תגיות: Reaction Wheels in Deep Space Probes

גלגלי תגובה הם אבן הפינה של בקרת הגישה של החללית, המאפשרת התאמות אוריינטציה מדויקות ללא השקעת דחף.בבדיקות חלל עמוקות ו-mdash; שבו כוח הוא בקושי ומשך שנים או עשורים; העיצוב של מערכות גלגל המזלות הללו הופך להיות פעולה איזון עדין בין יכולת קירור, צריכת אנרגיה ואמינות ארוכת טווח.

גלגלי תגובה עובדים על ידי סיבוב במהירויות משתנה; שינוי רוטטור & #8217; המומנטום הזוויתי מפעיל מומנט על החללית, מה שגורם לו לסובב בכיוון ההפוך. על ידי עלייה של שלושה או ארבעה גלגלים על גרזן אורטוקונים, בדיקה יכולה להשיג שליטה מלאה של שלושה צירים.

Power Constraints in Deep Space Environments

תחקירים חלל עמוק שואבים כוח משני מקורות עיקריים: לוחות סולאריים ומכשירי רדיואיזוטופ תרמואלקטריים (RTGs) כחללית נוסעת רחוק מהשמש, קריינות השמש יורדת באופן דרמטי ומפוחד; בצדק זה רק כ-4% מכדור הארץ ו-#8217; רמת של שבתאי, ומעבר ל- RTGs הופכת כמעט בלתי אפשרית, אך הם כבדים, יקרים, ומייצרים חום אופייניים ממרחק של כמה מאות גלגלים (xi) עד ל-V).

בנוסף, משימות חלל עמוקות כרוכות לעתים קרובות בשלבי החוף ארוכים עם שליטה תרמית מינימלית, המחייבים את גלגלי התגובה לפעול בטמפרטורות נמוכות שבו lubricants יכול להקפיא ואלקטרוניקה לחוצים. Power חייב להיות מוקצה בזהירות בין תקשורת, חימום, מחשוב, ובקרת גישה. מהנדסים ולכן מעדיפים עיצובים יעילים מוטוריים, עומסים נמוכים, ולשלוט אלגוריתמים כי ממזערים את צריכת האנרגיה ואת מהירות הגלגל אירועים.

אתגרים עיצוביים חשובים לגלגלי תגובה בחלל

אנרגיה ובחירת מנוע

המנוע הוא הלב של גלגל תגובה. מנועים DC דחוס הם סטנדרטיים בשל היעילות הגבוהה שלהם ואת החיים ארוכים.כדי להפחית את כוח שואב, מעצבים לבחור מנועים עם מומנט נמוך ו צפיפות גבוהה מגנטית פלוקס. מתקדם הדופק-עדי (PWM) בקרים עם שליטה ממוקדת שדה (FOC) לשפר את היעילות נוספת על ידי צמצום אובדן חשמלי.

גידור מחדש הוא טכניקה נוספת: כאשר גלגל חייב להסלם, המנוע פועל כגנרטור, להאכיל אנרגיה בחזרה לחלל החלל & #8217; תחנת כוח זו מחדש אנרגיה קינטית אשר אחרת יהיה מתפזר כמו חום.למרות מערכות רגנרטיביות להוסיף מורכבות, הם יכולים להפחית את צריכת החשמל נטו ב 10-20% במשימות עם שינויים תכופים.

ניהול תרמי ב Vacuum וטמפרטורות קיצוניות

בדיקות חלל עמוק פועלות בוואקום, שבו קירור קונפדרציה נעדר.היט שנוצר על ידי רוחות מוטוריות ונושאות חייב להתבצע כדי רדיור לוחות או לתוך מבנה החללית.אם גלגלי התגובה לרוץ חם מדי, lubricants degrade ואלקטרוניקה להיכשל; אם קר מדי, lubricants מוצקה ונושאת חיכוך.מהנדסים משתמשים ציפויים תרמיים, צינורות, ושינויים בשלב כדי לשמור על טמפרטורה נמוכה כמו טלסקופית 2.

ללבוש מכני וארוכות

גלגלי התגובה הם מערכות מכניות עם חלקים נעים, מה שהופך אותם למקור מוביל של כשלי חלל.ב-2019, טלסקופ החלל טלסקופ החלל של קלפטר 1:1 איבד גלגל תגובה שנייה, סיום המשימה העיקרית שלו. Bearings הם הרכיב המגביל ביותר את החיים; בדיקות חלל עמוקות דורשות לעתים קרובות שנים של פעילות רציפה.מהנדסים ללבוש באמצעות נושאים היברידיים (שחיתים עם כדורים קרמיקה) אשר מייצרים פחות חיכוך מגנטיים ולהפחית את העיצובים מגנטיים אלה.

