כיצד מגיב גלגלים למשימות של אוסף אנרגיה סולארית מבוסס חלל

כוח סולארי מבוסס חלל (SBSP) משימות איסוף מייצג את אחד הגבולות השאפתניים והבטיחים ביותר באנרגיה מתחדשת.הרעיון הוא פשוט אלגנטי: פריסת מערך סולארי גדול במסלול הגיאולוגי שבו השמש היא קבועה, אינטנסיבית ובלתי מאומתת על ידי האווירה של כדור הארץ, ואז להמיר את האנרגיה הזאת למיקרוגל או לייזרים ולהעביר אותה לתחנות בשטח.

גלגלי התגובה מספקים את בקרת הגישה המוטבעת הנדרשת כדי לשמור על לוחות סולאריים הצביעו ישירות על השמש, להניע את קרן השידור לכיוון תחנת קרקע קבועה, וכדי לשמור על יציבות הפלטפורמה הכוללת לאורך שנים או אפילו עשרות שנים של פעולה. בלעדיהם, לוויין SBSP יבזבז אנרגיה, לא לספק כוח באופן אמין, וכשלי משימה סיכון זה חוקר כיצד גלגלים פועלים, תרומות ספציפיות שלהם ל-SBSP, הם מציעים יתרונות חלופיים על פני תחנות כוח ומעבדות על בסיס כוח.

הבנת גלגלי תגובה: עקרונות ושותפים

גלגל תגובה הוא ביסודו מסה רוטטת (גלגל או רוטטור) המונע על ידי מנוע חשמלי.זה רכוב למבנה החללית, ואת ציר הספין שלה הוא יישר עם אחד האקסקסים העיקריים של החללית.על פי העיקרון של שימור מומנטום זוויתי, מומנטום מוחלט של מערכת הגלגלים דמויי חלל הוא קבוע אלא אם כן חיצוני של מומנט הוא מוחל, כאשר התגובה נטויה אחת או מסובבת על ידי מומנטום לאחור על ידי אחד של גלגלים.

מרכיבי הליבה של הרכבה של גלגל התגובה כוללים:

(FLT:0)RotorveFLT:1) - מסה מסתובבת, לעתים קרובות עשוי חומרים עתירי גבוה כגון פלדה או טיטניום, שנועדו למזער משקל תוך כדי למקסם את הרגע של אינטרטיה.
(FLT:0)MotorveFLT:1) - מנוע חשמלי חסר מברשת המספק את התוספת כדי להאיץ או להאט את הגלגל.המנוע נשלט על ידי אלקטרוניקה שיכול להגיב לפקודות מהמחשב בקרת הגישה של החללית.
(FLT:0)BearingsFLT:1 - בדרך כלל דיוק כדור נושאות או, בעיצובים מתקדמים, נושאים מגנטיים לחסל מגע פיזי ללבוש. Bearings חייב להתמודד עם מהירויות סיבוביות גבוהות (אלפי RPM) וקיים ביצועים לאורך שנים רבות בוואקום.
(FLT:0 Housing and thermal ManagementFLT:1) הגלגל סגור בדיור חתומה שעשוי להכיל כמות קטנה של סיכה עבור הנושאים. אלמנטים שליטה תרמית להבטיח כי חום שנוצר על ידי חיכוך והפסדים מוטוריים הוא dissipated ללא השפעה על מכשירים רגישים הסמוכים.
(FLT:0Speed Sensors and Control ElectronicsFLT:1) - Encoders או tachometers מודדים את המהירות הסיבובית של הגלגל, ומאפשר למערכת הבקרה לשלוט בדיוק לתפוקת ה-Ul הבקרה פועל בתדר גבוה כדי לדחות הפרעות ולשמור על גישה יציבה.

הפיזיקה מאחורי גלגלי התגובה היא פשוטה, אבל היישום שלהם בחלליות דורש.בניגוד לדחפורים, אשר צורכים דחף לייצר שינויים סופיים במהירות, גלגלי התגובה דורשים רק חשמל לפעול.זה הופך אותם אידיאליים למשימות ארוכות טווח שבו יעילות דלק ונקודות חד פעמיות מינימליות הם רב-תכליתיים - בדיוק התנאים העומדים בפני פלטפורמת SBSP רב-דה-נובמבר.

תפקיד של מדריכי תגובה במשימת כוח סולארית מבוססת חלל

משימות SBSP להטיל דרישות בקרת גישה ייחודיות, אשר נפגשות באופן אידיאלי על ידי גלגלי התגובה.הפונקציות המרכזיות שגלגלי התגובה מאפשרים לקבץ לשלוש קטגוריות: השמש מצביעה על איסוף חשמל מקסימלי, גמילה מובלת לתמסורת יעילה, וטווח ארוך של תחנת זמן עם סחף מינימלי.

