בקרת הגישה של Spacecraft היא דרישה בסיסית כמעט לכל משימה, מהתבוננות כדור הארץ ותקשורת ועד חקר החלל העמוק.בין המרכיבים הקריטיים ביותר המאפשרים אוריינטציה מדויקת ללא השקעת דחף הוא גלגל התגובה.המכשירים האלקטרומכאניים האלה מאחסנים מהנדסים זוויתיים וחילופי לעומסים חיוניים עם הגוף החללית, ומאפשרים להצביע דיוק דק עבור טלסקופים, אנטנה, וכלים מדעיים.

מה זה Reaction Wheels?

גלגל תגובה הוא גלגל על ציר מונע מנוע, בדרך כלל אחד ציר עבור שלושה צירים מייצב חלליות (למרות כמה עיצובים להשתמש ארבע עבור Redundancy) על ידי הפעלת חשמל המנוע, הגלגל מאיץ, להגדיל את התנופה הזוויתית שלה על פי החוק השלישי של ניוטון, שינוי זה במכות זוויתיות מייצר תגובה על החללית בכיוון ההפוך, כלומר לא רק להזיז גלגלים.

גלגלים הם משמשים לעתים קרובות בשילוב עם מכשירים אחרים של בקרת גישה כגון עוקבים כוכבים, גירוסקופים, ומגנטיים.הם יכולים להשיג להצביע על איקומים של קשתות או טוב יותר, אשר חיוני עבור טלסקופים כמו טלסקופ החלל האבל או טלסקופ החלל ג'יימס ווב.הגלגלים עצמם מורכבים מרוטב, נושאים (בדרך כלל כדורים או מגנטיים פעילים), בעלים דיור גבוה ולהפחית חומרים מדויקים לייצור.

הפיזיקה של Spin-Up ו- Spin-Down

ספינ-up מתרחש כאשר המהירות הזוויתית של הגלגל עולה מהמהירות הנוכחית שלו למהירות גבוהה יותר.תהליך זה הוא יזם על ידי מערכת בקרת הגישה, אשר מצווה על המנוע לייצר מומנט אשר מאיץ את הרקב. הגודל של הטורק קובע כמה מהר הגלגל במהירות גבוהה יותר. verse, ספין-down מטה מפחית את המהירות של הגלגל.

(ב) משוואות השלטון הן פשוטות: ה- ⁇ FLT:0 ⁇ FLT ( 1:1) החל על הגלגל שווה את שיעור השינוי של המומנטום הזוויתי שלו: FLT:2 ⁇ =I αFLT 3: 3, שבו FLT:4IFLT:5 הוא רגע הגלגל של אינרציה ו-LTFreaures לאחור הוא צורך להחליף את החללית היישר כדי להזיז את הגלגל.

שיקולי אנרגיה חשובים גם כן.האנרגיה הקינטית המאוחסנים גלגל התגובה היא 1⁄2FLT:0I ⁇ 2FLT:1 [כאשר הגלגל מזרז, אנרגיה חשמלית מומרת לאנרגיה קינטית.כאשר הוא מאט למטה, אנרגיה זו יכולה להיות התאושש במערכות מסוימות (ריינרציה מחדש) או מתפזרת כמו חום.

השפעה על Spacecraft At Control

ההשפעה התפעולית המיידית ביותר של גלגל התגובה ספינ-up וספין-למטה היא על הגישה של החללית. A טיפוסית תלת-אקסיs ייצוב החללית משתמשת בשלושה גלגלי תגובה (או ארבעה בתצורה פירמידה) כדי ליישם את הצבים סביב הגליל, המגרש, ו- Yaw axes. כאשר גלגל אחד מסתובב כדי לייצר מומנט על צירו, החללית מסתובבת, המערכת נשלטת על גבי מחשבת על גבי צירים קטנים או כדי לייצר רק כדי לייצר תקלות על גבי גלגלים כדי לייצר רק על גבי צירים קטנים.