רדיפת וסבלנות

כדי להתמודד עם כישלון, רוב בדיקות החלל העמוקות לשאת ארבעה גלגלים תגובה בתצורה פירמידה, שבו כל שלושה יכולים לספק שליטה מלאה של שלוש צירים (הרביעי הוא חסך) הגלגלים מסודרים כך שאם אחד נכשל, השלושה הנותרים עדיין יכולים לשלוט בכל האקסקסים, אם כי עם יכולת מופחתת של מומנט. אלגוריתמים תוכנה לזהות נורמונים גלגלים (למשל, חיכוך מוגבר, ספייקטים נוכחיים) ובאופן אוטונומי, לאחר מכן, החל מהפך את המשימה של 1FLTILDL.

עיצוב חומרי ורוטטור

רוטטור (flyגלגל) מאחסן מומנטום זוויתי: (FLT:0)momentum = רגע של inertia × angularמהירויות מהירות angularמהירויות angularFLT:1 ; עבור דרישה נתונה, מעצבים יכולים לבחור מדחום גדול, גלגל כבד מסתובב לאט, או קטן יותר, גלגל מהיר יותר.אטים להפחית את העומס אבל להגדיל את המסה; מהר יותר, אבל לאפשר גלגלים קלים יותר, אבל דורשים מהירות יותר, אבל דורשות יותר, אבל צריך להיות חזק יותר כדי להיות יעיל יותר כדי להיות חומרים מהירים יותר כדי להיות חזק יותר כדי להיות חומרים מהירים יותר כדי לעמוד עלות יותר כדי להיות יותר כדי להיות יותר כדי להיות יותר כדי להיות חומרים איטי יותר כדי להיות יותר כדי למנוע סגסוגת גבוהה יותר כדי להפחית את מהירות גבוהה יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יעיל יותר כדי להפחית את מהירות גבוהה יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר קל יותר כדי להיות יעיל יותר, לעתים קרובות יותר, אבל יותר, אבל יותר, אבל יותר, 000 מהירות גבוהה יותר, 000 מהירות גבוהה יותר, לעתים קרובות יותר כדי להיות יעיל יותר, 000 מהירות גבוהה יותר כדי להיות

חומרים Composite, כגון פולימרים פחמן-מרוס, מתעוררים כחלופות קלות עם התרחבות תרמית נמוכה.הם יכולים להיות מותאמים יש רגע גבוה של אינרציה לכל מסה יחידה, צמצום האנרגיה הנדרשת כדי להאיץ ולבטל את הגלגל.עם זאת, מרוכבים אתגרים עם גזים החוצה בוואקום ופוטנציאל microcracking תחת רכיבה תרמית.

פתרונות חדשניים למשימות חלל עמוקות

תגיות Superconductings (SMBs)

אחת החידושים המבטיחים ביותר היא השימוש בסופר-סטריטים בעלי השפעה מגנטית של NAS 3.הנושאים האלה מאפשרים לרוטב ללוויט ללא מגע, ביטול החיכוך והצורך ב- lubricants.כאשר בשילוב עם מנוע המשמש גם גנרטור, המערכת יכולה להשיג אובדן כוח כמעט אפסי במהלך החוף (רק כמה וואט עבור זעקה) בשנת 2022, נאס"א, בעוד ש-Flengicervd מופעל על ידי קומפקטית כוח חנקן (R) עם ריכוז בעוצמה גבוהה יותר מ-Fervd) עם מורכבות:

רגע ללא Thrusters

(החלל מצטבר תאוצה לאורך זמן בשל מומנט חיצוני (לחץ פתור, ⁇ כוח הכבידה) כדי להימנע משריטה, חללית חייבת להטיס מומנטום, באופן מסורתי על ידי יורה דחף מוגבל, יורה צובטים פסולת 3 מדחף פסולת ועלולים להפריע כלי רכב רגישים.

רעיון נוסף הוא להשתמש בגלגלי התגובה עצמם לאחסון אנרגיה: על ידי סיבוב אותם בתקופות ביקוש בעלות כוח נמוך, ניתן לשחזר את האנרגיה הקינטית המאוחסן באופן חלקי ככוח חשמלי באמצעות המנוע / המארגן במהלך מרווחי ביקוש גבוהים.מערכת זו משולבת ובקרת גישה (IPAC) יכולה לעזור עומסי חשמל חלק על RTGs או סוללות.

שליטה מתקדמת Algorithms

אסטרטגיות בקרה מודרניות להפחית את צריכת החשמל על ידי אופטימיזציה של פרופילי מהירות הגלגל.מודל שליטה חיזוי (MPC) יכול לצפות תמרונים גישה מתקרב (למשל, פאנל סולארי או כלי מדע מצביעים) וקביעת הגלגלים למזער ספייקורי אנרגיה.אירועים של ירידה מתוכננים במהלך תקופות כאשר החללית & #8217; מערכת הכוח יש יכולת חיסכון (למשל, כאשר לוחות סולאריים מקבלים מקסימום חיכוך, בנוסף לחיזוי מגמות יעילות מוגבלת של ביצועים).