שמירה על זווית השמש האופטימלית עבור איסוף אנרגיה מקסימלית

מערך פוטו-וולטאי במסלול גיאוסטציונרי יעיל רק כאשר פני השטח שלו חודרים אל קרני השמש.אפילו כמה מעלות של אי-השמדה יכולות לגרום לירידה משמעותית בתפוקה של כוח.גלגלי תגובה מאפשרים לחללית לעקוב אחר השמש ברציפות כשהיא נעה יחסית למסלולו של הלוויין.

יתר על כן, אם פלטפורמת SBSP משתמשת במזהמים או במשקף להתמקד באור השמש על תאים קטנים ויעילים יותר, הדיוק מצביע הופך אפילו קריטי יותר. גלגלי תגובה מספקים את היציבות הנדרשת כדי לשמור על המסווג ממוקדת על המקלט, למנוע כתמים חמים ולהבטיח תאורה אחידה. רמה זו של דיוק קשה להשיג עם דחף לבד, אשר נוטה להציג ג'טר וצורכים דחף עם כל יורה.

אנטנות עם מקבלי אדמה

ברגע שאנרגיה סולארית מומרת לחשמל, יש צורך לחדור אל תחנת הקרקע (עבור שידור מיקרוגל, הלוויין נושא אנטנה של קרינת בשלב גדול, אשר חייב פולטת קרן צר מכוון בדיוק בתחנה הקרקע - מטרה שהולכת כל הזמן יחסית לפלטפורמת ההקפה בשל סיבוב כדור הארץ וסחף לווייני.היש צורך לנווט עם דיוק משני כדי להבטיח את הכוח מועבר באופן יעיל ומאובטח למול הגלגלים (גמנטום) למרות הרוטציה לאחור).

בעיצובים רבים של SBSP, אנטנה השידור היא גדולה פיזית - מאות מטרים מעבר למערכת רב-ג'יגהוואט.שליטה באוריינטציה של מבנה גמיש מסיבי כזה היא בעיה שליטה לא טריוויאלית. גלגלי תגובה יכולים לספק את התוספת הנדרשת כדי לגלח את האנטנה, בעוד הניתוח החלקי שלהם, מתמשך להימנע מנקודות מבניות מרגשות שיכולות להצביע דיוק.

שמירה על יציבות ויציבות לאורך זמן

לווייני SBSP חייבים להישאר בתוך מרווח מסלול הדוק ולשמור על גישה קבועה יחסית לכדור הארץ והשמש לכל החיים התפעוליים שלהם - 20 שנים או יותר. גלגלי תגובה עוזרים בשתי דרכים. ראשית, הם מספקים את בקרת הגישה העדינה הנדרשת כדי למנוע הפרעות קטנות מפני לחץ קרינה סולארית, ⁇ כוח הכבידה, וקלה לרמזור המובאת על ידי המיקרוגל עצמו, הם מאפשרים את הכיוון הנמוך של תחנת הכוח המופעלת על ידי לוחמת אווירוינטים האחרים.

היכולת לפעול ללא ניכוי מניעה מעניקה לגלגלי תגובה יתרון מכריע על פני דחף עבור תחזוקה שגרתית אוריינטציה.פלטפורמת SBSP טיפוסית עשויה לדרוש אלפי התאמות גישה ליום; ביצוע זה עם דחף כימי יהיה יקר באופן בלתי חוקי במסה דלק.

יתרונות במערכות בקרה אחרות

גלגלי תגובה אינם האמצעי היחיד לשליטה בגישה של החללית. Thrusters, לשלוט ברגיסקופים הרגעי (CMGs), מפגעים מגנטיים וכוח הכבידה יש את כל המקומות שלהם.עם זאת, לדרישות התובעניות של SBSP, גלגלי התגובה מציעים שילוב של הטבות שקשה להתאים.

