לווייני תצפית כדור הארץ הם מעשי ניטור סביבתיים מודרניים, מדע האקלים וניהול אסון.כדי לספק תמונות מפוכחות ומפוכחות - בין אם מעקב אחר פיזור באמזון, מדידת טמפרטורות פני הים, או תמיכה בחקלאות מדויקת - החללית הזו חייבת לשמור על יציבה ומדויקת באופן יוצא דופן, ההבדל בין תמונה שניתן לטשטש לבין מטושטשת אחת לעתים קרובות ירד למיקרו-רדיקלידי של יציבות רכה זו.

מה זה Reaction Wheels?

גלגל תגובה הוא מסה רוטטת - גלגל זבוב - המופקד בתוך לוויין, קם או מאט על ידי מנוע חשמלי.העיקרון הבסיסי הוא שימור של מומנטום זוויתי: כאשר הגלגל מאיץ בכיוון אחד, הגוף הלווין מסתובב בכיוון ההפוך.זה מאפשר למהנדסים להתאים במדויק את הכיוון של החללית (הגישה שלו) ללא ירי או גירושים כל מסה.

גלגלי התגובה בנויים בדרך כלל ממתכת גבוהה או דיסק מורכב, נתמך על נושאים מדויקים ומניעה על ידי מנוע DC חסר מברשת.האסיפה כולה שוכן במיכל חתומה, לעתים קרובות מלא עם גז אינרציה או מופעל בוואקום, כדי למזער את גרר ו contamination. גלגל התגובה המודרני הם קומפקטיים - החל מכמה ס"מ בקוטר עבור יחידות בגודל של קוטב למחצית עבור טלסקופים גדולים - אבל הם יכולים למדוד משמעותי (מטר אחד) דחוסים בגודל של טלסקופים בגודל של פחמן דונטרופים (מטר (מטר אחד בלבד).

ההבדל בין גלגל תגובה לבין "גלגל מונומי" הוא עדין אבל חשוב. גלגל תנופה הוא בדרך כלל על מהירות גבוהה קבועה לספק קשיחות גירוסקופית, עוזר לווין להתנגד למתקנים חיצוניים. גלגל תגובה, לעומת זאת, נועד להיות מואץ ומחוספס ברציפות כדי לייצר שליטה על מערכות בקרת גישה לווייניות רבות משלבות שני סוגים, או שימוש של תגובה מלאה או קוהר אדום כדי לספק שליטה מלאה של שלושה גלגלים או אדום.

כיצד ניתן להגיב גלגלים מראש

להצביע על לוויין תצפית כדור הארץ אינו פעולה אחת אלא תהליך בקרה סגור-פרלופ.מערכת נחישות הגישה של הלוויין - באמצעות עוקבים כוכבים, חיישני שמש וצוענים - מקנה את הכיוון הנוכחי לדיוק תת-קרקעי.מחשב משווה את זה למגמה הרצויה ומחשב את הסימון הדרוש לתיקון כל טעות.

מכיוון שגלגלי התגובה יכולים לבצע התאמות מאוד יפות – לפעמים רק כמה אלפיים של תואר לשנייה – הם אידיאליים למעקב איטי ויציב הנדרש להתבוננות בכדור הארץ.כאשר לוויין מפריש מטרה, עליו לשמור על המטרה בתחום הראייה של המכשיר למשך כמה שניות, בעוד המראה או החיישן יכולים להיות פחות מטשטשים או מטושטשים.

שליטה על Algorithms ו- Performance

התוכנה שמשדרת גלגלי תגובה משתמשת בשליטה רבת-ממדית (PID) (PID) השולטת, לעתים קרובות עם תנאים נוספים של מזון קדימה כדי להסביר עבור קוויות חיצוניים ידועים (כגון ⁇ כוח הכבידה או לחץ קרינה סולארי) משימות מתקדמות מעסיקות מודל שליטה חיזוי או אלגוריתמים הסתגלות כדי לשמור על הצבעה גם כאשר גלגל משתנה לאורך זמן.התוצאה היא כי לוויינים מודרניים להשיג באופן שגרתית של מעבר לקביעת גלגולים של טרה-מטרים טובים יותר מ-0.01 מעלות צלזיוס מאשר כמה מעלות טובות יותר מאשר ייצוב של מיקרו-עשרים של מיקרו-עשרים ו-עשרים של קיבולת שנייה.

