מדוע חשוב להחשיב את הדברים באסטרונומיה בחלל

כלי חלל מולד אסטרונומי פועלים הרבה מעל האווירה של כדור הארץ, אשר מעוות ומחוסמת הרבה מן האור מחפצים מרוחקים.עם זאת, אפילו בוואקום של החלל, מכשירים אלה מתמודדים עם אתגרים עצומים בלכידת תמונות חדות.החללית חייבת לשמור על יציבות מצביעה מדויקת מאוד – לעתים קרובות בתוך כמה מכשפות – בעוד ששוט בין מטרות או מעקב אחר אובייקט נע במשך שעות.

בעוד שדחפורים יכולים לשנות את הכיוון של החללית, הם אוכלים דחף סופי ומעבירים מחסומים המפרשים את אופטיקה רגישה. גלגלי התגובה מספקים אלטרנטיבה חלקה ויעילה יותר, המאפשרת את האורנטנסיבית, לטווח הארוך, שהטלסקופים המודרניים דורשים. מאמר זה חוקר את הפיזיקה, ההנדסה, יישום של גלגלי התגובה בחלל נולד כלי אסטרונומי, מהחלל האבל ועד טלסקופ החלל של ג'יימס וטלסקופ מעבר למרחב החלל.

מה זה Reaction Wheels?

בליבתו, גלגל התגובה הוא גלגל טוויט המחובר למנוע חשמלי בתוך חללית.כאשר המנוע מאיץ או משמיד את הגלגל, שימור המומנטום הזוויתי גורם לחללית עצמה להסתובב בכיוון ההפוך.על ידי שליטה במהירות של אחד או יותר גלגלים, מהנדסים יכולים לסובב את המלאכה על כל ציר עם דיוק גבוה וללא סלקציה.

פיזיקה מאחורי גלגלים

הפיזיקה הבסיסית היא פשוטה: גלגל התגובה הוא חלק ממערכת סגורה.החלל בתוספת הגלגל יש מומנטום זוויתי מוחלט שנשאר קבוע אלא אם כן מומנט חיצוני פועל על המערכת.כאשר מהירות הגלגל משתנה, החללית חייבת לסובב בכיוון ההפוך כדי לשמר מומנטום זוויתי קטן.

עבור ייצוב של שלוש צירים, רוב החללית משתמשת בשלושה גלגלים של תגובה רכובים אוטגוניים, כל אחד מסיבוב שליטה סביב ציר אחד (pitch, yaw, roll) כמה משימות להוסיף גלגל רביעי של סקייוורד עבור אדמוניות במקרה אחד נכשל.הגלגלים יכולים לסובב במהירות החל מאפס עד כמה אלפי מהפכות לדקה, בהתאם לתכנון ולדרישות המשימה.

נספחים של עצרת גלגלים

הרכבה טיפוסית של גלגל התגובה מורכב ממספר חלקים עיקריים:

  • (FLT:0)Flyגלגל: 1:1 A צפוף, בדיוק מאוזן רוטטור, לעתים קרובות עשוי מתכת או חומר מורכב.הפצה המונית שלה קובע את הרגע של אינרציה, אשר מכתיב את כמות הנורה הגלגל יכול להונות.
  • מנוע אלקטרוני:0 (חשמלי: 1) מנוע ללא מכחול DC המזרז או משמיד את גלגל הגלגלים.המנוע נשלט על ידי יחידת אלקטרוניקה נהיגה שמקבלת פקודות ממערכת בקרת הגישה של החללית.
  • (ב) ⁇ :0) ,ב"הבאות: 1:1 , ⁇ , לעתים קרובות עם סיכה אופטימיזציה עבור ריק וטמפרטורות קיצוניות, לתמוך הפיר תוך צמצום החיכוך והלבוש.
  • (ב) כרך 1 (ב) ,0) ,הטבעה סגורה שמגינה על הגלגל מפני זיהום ומספקת תמיכה מבנית.הוא כולל גם תכונות ניהול תרמיות כדי לנתק חום שנוצר על ידי המנוע.
  • (FLT:0Speed חיישן: VisFLT:1) מכשיר כגון tachometer או קוד אופטי המספק משוב בזמן אמת על מהירות הגלגל למערכת הבקרה.

גלגלי התגובה המחוברים לחלל חייבים לעמוד בתנודות שיגור, רכיבה על אופניים תרמיים, והשפעות הקרינה.הם נועדו בדרך כלל לחיים שלמים של 5-15 שנים, אם כי רבים מהם עברו על הציפיות.