(FLT:0)Fuel Savingscio: 1 משום שגלגלי התגובה משתמשים באנרגיה חשמלית במקום דחף, הם להפחית באופן דרמטי את המסה של נקודות זכות שיש לשגרה.עבור משימה של 20 שנה, החיסכון בדלק יכול להיות הרבה טון, בתרגום ישיר להורדת עלויות השיגור או הגדלת יכולת העומס.
(FLT:0) Precision and Smoothness:FreaLT:1) גלגלים תגובה יכולים לבצע התאמות זוויתיות בסדר של מיקרו-רדיאנים ללא הפרעות אימפולסיביות אשר מייצרים.זה חיוני לשמירה על מערך השמש בזווית השמש המדויקת, ולשמירה על קרן יציבה להעברת חשמל.
(FLT:0) אמינות וחיים ארוכים: FLT:1 מודרני גלגלי תגובה עם נושאים מגנטיים ו סיכה סגורה הוכיחו חיים תפעוליים מעל 15 שנים על מסלול.עם עיצוב נאות וספאינג (למשל, באמצעות גלגל נוסף עבור אדמוניות), לוויין SBSP יכול להיות צפוי להמשיך את כל החיים עיצובו ללא כשל גלגלים.
(FLT:0) No Contamination:FLT:1ir Thrusters לגרש גזים חמים שיכולים לסווג משטחים רגישים כגון תאים סולאריים ומשקף אנטנה.
(FLT:0)איכותיות: 1FLT (החללית הגדולה של SBSP עשויה לדרוש מומנט גבוה מאוד וקיבולת אחסון מומנטום. גלגלי תגובה ניתן לבנות בטווח של גדלים, מגלגלים קטנים המשמשים על קיוביקים לגלגלים מסיביים מדורגים עבור כמה מאות מטרים של טורק ניוטון.

הרגע של הבקרה גירוסקופים (CMGs) הם מתחרה בכמה יישומים בעלי ביצועים גבוהים, כגון תחנת החלל הבינלאומית CMGs יכול לספק מומנט גבוה יותר עבור מסה נתונה, אבל הם מורכבים יותר, כבדים יותר, לייצר תנודות גדולות יותר. עבור המדינה קבועה מצביעה ונפיחות איטית הנדרשת על ידי פלטפורמת CBSP גיאוסטציונרית, גלגלים הם בדרך כלל בחירה פשוטה יותר ואמינה יותר.

אתגרים ופתרונות

למרות היתרונות שלהם, גלגלי התגובה אינם ללא מגבלות.האתגרים המשמעותיים ביותר למשימות SBSP הם ריצוף גלגלים, עונדים, ואת הצורך לנהל תנודות.

גלגלים וטכניקות של נפילה

כגלגל תגובה מסתובב, הוא מאחסן תנופה זוויתית. כי הגלגל יכול רק לסובב עד מהירות מקסימלית (בדרך כלל כמה אלפי RPM), יש גבול לתמנטום שהוא יכול לספוג.תחת השפעתם של מומנטים חיצוניים כגון לחץ קרינה סולארית, הגלגל יצטבר בהדרגה עד שהוא מגיע למגבלת המהירות שלו - מצב שנקרא ריצוף, ברגע רווי, הגלגל לא יכול לספק יותר לקצב זה יכול להגביר את המהירות של זה רק כדי להגביר את המהירות.

כדי להתאושש מהשכור, יש להפליל את הגלגל - את המומנטום עודף שלו חייב להיות מועבר לחללית כולה ולאחר מכן נזרק.שיטות ההתפלות נפוצות כוללות:

(FLT:0 Magnetic Torquers:FLT:1 Coils המייצר dipole מגנטי, אשר אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ לייצר מומנט על החללית. על ידי פיקוד זרם מסוים, מפעילי יכולים ליצור מומנט חיצוני שמשנה את המומנטום הזוויתי של החללית, ומאפשר את הגלגלים התגובה לחזור למהירות נמוכה יותר.
(FLT:0)Thrusters:FLT:1 ניתן לפטר את הדחף הקטן בקצרה כדי ליישם את התוספת החיצונית, ביעילות "לטעון" את הגלגלים.זה צורב דחף, אבל לעתים קרובות הוא האפשרות היחידה במסלולים גבוהים שבו שדות מגנטיים הם רשלניים. כי לווייני SBSP יהיו דחף מתפתלי כל הזמן, גלגל ההתמרונות יכול להשתלב עם מסלולים מגנטיים למזעריים.
(FLT:0Gravity Gradient בום:FearLT:1) חלק מהחלליות משתמשות בום ארוך טווח כדי ליצור ⁇ כוח הכבידה המספק מומנט חיצוני קטן, צפוי על ידי העברת הפריחה, החללית יכולה לדמם לאט לאט לאט מגלגלים ללא כל סייגים.עם זאת, גישה זו היא איטית ועשויה להפריע למבנים הסולאריים הגדולים והאנטנה על לוויין SBSP.

המפתח הוא לתכנן אירועים של ייבוש, כך שהם מתרחשים בזמנים שבהם דיוק מצביע יכול להיות מעט רגוע, או להשתמש בגלגלים מרובים שיכולים לפעול בטווח מהיר בטוח. אלגוריתמי בקרה מתקדמים יכולים גם לייעל את מסלול המהירות של הגלגל כדי למזער את תדירות האירועים השטבה.