במהלך אירוע ספין-אפ או תרדוף, בקר הגישה מתאמת באופן מתמיד את המהירויות של כל הגלגלים כדי להמשיך להצביע.זה נעשה באמצעות אלגוריתם בקרה (לעיתים קרובות בקר בעל יכולת פרופורציונלית או בקר מתקדם יותר מודל-predictive Controller) אשר פקודות הרצויות לעומסים חשמליים.זמן התגובה של הגלגלים והזמין לצמצום גודל הנסיעה במהירות, יכול להשיג גישה חדשה עבור לוחות מהירים כאלה, אשר יש צורך, אשר יש צורך בגלגלים מהירים יותר, או להפעיל גלגלים, אשר יש צורך, אשר יש צורך, אשר יכול להיות מופעלים מהירים יותר, או להפעיל גלגלים, כלומר, אשר יכול להוביל, כלומר, כדי להוביל, כלומר, כדי להוביל, כדי לגלגלים מהירים יותר, כדי לגלגלים מהירים יותר, או לתמרומים מהירים יותר, כדי להוביל, כדי להוביל, או לתמרונים מהירים יותר, כדי להוביל, כדי לגלגלים מהירים יותר, אשר יש צורך, כדי להוביל, כדי להוביל, אשר יש צורך, כדי להוביל, כדי להוביל, לוח זמנים של גלגלים יציבים מהירים יותר, אשר יכול להיות מופעלים מהירים יותר, כדי לגלגלים מהירים יותר, כדי להוביל, כדי להוביל, כדי להוביל, כדי להוביל, כדי להוביל, כדי להוביל, כדי להוביל, כדי להוביל, כדי להוביל גלגל יציבים, כדי

השפעה קריטית נוספת היא הדור של microvibrations.אפילו גלגלי תגובה מאוזנת לחלוטין מייצרים כוחות קטנים ו- torques בשל חוסר איזון חי, חוסר איזון, פגמים, וקידוד מנועים. ⁇ אלה יכולים למזער את הביצועים של עומסים רגישים, כגון מצלמות או מדחום. במהלך ספינ-up-up ו-ספין-down, תדירות השינויים, יכולת מבנית מרגשת של חלליות אלה.

ניהול Saturation and Momentum Management

גלגלים מגיבים יש מהירויות מקסימליות סופיות, בדרך כלל החל מכמה אלפיים לעשרות אלפי מהפכות לדקה.כאשר גלגל מגיע למהירות המקסימלית שלו, זה אומר להיות רווי - זה כבר לא יכול לספק מומנט בכיוון הדורש האצה נוספת.גלגל ריצוף הוא בעיה מבצעית נפוצה כי עם הזמן, הפרעות חיצוניות (לחץ קרינה solar, כבידה, מגנטיים למקרר) מצטברים לעתים קרובות על גלגלים עודף.

פעולות ייבוש הרגעיים מתוכננות בדרך כלל כחלק מעבודות בית שגרתיות.במהלך חורבן, הגלגלים צוינו להאט, העברת המומנטום הזוויתי שלהם לחללית.החללית משתמשת בדחפורים כדי לבטל את הסיבוב הזה, ובכך להעביר ביעילות את המומנטום לסביבה. לחלופין, מגנטים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ כדי לייצר שקעים שיכולים להפחית את מהירות הגלגל ללא צורך בתזמון של מערכות ההפעלה האלה, כי הם יכולים להפחית את הפחתת השימוש הקריטי של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה או להפריע את מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה.

Spin-up משמש גם כדי לשנות את הגלגלים לאחר חורבן מומנטום, כדי להחזיר אותם למגוון מהירות נומינאלי שבו יש להם מספיק יכולת מומנט לתמרונים עתידיים.הבחירה של מהירויות היעד לאחר זרקה כרוכה במסחר בין שולי ה- torque זמין, צריכת חשמל, ומגבלות תרמיות. אלגוריתמים מתקדמים יכולים לייעל את הזמן בין מחסנים מוצלחים.

המונחים: mechanical

הבריאות המכנית של גלגלי התגובה היא דאגה עיקרית עבור זמן רב של משימות.בל נושאים הם המקור הנפוץ ביותר של כישלון. במהלך ספינ-up וספין-למטה, את הלקחים ניסיון transientient לטעון, כולל כוחות אקסקליים ורדיוניים.שינויים במהירות לשנות את משטר סיכה, שעלול להוביל לחיכוך מוגבר ללבוש.

יצרני גלגל התגובה לעתים קרובות לציין מגבלות על קצב השינוי של מהירות (גבולות מכירה) כדי להימנע עייפות. ספין-up מהיר יכול לגרום לרוטב לפענוח מעט, המוביל לחוסר איזון ולטטציה.פעולה ממושכת במהירויות קריטיות מסוימות יכול להרגשת חזרות מבניות שפוגעות גלגל או חללית.

ההשפעות הירומליות גם ממלא תפקיד.ספי-אפ מגביר את זרם החשמל דרך המנוע, ומייצר חום כי יש להתפזר במהלך ספין-למטה, בריחת רגנרטיבית יכולה להשליך אנרגיה בחזרה למערכת החשמל, הדורש ניהול חשמל זהיר.האינטרטיה תרמית של הרכבה הגלגל פירושה כי ⁇ טמפרטורה יכולים לגרום ללחץ מכני ועיוותים.

