מבוא

משימות חלל עמוקות דוחפות כל מערכת תת-מערכת הנדסית לגבולותיה, וכמה מרכיבים מרכזיים במבצע היומיומי של החללית כגלגל התגובה. גלגלי הטיס אלקטרו-מכאניים אלה מספקים שליטה מדויקת, ללא מניעה, המאפשרים כלים להצביע על כוכבים מרוחקים, אנטנה כדי לנעול על כדור הארץ, ומערךי השמש כדי לעקוב אחר השמש.

יסודות של גלגלי תגובה בשליטה

גלגל תגובה הוא מסה מסתובבת על ידי מנוע חשמלי.כאשר המנוע מאיץ את הגלגל, החללית חווה מומנט שווה ומנוגד (באמצעות שימור מומנט זוויתי), מה שגורם לו לסובב על ציר הגלגל.על ידי עלייה של שלושה או ארבעה גלגלים או thogonally, החללית יכולה לייצר מומנטים בכל כיוון ללא גירושים.

צריכת חשמל בגלגל תגובה מתרחשת במספר משטרים:

  • (FLT:0) אי-דיוקן ודה-הפצה: ההרחבה: 1:1 המנוע שואב את השיא כדי לשנות את מהירות הגלגל.זהו השלב בעל הביקוש הגבוה ביותר, לעתים קרובות נמשך רק שניות, אך יצירת ספייקים שיכולים להדגיש את אוטובוס החשמל.
  • (FLT:0) ,Steady-state רוט: 1 פעם במהירות מתמדת, הגלגל דורש רק מספיק כוח כדי להתגבר על חיכוך והפסדי רוח.בגלגלים איכותיים, הפסדים אלה הם מינוס, אבל הם עדיין מייצגים ניקוז מתמשך.
  • (FLT:0Speed החזקת תחת הפרעה: 1FLT כאשר מומנט חיצוני (לחץ פתור, כוח הכבידה ⁇ ) מנסה לסובב את החללית, לולאת השליטה של הגלגל חייבת לפצות על ידי התאמת מהירות הגלגל.

האנרגיה הכוללת הנצרכים על ידי גלגלי תגובה על משימה יכולה להיות משמעותית.לדוגמה, גלגלי התגובה של טלסקופ החלל האבל (המופעל במשך עשרות שנים) הצרכו עשרות וואט כל אחד במהלך פעילות נורמלית, והאנרגיה המצטברת שתקציב הגישה לשליטה על הגישה היווה חלק משמעותי מההקצאה של כוח המצפה.

אתגרים בניהול כוח עבור משימות חלל עמוק

הדור של אנרגיה מוגבלת ומחסן

בדיקות חלל עמוקות מסתמכות על גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) או מערך סולארי גדול.כחלל נע רחוק מהשמש, טיפות קרני השמש, צמצום התפוקה של מערך. RTGs degrade לאט אך מספק כוח קבוע.בבמקרה, האנרגיה הכוללת זמינה בכל יום חייבת להתחרות עם מכשירים מדעיים, תנורי חימום, תקשורת, ומחשוב צלוליאק לא יכול לטעון נתונים או לרסן אחרים.

גלגל רוויה ועונשים

גלגלי התגובה מצטברים תאוצה זוויתית לאורך זמן בשל הפרעות מתמשך מומנטים.בסופו של דבר גלגל מגיע המהירות המקסימלית המותרת (הטבעה) ולא יכול לספק מומנט נוסף בכיוון זה. "לטעון" הגלגל, החללית חייבת להשתמש במשט אחר כגון מוטות מומנט מגנטי או מדחף כוח, העדיפו את פעולתו המדחף ללא פשרות, דורש תיאום עם השפעה מגנטית (לעתים קרובות) של כוח לא מוגבל, כלומר, כלומר, הוא דורש לעתים קרובות כוח מגנטי או כוח לא יעיל.

המונחים:

גלגלי תגובה מתפזרים חום באמצעות רוחות מוטוריות, נושאים ואלקטרוניקה. בחלל עמוק, דחיית חום מוגבלת לקרינה.אם גלגל מופעל במהירות גבוהה או מואץ לעתים קרובות, הטמפרטורה שלו יכולה לעלות על גבולות בטוחים, לכפות הפחתה של כוח או חסימה זמנית.הרווחים הארוכים לעתים קרובות מכתיבים את מחזור החובה המקסימלי של גלגל.

