ידי מערכת בקרה, כמו גם על ידי מערכת בקרה, כמו גם על ידי מערכת בקרה מתקדמת, כמו גם על פני השטח, כמו גם על ידי מערכת בקרה מתקדמת, כמו גם על ידי מערכת ניהולית, כמו גם על ידי פיתוח, כמו גם על ידי מערכת בקרה גבוהה, כמו גם על ידי מערכת בקרה מתקדמת, כמו גם על ידי מערכת בקרה, כמו גם על ידי מערכת בקרה מתקדמת, כמו גם על ידי מערכת תקשורת, כמו גם על ידי מערכת יחסים מתקדמת, כמו אלגוריתמית, כמו גם על ידי מערכת תקשורת, 000, 000, 000, 000, 000, כמו גם, להמשיך, כמו אלגוריתמים, להמשיך, כמו גם על ידי מערכת בקרה מתקדמת, כמו גם על ידי פיתוח, 000, 000, כמו אלגוריתמים,