עיצוב גלגלי תגובה לתנודות טמפרטורה קיצוניות בסביבה חלל

האתגר הייחודי של בקרת חלל

גלגלי התגובה הם סוסי העבודה של בקרת הגישה של החללית, המספקים מומנט מדויק עבור טלסקופים מצביעים, מכוונים אנטנה, או לוחות סולאריים שולעת תפקידם הוא פשוט מטעה: לסובב רוטר כבד למעלה או למטה כדי להעביר מומנטום זוויתי לגוף החללית, אבל כאשר הסביבה החללית נעה מחום הים של אור השמש הישיר אל הקור העמוק של כדור הארץ או האפל של הצד הסגור של כדור הארץ, יש צורך לשמור על אינסוף של מיליונים של חיכוך, ושיש קרוב לרמה של אינסוף של אינסוף של חיכוך, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, 000 כישלונות של אינסוף של אינסוף של אינסוף של כישלונות של אינסוף של חיכוך, 000 , 000 כישלונות של חיכוך, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 כישלונות של , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , קרוב , 000 כישלונות של , 000 כישלונות של , 000 כישלונות של , 000 כישלונות של , 000 כישלונות של , 000 כישלונות של כישלונות של כישלונות כישלונות כישלונות ערפל ערפל

קיצוניות טמפרטורה בחלל אינן רק רחבות; הן פתאומיות. לוויין במסלול כדור הארץ נמוך (LEO) יכול לחוות סמן טמפרטורה של יותר מ 200 מעלות צלזיוס על פני מסלול של 90 דקות אחד.עבור גלגלי התגובה, אשר לעתים קרובות רכובים בתוך האוטובוס אך חשופים דרך מסלולים תרמיים, זה יוצר מתחים מעגליים שיכולים להיות חומרים, לשנות את המהירויות של סיכה, ולשנות את האיזון של הרקטור סביב המציאות המכנית.

הבנת הטמפרטורה של הסביבה בחלל

הסביבה התרמית של החלל נשלטת על ידי העברת חום קורנטיבית.בניגוד לכדור הארץ, אין אווירה אחידה לתדחות טמפרטורה מתונה. משטחים החיצוניים של חללית הפנים באופן חלופי אל השמש (קבלה בערך 1,367 W/m2 ב 1 AU) ולאחר מכן השמיים שחורים ב-2.7 ק' בצל, רכיבי לוויין יכולים להתקרר ל-200 מעלות צלזיוס או נמוך יותר; באור השמש, הם עשויים להגיע ל-150 מעלות צלזיוס, בהתאם להשפעות על פני פני פני פני פני כדור הארץ או יותר, או יותר, בהתאם לציפוי ראייה או יותר, או יותר, או יותר, בהתאם לטמפרטורות מתחת לפני השטח.

אזורי תרמיים של FLT:0Key המשפיעים על גלגלי התגובה: FLT:1

• (FLT:0)Low Earth Orbit (LEO): ההרחבה 1 (החליפה של כדור הארץ) (עד 35 דקות של צל למסלול של 90 דקות) טמפרטורות גלגלים יכולות להתנדנד מ-10 מעלות צלזיוס ל- +60 ° C בתוך האוטובוס, אך יותר קיצוני על רכיבים חיצוניים או חשופים חלקית.
• (FLT:0)Geostationary Orbit (GEOrea): FLT:1 Longer Eclipses רק במהלך עונות השנה השוויונית (עד 72 דקות) או חשיפה סולארית קבועה, המוביל לתנאים יציבים אך חמים (~50–70 ° C) לגלגלים מעוכבים פנימיים.
• (FLT:0)Lunar או Deep Space:FLT:1 אין אווירה משמעה לא חום ספוג.בכת מכתשים לצמיתות של הירח, הטמפרטורה יורדת -230 ° C. באור השמש המלא על פני הירח, הם עולים על +120 מעלות צלזיוס.
• (FLT:0) משימות בין כוכביות (Mars, ונוס, מעבר לאנדרה): מרחק 1 מהשמש משתנה באופן דרסטי שפעת השמש.לדוגמה, חללית בעלת יופיטר מקבלת רק -50 W/m2. שיכולה להוביל לקור קיצוני, אלא אם כן אוטובוס החללית מחומם באופן פעיל.

