Table of Contents
שילוב של גלגלי תגובה עם Gyroscopes לשיפור אוריינטציה Spacecraft
בקרת אוריינטציה מוקדמת היא דרישה בלתי ניתנת להשגה כמעט לכל משימה חללית.אם לוויין חייב להצביע על האנטנה שלו כלפי כדור הארץ, טלסקופ צריך לנעול על גלקסיות מרוחקות, או בדיקה בין כוכבית חייב להתאים את הווקטור הדחף שלה לתיקון מסלול, היכולת לקבוע ולתאים את הגישה עם דיוק גבוה ישירות קובע הצלחה של החללית המודרנית, לעתים רחוקות מסתמכת על חיישן יחיד או אקטולן; במקום זאת, הם משלבים טכנולוגיות יעילות של בקרה יעילה יותר, עם דיוק גבוה של בקרה.
גלגלי התגובה הם מכשירים לשינוי תנופה שמשנים את הכיוון של החללית על ידי ספינינג או למטה, שינוי מומנטום זוויתי עם הרכב. Gyroscopes, במיוחד גירוסקופים (או ג'ירוסקופים לקיצור), למדוד את המהירות הזוויתית של החללית ביחס לחלל לא רצוי. כאשר שני אלה משולבים בתוך מערכת בקרה סגורה, הגירוסקופ מספק גבוה מאוד, מאפשר תגובה קצרה של מערכת לוחמת גבוהה ומהירות גבוהה של לוח זמנים (D) באופן מדויק יותר של מערכת הבקרה של לוח זמנים גבוהה, כלומר, ודרישה גבוהה, כלומר, היא מהירה ביותר של מערכת הבקרה של מערכת הבקרה של לוחית גבוהה ומהירות גבוהה, ומהירות גבוהה, היא מהירה ביותר של מערכת הבקרה של מערכת הבקרה של מערכת הבקרה של לוחית גבוהה מאוד (Dial (Dial) ודרישה גבוהה, כאשר שני אלה היא מהירה ביותר של מערכת הבקרה של לוחית (DDR).
מימון של Spacecraft Attitude Control
בקרת הגישה של Spacecraft כוללת שתי משימות נפרדות אך תלותיות: נחישות גישה (יודעת הכיוון שלך) ובקרת הגישה (שינוי או שמירה על אוריינטציה) גירוסקופים הם חיישנים ראשוניים לנחישות, בעוד גלגלים התגובה הם המניעים העיקריים לשליטה.
תגובות על גלגלים: עקרונות ומבצע
גלגל תגובה מורכב מסיבוב מסיבי המונע על ידי מנוע חשמלי.הגלגל רכוב לגוף החללית, ואת ציר השדרה שלו הוא בדרך כלל יישר עם אחד האקסקסים העיקריים של החללית (לעתים קרובות שלושה גלגלים או thogonal סידור עם גלגל skew רביעי עבור רדודה). על פי שימור מומנט זוויתי הראייה של מומנט, כאשר המנועים או decelerates, שווה שינוי של גלגל ישר על ידי גלגלים.
עם זאת, גלגלי התגובה יש מגבלות.הם יכולים רק להחליף מומנטום זוויתי עד לנקודה מסוימת של ריצוף (מהירות הגלגל המקסימליים) לאחר רווי, הגלגל לא יכול לספק מומנט נוסף בכיוון זה אלא אם כן הוא מתפוצץ - באופן חד-פעמי נעשה על ידי שימוש בקווים חיצוניים מקוויקים מגנטיים (עבור חללית כדור הארץ או מדחף) או מדחף.
ג'ירוסקופים: Sensing Rotational Motion
Gyroscopes המשמשים בחלליות הם בדרך כלל קצב ג'ירורוס, אשר תפוקה אות חשמלי ביחס למהירות זוויתית על ציר הרגיש שלהם.הסוגים הנפוצים ביותר כוללים גיגורים ספינים (כיום מיושן בעיקר בחלל), גליקו לייזר גליקוסקופים (RLGs), ועדכונים אופטיים-אופטיים (FOs) יותר לאחרונה, הוא סימולציה היקפית מסיבית של לייזרים (Gicer) נמצאים ב-mgicericericer) עם PTs) ו-Ricericer (R) עם PTGPS) עם PT) עם PTGPS (R) ו-R) PTGPS (R) עם ייצוב PTGPS (R) עם PT) PTGT) עם PTS) PTS (Ricergyross) PTS) עם PTS) ייצוב מערכות אלקטרו-R (R) עם ייצוב 1TMRicial קרינת רדיוסקופית (R) עם קרינת רדיו (Ricial ייצוב (R) ו-R (R) עם קרינת רדיו (R) ו-R) ו-Ricial GGPSDicial
לגרורוסקופים יש מקורות שגיאות משלהם: סחף הטיה (שינוי איטי בפלט אפסי), טעות של גורם בקנה מידה, רעש הליכה אקראי, וטעייה. שגיאות אלה מצטברות לאורך זמן, מה שמוביל לנסח אם לא מתוקן באופן זמני על ידי חיישן התייחסות מוחלט כגון מסלול כוכבים או חיישן השמש.שילוב של ג'רוס עם חיישנים מוחלט הוא חלק סטנדרטי של גישה מסנמטית.