חבש בגדים ומעודדים כישלון מכני

הנושאים המכניים בגלגלי התגובה הם הנקודה הנפוצה ביותר של כישלון.במהירויות גבוהות, חיכוך מייצר חום וגורם ללבוש מיקרוסקופי. במשך שנים רבות, סיכה יכול לפגום, חלקיקים קטנים יכולים ליצור, המוביל לגרור או אפילו להתקפים.עבור משימות SBSP שנמשך עשרות שנים, הנושאת חיים הוא דאגה קריטית.

כמה אסטרטגיות משמשות כדי להאריך את החיים:

(FLT:0 Magnetic Bearings: FLT:1 לחלוטין מבטל מגע פיזי באמצעות אלקטרומגנטים כדי להצית את הרוטור.זה מסיר חיכוך ולבוש לחלוטין אך מוסיף מורכבות וצריכת חשמל.
(FLT:0) , מתקדם Lubrication:FLT:1ir-class lubricants כגון perfluoropolyether (PFPE) , הם בשימוש בחתימות עם כלובים מיוחדים כדי להפחית את החיכוך.
(FLT:0) Redundancy:FLT:1 כולל גלגל תגובה רביעי (או יותר) בתצורה מזוקקת, החללית יכולה לעמוד בכישלון של גלגל אחד ועדיין לשמור על שליטה מלאה של שלוש צירים.
(FLT:0)Low-Speed מבצע: 1FLT:1 אם אפשרי, מערכת הבקרה יכולה לשמור גלגלים במהירות מתונה ולא להסתובב ליד מקסימום.זה מקטין את הלחץ על נושאים ומפחית את הסיכון של חוסר יציבות בכלוב.

אינטראקציה ומבנה

גלגלים תגובה בהכרח לייצר תנודות קטנות עקב חוסר איזון רוטר, פגמים, וצעצוע מוטורי קרוע.על פלטפורמה גדולה, גמישה SBSP, הרטטים האלה יכולים להרגשת מצבי מבניים, פוטנציאל להפחתת דיוק מצביע או לגרום עייפות במערך השמש ואנטנה. Mitigating זה דורש עיצוב זה זהיר של האיזון הדינמי של הגלגל, השימוש של רטט הואolators (כגון רכות או אלגוריתמים פעילים), למנוע אופטימיזציה של תפקוד מחדש של תאים מרגשים.

פיתוח עתידי: החל גלגלים ועד למבצעים מתקדמים

בעוד SBSP נע מהרעיון לא-טיפוס, טכנולוגיית גלגל התגובה תמשיך להתפתח. חוקרים חוקרים בוחנים גלגלים מהירים יותר שנעשו מחומרים מורכבים כדי להפחית במשקל ולהגדיל את אחסון המומנטום. אזור אחר של עניין הוא גלגל התגובה המטבול, שבו ציר הספין של הגלגל יכול להיות מסובב מבחינה מכנית, נותן לו שתי דרגות של חופש וצמצום מספר הגלגלים הדרושים.

(ב) כמה משימות וחוקרים מתקדמים במדינת האמנות.לדוגמה, המשימה של ה-FLT:0NASA על-Orbitsercing, Assembly, and Manufacturing 1 (OSAM-1)BuildFLT:1 היא הראתה טכנולוגיות רלוונטיות לשילוב מבנים גדולים בחלל, כולל בקרה מתקדמת של הסוכנות לחלל (SAPPS):2 של הסוכנות האירופית של מרכז LT-3, אשר פועלת באופן ספציפי ל-SQFal, כמו:

משאבים חיצוניים:

[15] NASA - Small Spacecraft Systems: Reaction Wheels PerspectiveFLT 1
(ב) ,0) ESA - תגובות גלגלים: איך הם עובדים חליל 1
(ב) ◄ [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
⁇ 0jaXA - Space Power Systems ResearchveFLT 1

מסקנה

גלגלי תגובה הם טכנולוגיה בסיסית עבור משימות איסוף אנרגיה סולארית מבוססת חלל.הם מספקים את בקרת הגישה המדויקת והחסכונית של הדלק הדרושים כדי לשמור לוחות סולאריים מוארים בצורה מקסימלית, כוח ההגה נע במדויק לתחנות כדור הארץ, ולשמור על פעולות יציבות לאורך שנים בסביבה קפדנית של מסלול קשיח, בעוד אתגרים כגון שיטורציה, עונד, ורטט חייב להיות מטופל באמצעות עיצוב זהיר ואדום, אלה הם היטב תחתום עם בעיות פיתוח אוויריות חיוניות כדי להפעיל את החלל, כמו גם על ידי פיתוח גלגלים, כמו שחזור כוח חיוני.