הפרעות פעילות עבור סוגים שונים של משימה

ההשפעה של ספינ-up וספין-down משתנה באופן משמעותי בהתאם לפרופיל המשימה.לוויינים תצפית כדור הארץ לעתים קרובות לבצע לוחות מהירים כדי ללכוד מטרות שונות.זה דורש שימוש אגרסיבי של גלגלי תגובה, עם האצות תכופות ועיוותים.האתגר הוא לאזן את האגרה עם גלגל החיים. חלק ממשימות פשרה באמצעות שילוב של גלגלים ולשלוט הרגע הגירוסקופים עבור תמרונים גבוהים.

בדיקות חלל עמוק, כמו אלה המחפשים אסטרואידים או כוכבי לכת, עשויים להיות שינויים גישה בלתי צפויים אך צריכים להצביע מאוד מדויק עבור משך זמן ארוך.עבורם, אירועים ספין-אפ וספין-למטה הם נדירים אך יש לבצע בזהירות קיצונית כדי למנוע להפריע הגישה של החללית במהלך תצפיות קריטיות.החללית החדשה, למשל, השתמש בגלגלי תגובה עבור רוב הטיסה שלה אבל עובר לנעורים במהלך הפלנטריטיסה כדי למנוע הפרעות גבוהות של גלגלים.

טלסקופי חלל, כגון משימות קפלר או TESS, מסתמכים על גלגלי התגובה עבור הצבעה בסדר. קפלר איבד את שני גלגלי התגובה שלה, מה שחייב שינוי משימה כי השניים הנותרים לא יכלו לספק בקרת שלושה צירים.העיצוב של אסטרטגיות ניהול גלגלים למשימות כאלה כולל ריצוף, ניטור זהיר של בריאות הגלגל, ואת היכולת לפעול עם ביצועים מסולקים עבור אירועים הם לא לצפות בתקופות של טלסקופ.

Spacecraft במסלול גיאוסטציונרי ניצב בפני אתגר שונה: הם חייבים לפעול נגד מומנט הקבוע מלחץ קרינה השמש, אשר יכול ליישב גלגלים לאורך יום. תנופה רגילה נזרקת באמצעות דחף או מגנטים נדרשים.הספין-הורד של גלגלים במהלך השלכות אלה חייב להיות מתואמת עם תמרונים של תחזוקת תחנה כדי למזער את צריכת המליטה.

אסטרטגיות להפעלה יעילה וניהול גלגלים

בהתבסס על עשרות שנים של ניסיון, מפעילי חלליות ומעצבים פיתחה קבוצה של שיטות טובות לניהול גלגל התגובה ספין-אפ וספין- לאחור:

  • (FLT:0) Acceleration and DecelerationFLT) 1:1: הגבלת קצב השינוי של מהירות הגלגל מקטין את הלחץ והדחיפה המכנית.מרבית מערכות בקרת הטיסה מקיימות פרופילים המוגבלים של עצמם שמשתלבים את הוורריאציות הטורק.
  • (ב) [13] להקות מהירות ואזורים אסורים: גלגלים מופעלים בטווח מהיר המונעים מחזרות מבניות ושחיקה.אלגוריסים מאטים באופן אוטומטי או מאיצים באמצעות מהירויות קריטיות במהירות כדי למזער את הזמן הטמון.
  • (FLT:0) ניהול הרגעה של הרגעה (Predictive Momentum ManagementFLT:1): שימוש במודלים של הפרעות חיצוניות, מערכת הבקרה יכולה לצפות מתי גלגלים ישארו ויקבעו את התנופה באופן מיטבי, לפעמים בשילוב אותם עם פעולות מטען כדי למזער את הזמן.
  • (FLT:0) ניטור ו Anomaly DetectionFLT:1: טלגרף רציף כולל מהירות הגלגל, נוכחי, טמפרטורה ונתוני רטט מאפשר למפעילים לזהות מגמות של ללבוש או חוסר איזון מוקדם.
  • (FLT:0) וידויי גלגלים אדומים: חללית גדולה נושאת יותר משלושה גלגלים (למשל, ארבעה בסידור פירמידה) אם גלגל אחד נכשל, אחרים יכולים להיות reconfigified כדי לספק שליטה של שלוש צירים, לעתים קרובות עם פרופילים ספין-שינויים לחלוק עומסים.
  • (FLT:0) רפורמת ניהול הרחם 1: מערכת בקרת תרמית מיודעת על האצות גלגל מתוכננות לצפות ניתוק חום והתאמה של תנורי חום או קורנטורים במידת הצורך.