כיצד ניתן להפעיל את הגלגלים על ידי Stable Imaging

הדמיה סטנט בחלל דורשת מהטלסקופ לשמור על קו קבוע של ראייה עם ג'ייטר מינימלי, לעתים קרובות לתקופות מורחבות. גלגלי תגובה להשיג זאת באמצעות שלושה מנגנונים עיקריים: שליטה מצביעה בסדר, דחייה, ורעב ארוך.

ביקורת

מערכת בקרת הגישה של החללית משתמשת בגלגלי תגובה כדי לבצע התאמות קטנות ומהירות מאוד לנטייתו של הטלסקופ.לדוגמה, כאשר טלסקופ החלל האבל צופה כוכב, עליו להחזיק את מטרתו בתוך כמה אלפיים של קשת שנייה. הגלגלים יכולים לשנות מהירות על ידי שברים של מהפכה לדקה כדי לייצר את הטוקים הזעירים הדרושים לרמה זו של שליטה פועל לעתים קרובות יותר - 10 פתורים או שטף חיצוני יותר.

שליטה טובה זו היא קריטית במיוחד עבור כלויפות ומדפרמטרים, שבו אפילו תת-ארכיון יכול להרוס את התצפית. גלגלי התגובה מספקים את התוספת חלקה, רציפה ומתמשכת שדחפורים לא יכולים להציע, מה שהופך אותם הכרחיים עבור הדמיה ברזולוציה גבוהה.

שיבוש Rejection

Spacecraft במסלול כפופים לצלילים חיצוניים רבים: לחץ קרינה סולארי, השפעות ⁇ הכבידה, שדות מגנטיים ואפילו ההשפעה הזעירה של מיקרומטראוסטרואידים.ללא פיצוי פעיל, כוחות אלה היו גורמים לאט לטלסקופ להתרחק מהמטרה.תגובות נגד גלגלים מגיבים על הפרעות אלה על ידי יישום של עיגול שווה ומנוגד לסיבובים.

לדוגמה, טלסקופ החלל ג'יימס ווב, הפועל בנקודה השמש-הארץ L2 Lagrange, חווה לחץ קרינה סולארי מתמשך על גלגלי השמש הגדולים שלה, מגיבים קולטים את הרמזים האלה, ומאפשר לטלסקופ לשמור על הצבע המדויק שלו מבלי להסתמך על דחף, אשר יפריע את הראייה העדין וצריכת דלק יקר.

כוכבים ארוכים

תצפיות אסטרונומיות רבות דורשות מהטלסקופ להרעיש מטרה אחת במשך שעות או אפילו ימים לאסוף מספיק פוטונים מחפצים קלים כמו גלקסיות מרוחקות או כוכבי לכת מעבר.במשך הזמן הזה, החללית לא חייבת להתנתק מהמטרה שלה. גלגלי התגובה יכולים לקיים את התוספת הנדרשת לפרקי זמן ארוכים, כי הם לא לצרוך מדחף ויכולים לפעול באופן רציף במהירויות מתון.

טלסקופ החלל קפלר, שהשתמש בגלגלי תגובה עבור הצבעה טובה, חייב הרבה מההצלחה שלו ליציבות זו.קפלר הביט בכתם אחד של השמיים במשך ארבע שנים, תוך מעקב מתמיד אחר הבהירות של יותר מ-150 אלף כוכבים.ללא שליטה מדויקת ומתמשכת של גלגלי תגובה, גילוי הפעוטים הזעירים באורנות הנגרמת על ידי מעקב אחר כוכבי לכת לא היו בלתי אפשריים.

יתרונות על שיטות בקרה אחרות

בעוד שגלגלי התגובה אינם הדרך היחידה לשלוט באוריינטציה של חלליות, הם מציעים יתרונות נפרדים עבור מכשירים אסטרונומיים:

  • (ב) דיוק גבוה: ⁇ FLT:1 גלגלים יכולים לייצר צעדים דקים מאוד, המאפשר דיוק הצבעה תת-קרקעית.
  • (ב) אין צורך בצריכת דחף: FLT:1hil בניגוד לדחפורים, גלגלי התגובה דורשים רק חשמל, אשר ניתן לייצר על ידי לוחות סולאריים.
  • (ב) [15] ,5 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) , ⁇ : 1 (ב) עם ארבעה גלגלים בסידור טטדור, אובדן גלגל אחד עדיין מאפשר שליטה של שלוש צירים, שיפור חוזק המשימה.