⁇ תרמיים אלה יוצרים לא רק הרחבה גדולה התכווצות, אלא גם הרחבה שונה בין חומרים שונים - למשל, בין פיר פלדה לבין דיור אלומיניום.

התרחבות תרמית ואפקטים שלה על רוטר דינאמיקס

האתגר החומרי העיקרי בעיצוב גלגל התגובה הוא ניהול המקדם של התרחבות תרמית (CTE) אי התאמה. גלגל תגובה טיפוסי רוטטור עשוי להיות עשוי מפלדה גבוהה סטראנגית או סגסוגת טיטניום, בעוד הדיור הוא לעתים קרובות אלומיניום סגסוגת עבור חיסכון במשקל.על טווח טמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס, ההתרחבות השונה בין פלדה (CTE -12m / C) ואלומיניום (TE - pm / 2 ° C) כמו קוטר עבור 2.

מהנדסים מטפלים בכך על ידי התאמת CTEs יותר קרוב (למשל, שימוש ב-Invar עבור דיור או רוטטור), תכנון ממשקים מקבילים המאפשרים תנועה שונה ללא השפעה על היישור, או באמצעות שליטה תרמית פעילה כדי לשמור את כל ההרכבה בטמפרטורה כמעט קבועה.

שיקולים מרכזיים לגישור גלגלים בטמפרטורות קיצוניות

תכנון גלגל תגובה כדי לשרוד אלפי מחזורים תרמיים ללא השפלה דורש שינויים מסחר זהירים על פני תחומים הנדסיים מרובים.התתתת הבאה מפרטת את האזורים הקריטיים ביותר.

בחירת החומריות עבור יכולת ה-thermal

הבחירה של חומרים עבור רוטר, פיר, נושאים, דיור, וכל רכיבי מעגל מגנטיים ישירות קובע את החוסן התרמית של הגלגל. חומרים נמוכים-CTE הם מועדים, אבל הם חייבים גם יש נוקשות מסוימת גבוהה (יחס רגיש למשקל) כדי למנוע בעיות של התחדשות מבנית מן המהירויות הגבוהות (לעתים קרובות 3,000-6,000 rpm).

• חומרים (FLT:0)Rotor חומרים:FLT:1 סגסוגת טיטניום גבוהה (למשל, Ti-6Al-4V) מציעים איזון טוב של CTE (~9 ppm / ° C), כוח, צפיפות. Beryllium הוא אפילו טוב יותר (CTE -6.4 ppm / C) עבור ביצועים גבוהים מאוד, אם כי זה יקר רעיל למכונה פחמן-פחמית יש צורך יותר ויותר.
• (FLT:0) חומרי גלם:FLT:1 סגסוגת אלומיניום (6061, 7075) נפוצים אך דורשים עיצוב זהיר כדי להתאים את ההתרחבות התרמית. כמה גלגלי תגובה גבוהים משתמשים בסגסוגת מגנזיום (CTE -26 ppm / ° C אבל בהיר יותר) או titanium עבור התאמה טובה יותר.Invar (Fe-Niסגסוגת) משמש לעתים לדיוקנים או לדיור שבו יש צורך להישאר קבוע ממדים.
• (FLT:0) חומרים מעוררי אימה: 1FLT:1 נושאים קרמיקה היברידית (כדורים ניטרידיים של סטייקון במירוצים פלדה) מועדפים כי הם להפחית עיוות תרמיים ולספק חיכוך נמוך יותר בקור קיצוני בהשוואה לכל נושאי השחיטה.