איכות כוח ויציבות אוטובוס

התוספת הנוכחית הזמנית במהלך האצת גלגל יכולה לגרום לטבוליים מתח על אוטובוס החשמל אם הסוללה או ממיר האנרגיה לא יכולים להגיב במהירות מספיק.כלי רגיש עשויים לאפס או לסבול שחיתות של נתונים. אלקטרוניקה ניהול כוח חייב לכלול גם קפיטורים גדולים או מציצים אנרגיה ייעודיים כדי להחליק את הטראנסים האלה.העיצוב של מערכת חלוקת החשמל הופך לסחר בין מסה, עלות ויציבות מתח.

מחקרים בנושא: ניהול כוח במשימת חלל עמוקה היסטורית

טלסקופ החלל האבל

גלגלי התגובה של האבל תוכננו במקור לחיים של 15 שנים, אך המצפה המופעל במשך יותר מ-30 שנה.ניהול כוח היה תמיד דאגה, במיוחד במהלך המשימה הממושכת כאשר אסטרונאוטים החליפו גלגלים ושיפור אלקטרוניקה כוח.אבל במחשב לוח האבל השתמש ב"פרופיל של כוח" אשר מקטין את כוח השיא על ידי צמצום הדרגתי של גלגלים.

טלסקופ החלל קפלר

המשימה של קפלר למצוא כוכבי לכת הדרושים להצביע יציב במיוחד.ארבעת גלגלי התגובה שלה שימשו במצב "צבעון עור" הדורש התאמות קטנות כמעט בלתי יציבות.הגלגלים בדרך כלל מופעלים במהירויות נמוכות כדי לשמר את הכוח.עם זאת, שני גלגלים נכשלו מוקדם, ואילץ את הצוות להשתמש בדחפורים עבור שליטה, אשר נצרכת hydrazine ולהגדיל את הכוח מפני חום כדי למנוע שילוב גבוה יותר של כוח המשיכה.

ניו-הוריאנס

במסעו לפלוטו ומעבר לכך, New Horizons השתמשו במצב ספין-מפותח עבור רוב שלב השייט כדי לחסוך כוח.גלגלי תגובה הופעלו במשך שנים כדי לשמר את הפלט RTG עבור מכשירים מדעיים ותקשורת. במהלך הפלוטו טסבי, החללית נרקמה וגלגלי תגובה מופעלים עבור הצבעה מדויקת. Power היה כל כך תקציבי כי הרצף של טסבי היה להיות כוריאוגרפיה עם דיוק משנית, וכל פעילות בלתי צפויה של גלגלים עבור גלגלים חדשים.

אסטרטגיות ניהול חשמל מתקדמות

תכנון חיזוי וניהול מודל-Predictive Planning

חלליות מודרניות משלבות מודלים של הדינמיקה של הרכב ומערכת החשמל.בקר מודל-predictive (MPC) יכול לתכנן רצף של האצות גלגל ועיוותים כי מכבדים מגבלות כוח תוך השגת התאמות הגישה הנדרשת. לדוגמה, בקר יכול לקבוע סלה לתקופה שבה מערך סולארי מייצר כוח מקסימלי וסוללה הוא גבוה.

ניהול אנרגיה - Aware Momentum Management

במקום לטעום גלגלים ברגע שהם ניגשים לשקע, כמה משימות משתמשות באסטרטגיה "הטעינה נמוכה" המשתמשת בפורצים מגנטיים באופן קבוע בעוצמה נמוכה.זה נמנע מספיצי חשמל גבוהים ומפחית לחץ תרמי.המסחר הוא מעט כוח ממוצע שואב מסוללות מגנטיות, אבל המערכת הכוללת יכולה להיות יעילה יותר, במיוחד באזורים שבהם השדה המגנטי הוא גם בכיוון חיובי, עם לחץ נמוך יותר, עם לחץ חשמלי (מהירות) עם מגבלות מהירות נמוכה יותר).

משחק אופניים וגלגל בחירת

כאשר גלגלים מרובים זמינים (למשל, סט tetrahedral של ארבעה), מערכת הבקרה יכולה מחזור אילו גלגלים פעילים, אשר הם מופעלים עד אפס מהירות.ספין גלגל עד אפס והפעלה מחדש זה יכול למעשה לחסוך אנרגיה בהשוואה שמירה על כל הגלגלים במהירות לא אפס עקב הפסדים נמוכים יותר מנוחה.