סינרגיה: כיצד מגיבים גלגלים וגירוסקופים עובדים יחד
הכוח האמיתי של שילוב גלגלי התגובה עם גירוסקופים שוכן בארכיטקטורה השולטת.מחשב הטיסה של החללית פועל לולאה בקרת גישה בקצב גבוה (למשל, 10-100 הרץ) בכל מחזור, הגירוסקופ מספק את קצב זווית זווית הנוכחית של זווית ראייה.הבקר משווה את שיעור ההצבעה הרצוי (הדר מהגישה צוומנת) עם שיעור נמדד וקטים לכדי לחץ על מהירות גלגל זה, הוא מאפשר לחץ על ידי כך שיפוצים להזיזו של גלגל גבוה.
תוכנית בקרה משותפת היא הבקר היחסי-החדשני (PID) המכוון לאיזון היענות עם יציבות.המונח הנגזרה מסתמך במידה רבה על מידע מדויק מהגיורוסקופ כדי לצפות שינויים ולחות יתר על פני פתרון.ללא גליקוסקופים, הבקר יצטרך להסתמך על noisier, נמוך יותר הערכות גישה (למשל, מעוקבים, מעוקבים אחר כוכבים), וכתוצאה מכך ביצועים דינמיים ופוטנציאליים.
המונחים: closed-Loop
קחו בחשבון חללית שמבצעת תמרון מהמטרה אחת לאחרת.הרצף הוא כדלקמן:
- (FLT:0) , Reference Generation:FLT:1) מערכת ההנחיה מפרשת מסלול חלק מהגישה הנוכחית ליחס היעד, המציין אוריינטציה רצויה וקצב זוויתי מול הזמן.
- (ב) ⁇ :0) , ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (FLT:0)Gyroscope Feedback:FLT:1 במהלך הזחל, הגירוסקופ מודד את קצב הזווית בפועל.הבקר משווה אותו עם השיעור הרצוי ומתווה לתוספת נכונה דרך גלגלי התגובה כדי לחסל שגיאות.
- (FLT:0) ייצוב ב Target:FLT:1 ברגע החללית מגיעה למגמה הרצויה, המתג עובר למצב רגולציה, באמצעות משוב גריורוסקופ כדי לדחות הפרעות (למשל, לחץ קרינה סולארית, כוח הכבידה ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (FLT:0)Gyro Bias Update:FLT:1 במהלך הצבעה יציבה של המדינה, מדידות מעקב כוכבים ממוזגות עם נתונים ג'ירו (בדרך כלל באמצעות מסנן קלמן) כדי להעריך ולהסיר סחף הטיה של הגירוסקופ.
(ה) אינטגרציה סגורה זו מאפשרת לחללית להצביע על צבירה כעדינה כקשת שנייה, כפי שהודגם על ידי משימות כמו FLT:0 טלסקופ החלל של הולבל 1 (FLT:2NASAFLT 3:2 NASA) ו-FLT:4 James Webb Space טלסקופ FLT:5 (FLT:6ANASALT 7).
היתרונות של Integrating Reaction גלגלים עם Gyroscopes
השילוב מביא מספר יתרונות ברורים על ידי שימוש ברכיב בלבד.
- (FLT:0) Enhanced Pointing Precision and Stability:FLT:1 Gyroscopes לספק את המידע הגבוה של שיעור גבוה של קצב נטו הדרושים כדי לחות רטטים מבניים ולדחיית הפרעות גבוהות.זה מאפשר לגלגלי תגובה להמשיך להצביע ג'טר ברמות של מילימטרים, קריטי לתצפיות אסטרונומיות.
- (FLT:0) שימור:0 (FLT:1) גלגלי התגובה מאפשרים בקרת גישה ללא השקעת דחף.על ידי שימוש בגלגלים לפעילות רגילה, החללית שומרת על דחפים להתאמות מסלול או ייבוש חירום.זה חשוב במיוחד עבור משימות ארוכות טווח שבו דלק הוא משאב מגביל.