דוגמה בולטת: לנדsat 8 ו- Landsat 9 של נאס"א משתמשים בגלגלי תגובה מ- Honeywell (מודלים HR12 ו- HR16) כדי להשיג ידע מצביע על 9.6 שניות ומצביע על יציבות של 5.0 מיקרו-רדיירים על תקופת שילוב של 1 שניות.

היתרונות של גלגלי תגובה לכדור הארץ

ההעדפה של גלגלי התגובה על פני הדחף במשימות מצביעות על כך נובעת ממספר יתרונות ברורים:

  • (FLT:0) יחסו של עמנואל ו- Extended Mission Life:veFLT: 1) גלגלי התגובה משתמשים רק בכוח חשמלי, אשר יכול להיווצר על ידי לוחות סולאריים במשך עשרות שנים. Thrusters לצרוך דחף, הגבלת חיי המשימה.על ידי שמירה על דחף רק עבור תמרונים גדולים במסלול או של חירום, לווייניים יכולים לפעול במשך 10-15 שנים או יותר.
  • (FLT:0) גבוה Precision ו- Smoothness:veFLT:1) גלגלים של תגובה מספקים מומנט שליטה רציף, ליניארי שליטה עם החלטה טובה מאוד.הם לא מייצרים את הכוחות האימפולסיביים של צריפים כימיים קטנים, אשר יכול לרגש את הרטטים מבניים.חלק זה חיוני עבור מכ"ם בין-פרמטרי סינתטי (InSAR) כמו Sentinel-1, שבו שלב משותף בין דרישות מיקרו-אימפריאליסטיות.
  • (FLT:0) לחנך את הזיהום: phusters eject גזים חמים שיכולים ליישר על אופטיקה רגישה או תאים סולאריים.גלגלי תגובה לא מייצרים שום צנרת ממצה, כך שהם האפשרות היחידה מעשית עבור טלסקופים עם מראות חשופים.
  • (FLT:0) פשטות סימדוקטית (במושג): התאספות גלגל תגובה יש חלק אחד נע (הרכבה המסתובבת עם נושאים) בהשוואה לשסתוםים רבים, מזרקים, ו nozzles של מערכת דחף.

פתרונות ופתרונות הנדסה

למרות היתרונות שלהם, גלגלי התגובה אינם ללא אתגרים.הנושא הידוע ביותר הוא (FLT:0saturationFLT:1; גלגל תגובה יכול רק לסובב עד מהירות זוויתית מקסימלית, בדרך כלל כמה אלפי מהפכות לדקה. ברגע שהוא מגיע למהירות זו, זה לא יכול לספק עוד מומנט בכיוון זה - הוא "מצטבר" להמשיך לשלוט על הלוויין, יש להאט את הגלגל החיצוני או "לצמצם" באמצעות מקור חיצוני.

טכניקת היעלמות

שלוש שיטות עיקריות משמשות כדי למנוע מומנטום גלגל התגובה:

  • (FLT:0 Magnetic Torquers (Magnetorquers): Coils אשר יוצר dipole מגנטי, אשר אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ לייצר מומנט. מגנטים הם פשוטים, קלים, ודורשים לא לדחוף.הם פועלים היטב במסלול כדור הארץ נמוך, אך הופכים יעילים פחות בגבהים גבוהים יותר שבו השדה המגנטי הוא חלש ביותר.
  • (FLT:0)Thrusters (מערכת בקרת פעולה): ⁇ 1 ( ⁇ ) דחפורים כימיים או חשמליים קטנים יכולים לירות בקצרה כדי ליישם את התוספת המפרקת את הגלגל.זה צורב דחף, כך שהוא משמש בספאם - לעתים קרובות רק כאשר מגנטים לא יכולים לספק מספיק מומנט, כגון במהלך תמרונים או במסלול גיאוסטציונרי שבו השדה המגנטי חלש מאוד.
  • (FLT:0)Gravity Gradient and Solar Radiation Stress:03:FLT) 1 במשימות מסוימות, ניתן לרתום את הסביבה הדינמית הטבעית של החללית על ידי הפעלת הלוויין ביחס ל ⁇ הכבידה, או על ידי התאמה של זווית לוחות סולאריים ביחס לשמש, קווי טורק קטנים ניתן ליישם כדי לנהל מומנטום גלגלים.