המונחים: control Moment Gyroscopes and Reaction Spheres

הרגע של שליטה בגירוסקופים (CMGs) מספקים מומנט גבוה יותר עבור אותו קלט חשמל אבל הם כבדים יותר ויותר מורכבים.כמה משימות חלל עמוק, כגון טלסקופ החלל ג'יימס ווב, להשתמש CMGs באופן בלעדי עבור לוחות גדולים, בעוד גלגלים התגובה להתמודד עם הצבעה טובה.על ידי חלוקת עומס העבודה, את עוצמת השיא של גלגלים התגובה ניתן להפחית.

תפקיד התוכנה ואלגוריתמים

תוכנה היא המנוף של בקרת גישה מבוססת חשמל. Kalman estimators מעקב אחר מהירות הגלגל וכוח בזמן אמת, המאפשר חיזוי מדויק של הצרכים העתידיים של אנרגיה.על לוחות הזמנים יכול להדוף תמרונים לא ורגניים עד שהמצבים כוח משתפרים. למידת המכונה הוצעה לחזות הפרעות להורדת השימוש בגלגלים ואופטימיזציה, אך עבור משימות חלל עמוקות, אלגוריתמים עדיין מועדפים על ידי דרישות אמינות.

דוגמה בולטת אחת היא העבודה של מרכז המחקר Ames על "Power-Cognizant Guidance, ניווט ובקרה" עבור לווינים קטנים.הם הוכיחו כי על ידי שילוב מודלים תת-מערכתיים כוח ישירות לתוך הלולאה בקרת הגישה, החללית יכולה להפחית את צריכת האנרגיה הכוללת של גלגלי תגובה עד 30% תוך שמירה על דיוק הצבעה בתוך קשתות דומות הם אבטיפוס עבור שער ארטמיס ועתיד של נאס"א.

חידושים טכנולוגיים וכיוונים עתידיים

עיצוב גלגלים נמוך

יצרנים מייצרים גלגלים עם מנועים יעילים יותר של קרמיקה, נושאים קרמיקה, ומסתובבים קלים יותר (למשל, ה-FLT:0RW-1IRFLT:1 מ- Blue Canyon Technologies צורכת פחות מ-2 W במצב יציב ויכולה לייצר 0.1 Nm של מומנט, מתאים עבור קיובים ובדיקות חלליות קטנות.

מערכות בקרה משולבות ו-Intitude Systems

הרעיון של "כוח ומערכת בקרת גישה" (PACS) ממזג את אחסון המומנטום עם אחסון אנרגיה. גלגל זבוב יחיד יכול לפעול כמו גלגל תגובה וגם מכשיר אחסון אנרגיה רוטט, אנלוגי לסוללה אנרגיה קינטית. גישה זו, למדה בתחנת החלל הבינלאומית והציעה לבתי גידול בחלל עמוקים, יכול לאפשר לחללית לצייר כוח מהטיס במהלך שיאים ולטעון במהלך תקופות נמוכות של ביקוש, בעוד שעדיין לא ניתן לחסוך חלל עמוק.

ניהול חשמל אוטונומי עם Onboard AI

משימות חלל עמוקות עתידיות יעלו אוטונומיה בשל עיכובי תקשורת. סוכנים מבוססי בינה מלאכותית יכלו לפקח על צריכת כוח התגובה, מצב תרמי, ומבנה תנופה, ורצף תצפית ריצוף אוטונומי כדי למנוע מקרי חירום כוח. נאס"א:0Autonomous Systems ותפעול FLT:1 מפתחת יכולות כאלה עבור הדור הבא של מעבורות פלנטריות חיצוניות: LT2Euro רואה את המשימה של מערכת ההפעלה של שימוש בגלגלים, לדוגמה, קריפטורית, מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של גלגלים.

מסקנה

ניהול כוח תגובה הוא אתגר הנדסי רב-ממדי העומד בצומת מערכות בקרה, אלקטרוניקה כוח, הנדסה תרמית ותכנון המשימה.המפתח להצלחה הוא בעיצוב גלגלים יעילים מטבעם, יישום תוכנה שיכולה לחזות ולייעל את השימוש באנרגיה, ותכנון פעולות שמכבדות את תקציבי הכוח הדחוסים המוטלים על ידי מסעות חלל עמוקים.

עוד ועוד קריאה

  • [01:0] NASAA - But Hubble Reaction Wheels, עונה 1
  • (ב) ESA - עקרונות גלגלים ויישומים:
  • (FLT:0) "Power-Aware Attitude Control for Interplanetary Small Spacecraft" - כתב העת של Spacecraft ו-RocksFLT 1