מחקרים: תגובות גלגלים במשימת חלל עמוקה

קאסיני-הויגנס (1997–2017)

המקיפים קאסיני נשאו ארבעה גלגלי תגובה (עם אחד אדום) שסיפקו מצביעים יציבים מאוד עבור חבילת הכלים שלה לחקור שבתאי ואת הירחים שלה.גלגלים נוצרו על ידי FLT:0Honeywell InternationalFLT:1 ותוכננה למשימה של 11 שנים, אך בסופו של דבר מופעל במשך כמעט 20 שנה.39ni & #82; כוח הגיע מ- 3GGs המספק בערך 885 ו-R, למרות שעדיין לא היה בשימוש על ידי גלגלים, במהלך 10 שנים.

שחר (2007-2005)

משימת השחר לאוסטה וסרס השתמשה במערכת הנעה של יון עבור דחף עיקרי שלה, הדורשת שליטה יציבה מאוד על הגישה של גלגלי התגובה שלה.שחר היו ארבעה גלגלים, אבל אחד לא הצליח ב-2010; השלושה הנותרים מופעלים עד שהמשימה הסתיימה. Power היה מסופק על ידי שני גלקסיות סולאריות גדולות שיוצרו כ-10 קילוואט במסלול כדור הארץ, אך רק 1.3 קילוואטים של סרס (2.8- Dawn) נועדו לצריכת חשמל נמוכה, אשר הוכחה לכדי מהירות של 60 ג'ר של קרינת נגד כדור הארץ, אפילו לא יכולה להיות קרינת נגדית'ק, בעוד שעדיין לא יכולה להיות קרינת נגדית'ק'ק''''''''''''''ר.

ניו-הוריאנס (2006 - Still Active)

החללית ניו הורינס, עכשיו נכנס קויפר בלט לאחר פלוטו טסבי, משתמשת גלגל תגובה ראשי יחיד (עוד גיבויים) עבור הצבעה מדויקת.תקציב הכוח שלה הוא מאוד הדוק: פלוטו (339), הוא מקבל רק כ-4% מאור השמש ברמה כדור הארץ, ומייצר בערך 228 W עבור החללית כולה.התגובה צורכת בערך 15 W כאשר פועל, המהווה חלק משמעותי של הכוח הזמין, כדי למזער את זה רק כדי לייצב את עצמו, תוך כדי תצפיות גלגל הזמן.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

כמו משימות חלל עמוקות הופכות שאפתניות יותר (למשל, חקירות בין כוכביות, משימות מורחבות לאואנוס ולנפטון), הצורך בכוח נמוך, גלגלי תגובה בעלי עוצמה גבוהה מתמקדים: מחקר מתמקד:

  • (ב) ⁇ :0Micro-scale responseגלגלים FLT:1 עבור חוקרי חלל עמוקים מבוססי קוביה שעדיין יכולים לפעול רק כמה מאות מילימטרים.
  • (FLT:0) הרגע המשולב של הגירוסקופים (CMGsib)FLT:1 המציעים תפוקה גבוהה יותר לוואט, אך עם מכניקה מורכבת יותר. CMGs כבר בשימוש על ISS ויכולים להיות מונים.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Machine Learning-based Lifeחיזוי החיים מבוסס-הלימודים 1) כדי לקבוע באופן יזום תחזוקה (למשל, מהירות הגלגל מתפוגגת מחדש כדי להפיץ את lubricant) לפני שכשלונות מתרחשים.

סוכנות החלל האירופית (ESA) מפתחת את ה-FLT:0EUROSTARTFLT 1 תוכנית לבדיקת גלגלי תגובה בעוצמה נמוכה למשימות חלל עמוקות, עם מטרה של פחות מ-5 W לגלגל תוך שמירה על דיוק של 0.01 מעלות מצביעה.

מסקנה

תכנון גלגלי תגובה עבור בדיקות חלל עמוקות הוא תרגיל אופטימיזציה מחוספס: כל וואט ו קילווגרם חייב להיות מוצדק על ידי דרישות המשימה.סביבות מוגבלות כוח דורש חידושים ביעילות מוטורית, בקרה תרמית, טכנולוגיה הנושאת ואלגוריתמי תוכנה. בעוד גלגלים מסורתיים נושאי הכדור שירתו משימות כמו קאסיני ושחר, הדור הבא של חללים עמוקים ככל הנראה ישלבו שטף מגנטי, אנרגיה, התאוששות ו AI- מה שעדיין מופעל על ידי המהנדסים של מערכת הבקרה של משימות אלה.

עם בדיקות עתידיות מיקוד חלל בין כוכבי הלכת והירחים ה-Icy של מערכת השמש החיצונית, החיפוש אחר גלגלי התגובה החסכוניים יותר יישאר גבול להנדסה חללית.המסחריים שנעשו היום בבחירה חומרית, התחדשות וניהול כוח יקבע את ההשגה והארוכות של משימות המחר.