מצבי לבוש וכישלון

נושאי גלגל התגובה הם נקודת הכישלון הנפוצה ביותר במשימות חלל ארוכות טווח.תחת ואקום, lubricants יכול להתאדות או להגר, המוביל לחיכוך מוגבר, "זהה", או הדור של פסולת מיקרוסקופית שיכולה לפגוע משטחים.מהירויות גבוהות לייצר חום, אשר מאיץ הידרדרות סיכה.

  • באמצעות חיים נבדקים, בעלי דירוג חלל נושאים לובריקים כגון Braycote 601 או דומה ל-fluoropolyether greases.
  • שילוב תנורי חימום כדי לשמור על טמפרטורת הגלגל בטווח אופטימלי.
  • תכנון מערכות פיצויי חוסר איזון פעיל כי נגד אקסצנטריות המוניות.
  • הפעלת מספר גלגלים (בדרך כלל ארבעה בתצורה tetrahedral) כך שאם אחד נכשל, השלושה הנותרים עדיין יכולים לספק מומנט שליטה מלא.

מיקרו-Vibrations ו-Jitter

אפילו גלגל תגובה מאוזן לחלוטין מייצר רטט בשל חוסר השלמות והדפוס המנועי.מיקרו-ליברציות האלה יכולות להציק מחדש מבניות, מה שגורם למצלמה של הלוויין לדימויים ג'ייטר ומטושטשים.

  • הרצה של גלגלי תגובה על מברשות רטט (למשל, מכוונן לחות או מטאטאים).
  • גלגלי הפעלה במהירות להימנע מתדרות שיקום מבניות.
  • באמצעות בקרה מתאימה של הזנה-קדימה, שבו הקדמות של הלוויין מודדות את הרטט ואת מנוע גלגל התגובה צווייס לבטל את ההפרעה.

מערכות תצפית כדור הארץ האמיתיות באמצעות גלגלי תגובה

גלגלי התגובה הם בכל מקום בצי התצפית של כדור הארץ.למטה הם דוגמאות בולטות, החל ממשימות מדעיות שטופלו הממשלה ועד לדימויים ברזולוציה גבוהה מסחרית:

נאס"א Landsat Program

Landsat 8 ו-9 הושק בשנת 2013 ו- 2021 בהתאמה, כל אחד מהם נושא ארבעה גלגלים תגובה Honeywell HR16 מסודרים בתצורה פירמידת.הגלגלים מספקים את הדיוק המצביע הדרוש עבור The Operational Land Imager (OLI) ואת חיישן infrared Infrared חיישן (TIRS) הגלגלים מופלים באמצעות מפגעי מגנטיים.

סוכנות החלל האירופית Sentinel-1

Sentinel-1A ו- 1B (ו-Stinel-1C) משתמשים בקבוצת מכ"מים של C-band סינתטיים. SAR הדמיה דורש ידע גישה מדויק מאוד ושליטה כדי לשחזר את השלב המכ"ם. Sentinel-1 משתמש בארבעה גלגלים תגובה מהחברה הגרמנית אסטרו- und Feinwerktechnik Adlershof (כיום חלק מ- Airbus Defence and Space).

Maxar's WorldView-3 ו-4

לווייני הדמיה מסחריים אלה מייצרים 31 סנטימטר פאןכרומטית - הגבוה ביותר הזמין מהחלל.ביקוש עבור תמונה כה חדה מסתמכת על גלגלי התגובה של Honeywell או Rockwell Collins (כיום קולינס Aerospace) כדי לשמור על הטלסקופ באופן קבוע לחלוטין בעוד הלוויין נע כמעט 8 ק"מ לשנייה.הדיוק מצביע של WorldView-3 הוא טוב יותר מ -10 מטרים ב- nadir, עדות לשליטה על גלגל התגובה.

סדרת ה-GoES-R של NOAA

לווייני מזג אוויר גאותיים כמו GOES-16 ו- GOES-18 משתמשים בגלגלי תנופה (גרסה של גלגלי תגובה שצוינו במהירות גבוהה קבועה) כדי לספק נוקשות אנרגטית, בתוספת גלגלי תגובה קטנים יותר עבור הצבעה נוחה על תמונת הבסיס המתקדם.האתגר הוא אפילו גדול יותר כי לווייני ג'וסטציונריים חווים לחץ קרינה סולארי קבוע כי יש לפעול נגד - עבודה שטופת על ידי התגובה ב-המת עבור גלגלים עם דחף לדחף.