מחקרים ושיעורים למדו

כמה משימות חלל הדגישו את החשיבות של ניהול גלגל התגובה.ה-FLT:0 [Walbble Space טלסקופ החלל טלסקופ החלל:] טלסקופ החלל של החללית "HubbleFLT:1" השתמש במקור בגירוסקופים עבור הצבעה בסדר, אך מאוחר יותר הוא התבסס על גלגלי התגובה לאחר כישלונות הגירו.

ה-FLT:0 ;Fermi Gamma-ray Space טלסקופ החלל טלסקופית:1 (FLT:0) משתמש בגלגלים התגובה עבור שרטוט ומצביע.מהנדסים יישמו מערכת ניהול גלגלים חזקה הכוללת הימנעות אוטומטית של מהירויות רגישות לרטוט ידוע.

המשימה של ה-FLT:0 [KepeurFLT] 1 [ה] כאמור, סבלה מכשלי גלגל התגובה.ניתוח שלאחר ההפוגה הראה כי השפלה הנושאת הייתה מואצת ככל הנראה על ידי אופניים תרמיים ומספר מצוקות המהירות שלמד כוללים את הצורך בעומס רב יותר וערך של כולל מנגנון לעומס ללא לחץ על הגלגלים, כגון מוליכים או מגנטינים.

"כישלון קפלר מדגיש כי עיצוב גלגל התגובה חייב לאזן בין ביצועים וארוכות, וכי אסטרטגיות תפעוליות ממלאות תפקיד מכריע בהרחבת חיי הגלגל." - דו"ח הנדסת דו"ח נאס"א

(FLT:0)RosettaFLT:1, המשימה של ה- Comet-chasing, השתמש גלגלי התגובה עבור רוב המסלול שלה, אבל נתקל בבעיות עם חיכוך גלגלים גדל לאורך זמן.הצוות המבצע שינה את פרופיל מהירות הגלגל כדי למזער את הזמן במהירויות נמוכות שבו החיכוך היה הגבוה ביותר, בהצלחה להאריך את המשימה עד לסיום.

פיתוח עתידי ב-Reaction Wheel Technology

כמו משימות חלל דורשות גמישות גבוהה יותר, חיים ארוכים יותר, ואמינות גדולה יותר, טכנולוגיות גלגל תגובה חדשות מפותחות. Active מגנטי נושאים לחסל מגע מכני, צמצום ללבוש ומאפשר מהירויות גבוהות יותר.רגע השליטה הרגע הגירוסקופים (CMGs) גם צוברות פופולריות עבור יכולתם לייצר מומנט גבוה ביעילות, אבל הם דורשים אסטרטגיות תפעוליות שונות עבור ספין-up ו-ספין לאחור של הגמבמב.

גלגלי תגובה זעירים עבור קוטביות ולוויינים קטנים הם עכשיו נפוצים, עם עיצובים מבוססי MEMS ו מנועים DC מברשת ללא מברשת. האמצעים הקטנים שלהם הם התיישבות במהירות, ולכן הם לעתים קרובות צריכים להיות מחוברים עם מגנטים עבור ניהול תנופה מתמשך.

למידת מכונה ו- AI נחקרים כדי לחזות בריאות הגלגל וייעל פרופילים בזמן אמת. על ידי ניתוח דפוסי טלמטרי, אלגוריתמים יכולים לזהות סימנים מוקדמים של השפלה ולהתאים עקומות של ספין-אפ כדי למנוע נזק נוסף.זה יכול להוביל מערכות ניהול גלגלים אוטונומיות הממקסימות את החיים ללא התערבות אנושית.

מסקנה

גלגל התגובה ספין-אפ וספין-למטה אינם פשוטים על- off פעולות; הם תהליכים מתוזמרים בקפידה המשפיעים על כל היבט של בקרת הגישה החללית, מצביע דיוק לבריאות מכנית.על ידי הבנת הפיזיקה של העברת זווית, האתגרים של ריצוף, רטט, ואפקטים תרמיים, ואת האסטרטגיות התפעוליות שמפחיתות את הסיכונים, תוכניות המשימה והמפעילים האלה יכולות להבטיח ניתוח עתידי ארוך-טווח אמין.

(הופנה מהדף דינמיקה של גלגל התגובה, ה-FLT:0) NASAA Small Satellite Attitude Control HandbooksFLT:1 מספק הדרכה עיצובית מפורטת, משאבים אקדמיים כגון נייר FLT:2 "Reaction Wheel פריצה ואפקט שלה על בקרת חלל" (Dynap) 3, יספקו תובנות עמוקות יותר לחיקוי טכנולוגיות בקרת חיכוך.