לדוגמה, גלגלי התגובה ששימשו את ה-FLT:0 (ג'יימס וובאר טלסקופ החלל) נועדו לפעול בטמפרטורות Cryogenic (~40 K) באמצעות חומרים מיוחדים ו- lubricants.The rotor ו- stator היו צריכים להחזיק בתוך כמה מיקרומטרים אפילו כמו כל ההרכבה קרירה מטמפרטורת החדר ועד קר עמוק.

אסטרטגיות בקרת אורמל: Passive vs. Active

שמירה על גלגל התגובה בתוך רצועת הטמפרטורה התפעולית שלה מושגת לעתים קרובות באמצעות שילוב של שליטה תרמית פסיבית ופעילה.

(FLT:0) בקרת חום תרמילאית (FLT:1) כוללת בחירת ציפויי פני השטח (החליפה חמה נמוכה, פליטות אינפרא אדום גבוה) כדי לנהל זרימת חום קורנטיבית, באמצעות שמיכות מרובות שכבות (MLI) כדי לבודד את הגלגל מתנודות טמפרטורה חיצונית, ולהוסיף רצועות תרמיות או קורנטורים כדי למנוע חום מן הנושאים.

(FLT:0) בקרה תרמית יעילה על חללית, ולכן מהנדסים חייבים לייעל מיקום חום ונקודות סט.חלק מגלגלי התגובה יש מעגלים חום בלתי-נפרדים שמראים את האזור בטמפרטורה מינימלית (למשל 0 °C) במהלך שלב קר, למנוע תנודות חום או מתפתל של תנודות חום מקיפים של חום, אשר שומרים על האזור הנושא בטמפרטורה מינימלית (למשל, 0 °C) במהלך שלב קר, למנוע קרישה או מתפתל של תנודות עבה של תנודות או תנודות.

חלופה כי הוא יותר ויותר בר קיימא הוא השימוש צינורות חום או צינורות חום לולאה כדי להעביר חום מן הגלגל לרדיו, או אפילו אוטובוס חם לגלגל במהלך תקופות קרות.הFLT:0 טלסקופ החלל טפטוף 1FLT השתמש גלגלי תגובה עם עיצובים תרמיים כי הסתמכות על סביבת הטמפרטורה היציבה בתוך החללית, אבל עדיין נדרש מודל תרמי זהיר כדי למנוע מהתחממות יתר במהלך תמרונים.

המונחים: briscal טמפרטורה Ranges

הנושאים הם הרכיב הכשל ביותר של גלגל התגובה.הם חייבים לפעול עם חיכוך נמוך מאוד כדי להימנע מגרור וללבוש, אך לשרוד את ההבדלים בהתרחבות התרמית, טיהור ואקום, ולפעמים רמות קרינה גבוהות.

• (FLT:0)Oil lubricationcation: FLT:1 תחליפי שמנים ברמה של שטח (למשל, שמן perfluoropolyether) עובד היטב על טווחי טמפרטורה בינוניים (-30 ° C עד +80 ° C) אבל מתחת -40 מעלות צלזיוס הם הופכים מאוד מול tcous, ומעל +120 מעלות צלזיוס הם יכולים להתאדות או לדרג למהנדסים קרים, אולי להשתמש בטמפרטורה נמוכה יותר, אך ורק עם תוספות אלה.
• (FLT:0)יוון סיכה: 1FLT) כמה גלגלים להשתמש במגרש (שמן + עבה) שנשאר במקום טוב יותר תחת מיקרוגרביטציה.
• (FLT:0) ⁇ (dry) lubricationcation:031 עבור טווחי טמפרטורה רחבים מאוד (למשל, -200 מעלות צלזיוס ל +200 ° C) או למשימות ארוכות חיים שבו שכפול שמן הוא בלתי אפשרי, סיכה מוצקה כמו מפולת מחוספסת חומרים (MoS2)strostered סרטים או כמו פחמן) אינם בשימוש מהר מאוד עם ציפוי נמוך יותר מאשר לטמפרטורה נמוכה.