- (FLT:0) שיפור Agility:FLT:1 השילוב מאפשר לוחות מהירים תוך שמירה על יציבות. Gyroscopes להבטיח כי החללית לא overshoot or oscillate בסוף התמרון, צמצום זמן התיישבות.
- (FLT:0) Redundancy and Robustness:SeedFLT:1) ,כמה ניגודים גלגל וצוענים (לעיתים קרובות ארבעה גלגלים בתצורה, ושניים או יותר חבילות גירו) מספקים השפלה מעריצה.אם גלגל אחד נכשל, מערכת הבקרה יכולה להפיץ מחדש טורקים.
- (FLT:0 Smooth Torque Applications: 1) כי משוב גריסקופ מאפשר שליטה מדויקת של האצת גלגל, החללית יכולה להימנע מנקודות חד-משמעיות שיכולות להציק מצבי מבניים או להפריע מכשירים רגישים.
אתגרים מעשיים ופתרונות הנדסה
למרות היתרונות שלהם, שילוב גלגלי תגובה וgyroscopes מציג אתגרים הנדסיים משמעותיים שיש לטפל בהם באמצעות עיצוב מערכת, אלגוריתמים ותפעול.
ניהול ו-Jitter Management
גלגלי תגובה הם מקורות מכניים מטבעם של מיקרו-בריונים.מאזן ברוטב, פגמים נושאים, וצעצוע מנועים של קרוע לייצר כוחות וקוויקים בנזקים של התדר הספין של הגלגל.רטים אלה מכים את הביצועים של מטעני תשלום הדורשים יציבות תת-קרקעית, כגון בין-מטרים או כלוגרפיות.
(ב) ויקרא י"ד:
- (FLT:0) ⁇ :0 (Isolation:0) ניגודי גלגל התגובה הם לעתים קרובות על מברשות רטט (פסיבי או פעיל) אשר מעצימות הפרעות גבוהות.
- (ב) ויקרא: ויקרא: ויקרא י"א): "וַיְּהְיִם וּלְתָּבְתָּבְתָּעָה" (בראשית כ"ד).
- (FLT:0) הימנעות תפעולית: פעולות טיסה 1:1 עשוי להימנע מגלגלים במהירויות כי במקביל עם תדרי שיקום מבניים.
- (FLT:0) תגמולים מבוססי מזון קדימה: מיפוי 1: מערכות מתקדמות משתמשות בגירוסקופים כדי למדוד את הרטט בפועל ולאחר מכן לשלוט על גלגלי התגובה או על אחרים כדי לבטל אותו.
גלגל רוויה וירידה
עם הזמן, הפרעות חיצוניות כגון לחץ קרינה סולארית, ⁇ הכבידה, ו מומנט מגנטי לגרום תנופה זוויתית נטו לצבור, המוביל לגלגל ריצוף. ברגע שגלגלים מגיעים למהירות המקסימלית שלהם, הם כבר לא יכולים לספק מומנט בכיוון זה.
(ב) ויקרא י"ד:
- (FLT:0 Magnetic torquers: FIRLT:1) עבור חללית כדור הארץ, צבים מגנטיים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ כדי ליצור שקעים שליטה שיכולה לחלב גלגלים ללא השקעת דלק.
- (ב) ויקרא: ויקרא: ויקרא י': ויקרא י': "ב': ויקרא י': "וַיָּבְתָּבְתָּבְתָּעָה עַמְתָּעָם" (בראשית כ"ד).
- (FLT:0) ניהול מומנטום: 1FLT) מערכת הבקרה יכולה להשתמש באופן אסטרטגי בהפרעות כדי לעזור לנהל מומנטום. לדוגמה, במהלך סלול, ניתן לנסח את הגלגלים בכיוון ההפוך לפעול בטווח מהיר חיובי.
- אלגוריתמים מועדפים:0 (FLT:1) מודל בקרה חיזוי (MPC) יכול לתכנן תמרונים כדי לשמור על מהירות הגלגל בתוך גבולות תוך מתן מגבלות גישה.
שגיאות ג'ירוסקופ ו-Celbration
גירוסקופים נסחפו לאורך זמן, במיוחד עם שינויי טמפרטורה והזדקנות.הסחף הוא השגיאה הקריטית ביותר, מה שגורם ליחס להעריך לשוטט.