הרגע של הבקרה, הגירוסקופים (CMGs) מציעים אלטרנטיבה לחלליות גדולות כמו תחנת החלל הבינלאומית, אבל הם כבדים יותר ויותר מורכבים.עבור רוב טלסקופי החלל, גלגלי התגובה מכהנים את האיזון האופטימלי של דיוק, יעילות ופשטות.

מדיניות מיפוי ואסטרטגיות מייגציה

גלגלי התגובה אינם ללא חסרונות.מהנדסים פיתחו מספר אסטרטגיות כדי להתגבר על המגבלות שלהם.

תגובה לגלגל Saturation

מכיוון שגלגל תגובה יכול רק לסובב בתוך טווח מהירות מסוים (בדרך כלל כמה אלפי RPM), הוא יכול רק לספוג כמות סופית של מומנטום זוויתי. כאשר הגלגל מגיע למהירות המקסימלית שלו, הוא אומר להיות "מעורר" ולא יכול לספק עוד שליטה בכיוון זה.פלת הגלגלים, החללית חייבת ליישם מומנט חיצוני, בדרך כלל מדחף מגנטי או ממריצים (התכ"מעקב אחר תהליך מגנטי).

לדוגמה, טלסקופ החלל האבל משתמש ביצורים מגנטיים כדי להשליך מומנטום מגלגלי התגובה שלו.זה מאפשר לגלגלים להמשיך לפעול בטווח הרגיל שלהם מבלי לבזבז דחף.עם זאת, משימות מעבר למסלול כדור הארץ נמוך (כמו JWST) לא יכול להסתמך על חומרים מגנטיים כי השדה המגנטי הבין כוכבי הלכתי חלש או לא זמין, הם משתמשים בדחפורים קטנים, אשר צורכים את המלטה וחייב להיות תקציב בזהירות.

ללבוש ומיקרוביות

נושאי גלגל התגובה פועלים בוואקום עם תנודות מוגבלות.לאורך שנים של שימוש, סיכה יכול לפענוח, הגדלת החיכוך ולגרום הגלגל לייצר רטטים לא רצויים. ⁇ אלה יכולים להתפשט דרך מבנה החללית ואת איכות התמונה מדרגת, במיוחד בתדרים מרחביים גבוהים.מהנדסים מקטין את זה על ידי שימוש במתקני רטט בין הגלגל לטלסקופ, על ידי איזון קפדני של הגלגלים, ועל ידי שינויים מהירים כדי למנוע תזמון כדי למנוע שינויים מהירים.

כמה משימות חדשות יותר, כגון טלסקופ החלל של ננסי גרייס (לשעבר WFIRST), לחקור את השימוש בגלגלי תגובה "quiet" שעוצבו עם חומרים מתקדמים וביטול רטט פעיל. חידושים אלה שואפים להפחית את הג'יטר לרמות הנדרשות עבור הדמיה ישירה של כוכבי לכת.

כשלים של נקודות

אף על פי שמשימות רבות כוללות גלגלי מפואר, כשל של יותר מגלגל אחד יכול להתפשר על המשימה.הטלסקופ החלל קפלר איבד את שני גלגלי התגובה שלו ב-2013, וסיים את סקר האקספונט הראשי שלו.עם זאת, מהנדסים שינו מחדש את הגלגלים הנותרים והשתמשו בלחץ סולארי כדי לייצב את החללית למשימה מעקב בשם K2.זה מדגים את הפגיעות ואת החיסבת של מערכות מעקב מבוססות תגובה.

משימות חלל בלתי ניתנות להפעלה של גלגלי תגובה

טלסקופ החלל האבל

הושק בשנת 1990, האבל משתמש שישה גלגלים תגובה (כולל שני redundant) כדי להשיג יציבות מצביעה של 0.003 שניות.הגלגלים הם חלק ממערכת הדרכה בסדר המשלבת עוקבים כוכבים וצוענים כדי לנעול על מטרות.יותר משלושה עשורים, גלגלי התגובה של האבל הוחלף במהלך משימות servereting, אבל העיצוב הוכיח אמין מספיק כדי לאפשר תגליות פורצות דרך עמוק מספק תמונות של LTs: 1.

טלסקופ החלל ג'יימס ווב

JWST פועל עם שישה גלגלים תגובה (שלושה ראשוניים, שלושה מורדים) בתצורה של tetrahedral.דיוק המצביעים שלו הוא אפילו תובעני יותר מאשר של האבל, כי הוא צופה באדום, שבו יש למזער הפרעות תרמיות.לטלסקופ יש מערכת הצבעה קורקזה המצביעת בתוך כמה שניות של מטרה, ולאחר מכן התגובה דקירה את הקרסולם הנכון כדי ללמוד את הדיוק של ג'ק 1 (JFacter) על גבי לוחמת השמש.