גלגלים מודרניים רבים משלבים נושאים קרמיקה היברידית עם מאגר שמן קטן שמזין את הנושא באמצעות פעולה capillary, ובמקביל באמצעות ציפוי סיכה מוצק כגיבוי.עבור משימות הדורשות עשרות שנים של פעילות, כגון טלסקופ החלל FLT:0Kepler Space ArchitectFLT:1 (אשר היה כשל גלגל תגובה לאחר 4 שנים), ריצוף ועיצוב סיכה הם קריטי.

עיצוב אינטגרטיבי ל מתחים

דיור, פיר ורגליים עליות חייב להיות מיועד לעמוד בלחצים תרמיים המושרה על ידי ⁇ טמפרטורה. ⁇ s. אנליזה אלמנט יסוד פיניט משמש כדי מודל העיוותים ולהבטיח כי ניקוי קריטי (למשל, בין רוטר ודיור, או בין רוטר לבין הממריץ של המנוע) נשאר בתוך סובלנות על פני טווח הטמפרטורה כולו.

גישה נפוצה אחת היא להשתמש בהר "מרכז-מסים" שבו גלגל התגובה מחובר לאוטובוס החללית דרך נקודה נוקשה אחת, עם flexures המאפשרת התרחבות תרמית רדיואקטיבית.זה נמנע רגעים מתפתלים שיכולים לעוות את המסגרת.טכניקה נוספת היא לבנות את הגלגל מטיפוס חומר יחיד (למשל, כל טיטניום או כל אלומיניום) כדי לחסל את השגיאה, אם כי לעתים קרובות זה עולה מסה.

טכנולוגיות חדשניות לשרירים של טמפרטורה קיצונית

כאשר משימות לדחוף לסביבות עוינות יותר - כגון פני השטח של ונוס (460 מעלות צלזיוס), מערכת Jovian (קר עמוק בתוספת קרינה אינטנסיבית), או לילות ירחיים ארוכים - אנשים מפתחים טכנולוגיות חדשות כדי לשמור על אמינות הגלגל התגובה.

בקרה מגנטית ובקרת הגשמה אקטיבית

נושאים מגנטיים מבטלים מגע פיזי בין רוטר לבין ממריץ, הסרת בעיית סיכה לחלוטין.הם יכולים לפעול מטמפרטורות מבוכות ליותר מ -400 מעלות צלזיוס אם מגנטים ואלקטרוניקה מדורגים כראוי.עם זאת, הם דורשים אלקטרוניקה מתוחכמת כי הם עצמם רגישים טמפרטורה. מגנטית נושאת גלגלים תגובה כבר בשימוש על כמה לווייני מחקר מדעיים ביצועים גבוהים שבו Jittered יש למזער.

רוטור מתקדם של Near-Zero CTE

פחמן-פיבר-reinforced פלסטיק (CFRP) רוטטורים יכול להיות מתוכנן עם קופה כמעט אפס coefficient של הרחבה תרמית על ידי התאמת הכיוון הסיבים וההנחה.זה מבטל את בעיית ההתרחבות התרמית ברמת הרקטור. עם זאת, CFRP יש מוליכות תרמית נמוכה יותר, כך חום שנוצר במישולים (אם נעשה שימוש) יש לנהל בנפרד.

מערכות ניהול ארסיות

גלגלים עתידיים התגובה עשויים לשלב חומרים של שינוי שלב (PCMs) כי סופגים או לשחרר חום כפי שהם מתמסים ומחזקים, החלקה של ספויפי טמפרטורה.לדוגמה, ערכת PCM קטנה המחוברת לדיור הגלגל יכול לספוג את החום שנוצר במהלך פעולות מוטוריות גבוהות, המונעת את ההפניות מטמפרטורות בטוחות שלהם באופן דומה, ציפויים משתנים (כמו פני אלקטרו-חומרים אלקטרו-אטומיים) יכולים להתאים את הקסיביים של גלגל ההפיכה, למרות שעדיין, למרות שעדיין, מערכות הפיכה.

בדיקות ואימות לטמפרטורות קיצוניות

אין עיצוב מאומת עד שהוא שורד את מבחן הריק התרמית (TVAC) גלגלים תגובה נתונים מחזורים מרובים בין הגבולות החמים והקרים הגרועים ביותר שלהם, לעתים קרובות תוך כדי סיבוב במהירויות תפעוליות.המבחן מתקן, הזיקה הנוכחית, רמות רטט, ונושא רעש נשאר בתוך מפרט.הבדיקות אופניים הקרות יכולות להימשך שבועות, וכלום - כגון עלייה של רגע בחיכוך - יכול להצביע על בעיה של טיסה שיכולה להוביל לכשלון.

(ב) ,0) , פרמטרי מבחן כוללים:

• טווח הטמפרטורה: בדרך כלל 10 ° C עד 20 ° C רחב יותר מאשר המעטפה הצפויה לטיסה שולית.
• שיעור שינויי טמפרטורה: צריך לחקות את המעברים המהירים הגרועים ביותר (למשל, 30 מעלות צלזיוס /מין עבור LEO).
• רמה Vacuum: מתחת 10-5 מ'באר כדי להבטיח לא להעביר חום משותף ולדמיין את הגזות.
• פרופיל שפינוי: כולל מחזורי התחלה/stop, מהירות גבוהה מחזיקה, ו- torque reversals to Stressנשאs.

למשימות לסביבות קיצוניות כמו הקוטבים של הירח או הירחים של יופיטר, בדיקות נוספות כגון ספוג עמוק (קריוגניים) או אפייה עתירה גבוהה (עבור ונוס) נדרשים לעתים קרובות.מודלים של Qualification כוללים חיישני טלמטים (מתתרמיים, מדפס) בתוך הגלגל כדי לפקח על לחצים פנימיים במהלך הבדיקה.

מחקרים: תגובות גלגלים בתנאים קיצוניים

בחינת דוגמאות בעולם האמיתי מסייעת להמחיש את החלטות העיצוב ואת הכישלונות שעיצבו את התרגול הנוכחי.

טלסקופ החלל האבל

האבל השתמש בארבעה גלגלי תגובה מההתחלה.הם פעלו בסביבה שפירה יחסית (מלבד החללית, הטמפרטורה מבוקרת כ-21 מעלות C ± 2 ° C), עם זאת, הגלגלים חוו בעיות עקב חלוקה מחדש של lubricant במיקרו-גרביטציה במשך שנים רבות.ה-FLT:0 משרתי המשימה 4FLT:1 , החליפו את כל ששת הגירוסקופים אך לא החליפו את הטמפרטורות המתונות, אפילו לא היו צריכות להיות ממושכות להורדת טמפרטורה קלה;

כישלונות הגלגלים של שחר

החללית של נאס"א בווסטה וסרס באמצעות ion Propulsion.It נשאה ארבעה גלגלים תגובה (שניים בשימוש, שני Redundant) בשנת 2010, גלגל תגובה הפיק חיכוך גדל ובסופו של דבר נסגר.בשנת 2012, שנייה נכשלה.ניתוח הצביע על כך ש-FLT:0bearing lubriling lubricationing המסוכסך את כל משימות ניהול תרמילים).

ג'יימס ווב טלסקופ החלל Cryogenic Wheels

גלגלי התגובה של ווב היו הישג הנדסי משמעותי.הם היו צריכים לפעול בסביבות 40 K (-233 מעלות צלזיוס) עבור המכשירים, בעוד שחלק מרכיבי האוטובוס היו חמים יותר.הפתרון היה להשתמש במשכות מוצקות (MoS2) וכדי לזרז בזהירות את הנשאות כך שלא היו משוחררים או מתדקים יותר מדי בשל התכווצות שונות.