(ב) ויקרא י"ד:
- (FLT:0) אימות פרסי: FIRLT:1 , עוקבי כוכבים מספקים מדי כמה שניות מדי שנה מדי שנה מדי שנה מדידת קלמן משתמשת במדידות אלה כדי להעריך ולתקן את ההטיות של גרירו בזמן אמת.
- (ב) ,0) , מחסנית קדש: 1FLT:1 חבילות ג'ירו לעתים קרובות ייצוב תרמי למזער את הסחף עקב ⁇ תרמי.
- (FLT:0) In- Flight re-calibration:cioFLT:1) במהלך תקופות שקטות (למשל, ללא שפיות), החללית יכולה לבצע סיבובים קטנים מכוונים כדי לזרז את הגירוי נגד נתוני מעקב כוכבים.
גילוי ושיקום
שני גלגלי התגובה וgyroscopes רגישים לכשלונות.מצבי כשל נפוצים כוללים התקף, מנועים מתפתלים קצר, gyro לייזר השפלה, או כשלון אלקטרוניקה.
(ב) ויקרא י"ד:
- (FLT:0) Redundancy: FLT:1 רוב החללית לשאת יותר משלושת הגלגלים המינימליים ושתי חבילות ג'ירו.מערכת ניהול כשל מזהה באופן אוטונומי את האנומליות (למשל, באמצעות בדיקות פיות או הגבלת חישה) ומגדירה מחדש את מערכת הבקרה לשימוש ביחידות בריאות.
- (FLT:0) , 000 התחדשות אנליטית: כאשר גירו נכשל, שיעורי הגישה ניתן להעריך מתצפיות עוקבות כוכבים הצלחות, אם כי בקצב נמוך יותר.
- (FLT:0) לשלוט בשליטה: חוקי בקרת שליטה 1FLT 1 (הקודה) שנועדו לאונייה יכולים לסבול רמה מסוימת של רעש חיישן או התפוצצות פעולה ללא אובדן יציבות.
יישומים אמיתיים ומקריות
טלסקופ החלל האבל
מערכת הבקרה של האבל היא דוגמה קלאסית של גלגל התגובה ושילוב הגירוסקופ.הטלסקופ נשא במקור שש גירוסקופים (מאוחר יותר הפחית לשניים עבור פעולות מורחבות) וארבעה גלגלי תגובה. Gyroscopes מספקים קצב רגיש ב 40 הרץ, המאפשר לטלסקופ לנעול כוכבים קבועים עם דיוק של 0.007 שניות.
טלסקופ החלל ג'יימס ווב
JWST, הפועל בנקודת L2 Lagrange, משתמש בטכנולוגיה דומה.מערכת בקרת הגישה שלו כוללת שישה גלגלים תגובה (שניים לחידוש) ושני מסלולי כוכבים, בעוד שצוענים הם חלק מיחידות ההתייחסות הלא-מחדשת. כי JWST חייב להצביע עם דיוק קיצוני (0.1 שניות) תוך הפרעה על ידי קרינה סולארית ואפקטים תרמיים, הגירוסקופים הם שמירה על יציבות קריטית בין מהירות קריאה לשימושים נוספים של ג'ריים).
תחנת החלל הבינלאומית (ISS)
ISS משתמשת בשילוב של גלגל הבקרה של הרגע גירוסקופים (CMGs) ולא גלגלי תגובה פשוטים, אבל העיקרון דומה: גירוסקופים (בצורה של גיירו אסיפות קצב) מספקים נתונים קצבים זוויתיים, בעוד שה- CMGs מחליפים מומנטום עם התחנה כדי לשלוט בגישה ללא ירי דחף במהלך פעולות רגילות.זה מקטין את הצריכה באופן משמעותי.
פרובים פלנטריים: קאסיני וניו-הוריאנס
משימות חלל עמוקות מסתמכות לעתים קרובות על גלגלי התגובה והצוענים של ג'ירוסקופים על דיוק מצביע במהלך התצפיות המדעיות. קאסיני השתמש בגלגלי התגובה עבור רוב בקרת הגישה, תוך שמירה על דחף עבור רבים שלה. Gyroscopes סיפק את המשוב המהיר הדרוש עבור הצבעה יציבה במהלך מפגשים עם הירחים של שבתאי.New Horizons השתמש בארכיטקטורה דומה כדי ללכוד תמונות של משימות פלוטו.
כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות
מחקר ופיתוח ממשיכים לדחוף את היכולות של מערכות גלגל תגובה משולבות וגיורוסקופ. מגמות מספריות נוטות לעצב את הדור הבא של בקרת הגישה לחללית.