K2 Missions

המשימה של נאס"א קפלר השתמש בארבעה גלגלי תגובה כדי להשיג את היציבות הנדרשת הדיוק הפוטומטרי של 20 חלקים למיליון.אובדן שני גלגלים הפעיל את משימת K2, שהשתמשה בהיברידי של גלגלי תגובה ולחץ סולארי כדי לשלוט בגישה. הצלחתו של קפלר השפיעה על העיצוב של משימות אקסט מאוחר יותר כמו TESS ו-PLATO, שניהם מסתמכים על גלגלים. An In-inalre, מבט במבט לאחור, על דיוק, על דיוקר, ניתן למצוא את הגישה הטכנית של קפלר: CLTer, ניתן להצביע על ביצועים טכניים:

גאיה גאיה גאיה

משימתה של סוכנות החלל האירופית גאיה, המיפוי של יותר ממיליארד כוכבים, משתמשת בגלגלי תגובה כדי להשיג תנועות סריקה דקות מאוד.גאיה מסתובבת לאט כדי להתבונן בשמיים, והגלגלים לתקן את קצב הסיבוב שלה בתוך מיקרו-רק שנייה לשנייה.הצלחת המשימה תלויה בשליטה זו, שכן כל סטייה תדמה את המדידות האסטרולוגיות של גאיה מתוארת ב-FLTs:0s: מסמך גאיה מצביע על כך מצביע על כך על כך שגיאת על כך על כך שגיאת על כך שגיאת ESA:1 מעוותת:

שיטות עתידיות ב-Reaction Wheel Technology

כמכשירים אסטרונומיים דורשים יציבות גבוהה יותר – במיוחד עבור הדמיה ישירה של כוכבי לכת דמויי כדור הארץ – טכנולוגיית גלגל פעולה ממשיכה להתפתח.

  • (FLT:0 Magneticנשאs: FLT:1 Reshaping הכדור קונבנציונלי נושאים עם שטף מגנטי מבטל מגע מכני, צמצום ללבוש ורטט. גלגלי תגובה ניסיוניים עם נושאים מגנטיים נבדקו על ISS וייתכן שסטנדרט למשימות בעלות גבוהה בעתיד.
  • (FLT:0) תחריטים: 1FLT:1 integrating ⁇ electric Actuators או לחיבוק מגנטי לתוך ההגה יכול לבטל microvibrations בזמן אמת. גישה זו נלמדת עבור המושג observatory Lynx X-ray.
  • (FLT:0) יכולת התנופה גבוהה יותר: 1FLT:1 גדול יותר, גלגלים כבדים יותר עם מנועים חזקים יותר יכולים לאחסן מומנטום זוויתי יותר, להאריך את הזמן בין זריקת תנופה.
  • (FLT:0) מערכות היבריות: FLT:103) שילוב גלגלי תגובה עם הרגע של ג'ירו או אפילו צריחים קטנים יכול לספק הן מצביעות בסדר ונפיחות מהירה. טלסקופ החלל ננסי גרייס הרומי ישתמש בשילוב של גלגלי תגובה ו- CMGs לביצועים אופטימליים.

חידושים אלה יאפשרו טלסקופים הדור הבא כמו מצפה העולמות המותאמים לחיזוי גדול של אולטרה סגול (LUVOIR) כדי להשיג את היציבות הנדרשת עבור כוכבי לכת מדמייתים באור משתקף.

מסקנה

גלגלי תגובה הם טכנולוגיה חיונית עבור חללבורן מכשירים אסטרונומיים. על ידי מתן שליטה חלקה, מדויק, ודחף ללא גישה, הם מאפשרים הדמיה יציבה לאורך זמן רב, ומאפשרים למדענים ללמוד הכל מכוכבי לכת לגלקסיות הרחוקות ביותר.בעוד שמגבלות כגון שיטור, עונד, ורטטציה קיימים, מהנדסים פיתחו אסטרטגיות הפחתה יעילות, ומחקר מתמשך אפילו ביצועים טובים יותר של כריסטוס עמוק כדי לדחוף את סודות אלה, ואפילו חשוף היטב את החללים העמוקים העמוקים יותר, כמו אלה ימשיכו להיות מסוגלות יותר, כמו אלה.