מגמות עתידיות ודרכים מחקר

הביקוש לדיוק גבוה יותר, חיים ארוכים יותר, וסובלנות לטמפרטורה רחבה יותר ממשיכה להניע חדשנות.

• (FLT:0) ייצור אדרטיבי: 1FLT:1 ניתן להפיק חומרים עם תכונות תרמיות מותאמות, כולל מבנים ליטיצ'ים אשר להפחית את מוליכות תרמית ואת המסה תוך שמירה על נוקשות.
• (FLT:0) חומרים המכילים:03F1) סולידריות סרטים שופעים אשר מופקדים באמצעות שכבת אטומית (ALD) מציעים עובי סרט עקבי יותר ודבקות טובה יותר מאשר סרטים מסרטים מצופים.
• (FLT:0) ניטור בריאות לוח: FLT:1 חיישנים Embedding (למשל, MEMS Accelerometers, חיישנים טמפרטורה) ישירות לתוך גלגלי תגובה לזהות סימנים מוקדמים של השפלה או אנמדומים תרמיים.
• (FLT:0) תוכניות גלגל הפעולה מחדש: ההרחבה 1 (FLT:1) שימוש ביותר מארבעה גלגלים בתצורה פירמידת מאפשר למערכת לסבול שני כישלונות או יותר תוך ביצוע כל התרגילים.
• (FLT:0) ציפויים של Heat-rejecting: ibph:1) ציפוי nanocomposite חדש יכול לשפוך חום באופן פסיבי בטמפרטורה גבוהה או לספוג אותו בטמפרטורה נמוכה, פוטנציאל להפחית את צרכי החשמל החום.

כסוכנויות חלל וחברות פרטיות מתכננים משימות לקוטב הדרומי הירחי (כאשר טמפרטורות יכולות לרדת ל- −230 מעלות צלזיוס בצל ולמעלה מ-200 מעלות צלזיוס באור השמש באותו מעבר), למאדים (התנדנדנדות של 100 מעלות צלזיוס), ולכוכבי הלכת החיצוניים, גלגל התגובה יישאר מרכיב קריטי.המהנדסים שמפקחים על האתגרים העיצוביים התרמיים יבטיחו כי משימות אלה יכולות להצביע על הביטחון שלהם.

מסקנה

תכנון גלגלי תגובה עבור וריאציות טמפרטורה קיצוניות הוא אתגר רב תחומי המשלב מדעי החומר, הנדסה תרמית, טריבולוגיה ומכניקה דיוק.המפתח להצלחה הוא בבחירת חומרים תואמים עם אפקטיביות תואמים של התרחבות תרמית, יישום אסטרטגיות שליטה תרמיות חזקות כי לשמור על נושאים בתוך אזור הניתוח הבטוח שלהם, ובדיקה מעמיקה של ההרכבה תחת תנאי חלל מדומה בעבר לימדה שיעורים קשים על החשיבות של התחממות בינונית אפילו על פני סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, כמו לחץ על פני השטח של לחץ דם עמוק, כמו גם לחץ דם עמוק, כמו גם על פני סוללות מתוחה, כמו לחץ על פני סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, כמו גם לחץ דם מגנטיים, כמו לחץ היום, כמו גם לחץ על פני סוללות מתוחה, כמו לחץ על פני סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, יש לחץ על פני סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, ותגובה מגנטית, יש לחץ על פני השטח של סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, ופעולות מתוחכמות, יש לחץ דם עמוק, אשר מאפשר לנו היום, כמו גם לחץ על פני סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, כיעד היום, כיעד כה עמוק יותר, יש לחץ על פני סוללות מתוחכמות עמוק יותר, יש לחץ על פני סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, יש לחץ על פני סוללות מתוחכמות גבוהה יותר, יש לחץ על פני סוללות מתוחכמות גבוהה