אולטרה-Precise Optical ו- Quantum Gyroscopes
(הגיורוסקופים של גליקו) ורגיסקופים אופטיים כבר מדויקים מאוד, אך מגבלות ביציבות הטיית וגורם הסקאלה עדיין קיימות.טכנולוגיות מתפתחות כגון FLT:0chip-scale-scale gyroscopesFLT:1 ו-FLT:2cold-atom interferometersFLT 3 מבטיח הזמנות לשיפור משמעותי ו-ofmatude in the innovation in the innovation in the innovation-FLT5 longsolerive security, that canנטרtial innovation in a longsoler in חיישנים אלה).
גלגלים חכמים עם בקרת הסתגלות
גלגלים תגובה מסורתיים פועלים עם בקרים מנועים קבועים.גלגלים עתידיים עשויים לכלול מיקרו-מעבדים משובצים שיכולים לבצע אלגוריתמים של שליטה אדפטיבית, הצטברות ללחיצת עונד, שינויים ללא איזון, או לטמפרטורה שונה. "גלגלים חכמים" כאלה יכולים לתקשר ישירות עם תת-מערכת ה-Ggyroscope כדי ליישם בקרה מבוזרת, להפחית עומס חישובי במחשב הטיסה המרכזי ושיפור ההיענות.
נפילה חופשית למרחב עמוק
בחלל עמוק, חומרים מגנטיים אינם יעילים.שיטות חדשות לייבוש גלגלי תגובה ללא דחפוט נחקרות, כגון שימוש בלחץ קרינה סולארי באמצעות משטחים רפלקטיביים או צריפים חשמליים ממיניים.נתוני גירוסקופ יהיו קריטיים לייעל את התזמון והכיוון של תמרונים דליצי התמותה.
מודולים של חיישן-Actuator
כמה מאמצי מחקר שואפים ליישב את הגירוסקופים ואת גלגלי התגובה ביחידה מכנית אחת, שיתוף כוח וניהול תרמי.אינטגרציה זו יכולה להפחית את החיוט, המסה וההירות.זה גם מאפשר ביטול הרטט בזמן אמת באמצעות הגירוסקופ כ חיישן משוב לשליטה הפעילה של הגלגל.
אוטומטי Fault and Recovery and Machine Learning
ככל שמשימות הופכות ליותר אוטונומיות - במיוחד עבור קבוצות חלל ולוויינים קטנים - האינטגרציה תסתמך יותר ויותר על אלגוריתמי למידת מכונה על זיהוי לקוי והגדרה מחדש. Gyroscope וטלמטורי גלגל ניתן לעקוב אחר סימנים עדינים של כשל מתמשך (למשל, רעש מוגבר, עלייה בטמפרטורות, עלייה, עלייה בטמפרטורות, עלייה מגמת ירידה) למידה כוח יכול להכשיר מערכות בקרה כדי להתאים לחומרה מופחתת, שמירה על ביצועים אפשריים ככל האפשר.
מסקנה
השילוב של גלגלי התגובה עם גירוסקופים הוא אבן הפינה של בקרת הגישה של החללית המודרנית. על ידי שילוב ייצור מומנט של גלגלי התגובה עם חישה גבוהה של גירוסקופים, מהנדסים להשיג רמות של דיוק מצביע, יציבות, וגמישות כי יהיה בלתי אפשרי עם טכנולוגיה בלבד, סינרגיה זו אפשרה כמה משימות חלל מדהימות ביותר של האנושות, מתצפיות חלליות מתקדמות יותר, ואפקטיביות של טלסקופ החלל האית, אשר ימשיכו לפתח את האתגרים האבלומיים העמוקים העמוקים של ויזואליים של ויזואליים של ויזואליים של ויזואליים בחלל האינטראקטיביים העמוקים של ויזואליים בחלל, ומאחוריהם, ומאחוריהם, ומאחוריהם, ומאחוריהם, ומאחוריהם, ומאחוריהם, ומאחוריהם, כדי לשפר את האבלומיים של משימות תצפיות החלל האינטראקטיביסטיים של תצפיות החלל האינטראקטיביים של תצפיות החלל האינטראקטיביות, ופעולות החלל העמוקים, ומאחוריהם, ומאחוריהם, עם תצפיות החלל האינטראקטיביות של תצפיות החלל האינטראקטיביות, ומאחוריהם, ומאחוריהם, ומאחוריהם, ופעולות החלל האינטראקטיביות, ומאחורי הקלעים של תצפיות החלל האינטראקטיביות, ופעולות