מגמות עתידיות ב-Reaction Wheel Technology

ככל שהמיניון המיניטורציה והקונסטלציה המסחרית מתרחבים, פיתוח הגלגל התגובה ממשיך להתפתח:

  • (FLT:0) גלגלים ממאירים עבור CubeSats:BuildFLT:1) חברות מספריות מציעות כעת גלגלי תגובה במשקל מתחת ל-200 גרם וצריכה רק 1-2 וואט.אלה מאפשרים ל- CubeSats להשיג דיוק הצבעה ברמה גבוהה, המאפשר תצפית כדור הארץ ברזולוציה גבוהה מפלטפורמות בגודל של תיבת נעליים.
  • (FLT:0) איסוף הרגע גירוסקופים (CMGs): 1 עבור חללית גדולה מאוד או משימות הדורשות לוחות מהירים (למשל, מצביע על מטרות מרובות ברצף מהיר), CMGs מציעים מומנט גבוה יותר מאשר גלגלי תגובה. AMG הוא למעשה גלגל תגובה על גמול, המאפשר את הכיוון של המומנטום הזווית הזוויתי שלה להיות שונה מתחנות CMG / C.
  • (FLT:0) ללא פגע (מגנטי סוסיונות) גלגלים: 1FreaLT כדי לחסל את הנושא ללבוש לחלוטין, קבוצות מחקר מפתחים גלגלי תגובה כי לגלגלים באמצעות נושאים מגנטיים פעילים.גלגלים אלה יכולים ליישר במהירות גבוהה מאוד ללא מגע מכני, צמצום ג'ייטר ולהגדיל את החיים.
  • (FLT:0) לוויינים עתידיים משולבים: 1FLT:1 עשוי לשלב גלגלי תגובה עם דחף הנעה חשמלית להשתמש באותו אוטובוס כוח.הדחפורים החשמליים יכולים לספק מומנטים דקים מאוד עבור התפלה, צריכת גז אינרטי בלבד.זה כבר נראה על המשימה של סוכנות החלל האירופית BepiColombo מרקורי, אשר משתמשת במניעה חשמלית עבור התפלות.

מסקנה

גלגלי תגובה הם אבן הפינה של עיצוב לוויין תצפית מודרני של כדור הארץ.היכולת שלהם לספק מומנט מתמשך, גבוה מראש ללא צורך דחף מוגבל מאפשר משימות לפעול במשך עשור או יותר, לספק את ההדמיה יציבה הדרושה ניטור אקלים, תגובה אסון, ורגישות מרחוק מסחרי מרחוק יכול לראות את הגבולות של לוויינים, תוך כדי לא אתגרים - רוויה, עונד, ומיקרו-מוחות - מופעלים באמצעות פתרונות חזקים, החליקטיביים, ופתרונות איטיים, ממשיכים להיות איטיים, כמו גם לחץ על ידי רזולוציה מגנטיים, כדי לחץ דם מגנטיים, כדי לחץ דם מגנטיים, ופתרונות מתקדמים, כדי לחץ דם, ופתרונות איטיים, כדי לחץ על ידי רזולוציה מגנטיים, כדי לחץ דם, כדי לחץ על ידי ויזואליים, כדי לחץ דם מגנטיים, כדי לחץ דם, כדי לחץ דם איטי, כדי לחץ דם איטיים, כדי לחץ דם איטי יותר, כדי לחץ דם, כדי לחץ דם איטי, ישארכות, ופתרונות איטיים, כדי לחץ על ידי , ישארוכים, כדי לחץ על ידי ויזואלית, כדי לחץ דם איטיים, ישארוכים, כדי לחץ על ידי ויזואלית, כדי לחץ דם מגנטיים, ישארוכים, ישארוכים, כדי לחץ על ידי פתרונות איטי

לקריאה נוספת על הפיזיקה והיישום של גלגלי התגובה, הסוכנות האירופית מספקת סקירה מצוינת במאמר גלגל ה-FLT:0 (reaction Wheel article) של גלגל הפעולה 1 (FLT:1 ).פרטים מפורטים יותר עבור יחידות מסחריות נפוצות ניתן למצוא על ה-FLT:2Honeywell HR12 DatasheetFLT 3: עבור צלילה עמוקה לתוך אלגוריתמים של בקרת גישה, ראה את דוחים טכניים של נאס"א על תגובת גלגל:2Honeywell HR12: