הקדמה: העדיפות השקטה של גלגלי התגובה

בוואקום הקשה של החלל ומעבר לפני השטח המפואר של עולמות אחרים, שמירה על חלליות ו-#8217; האוריינטציה היא אתגר מתמיד.ללא פלטפורמה יציבה, הדמיה מהירה של פתרונות, מדידות מדעיות מדויקות, ותקשורת אמינה הופכת לבלתי אפשרית. גלגלי תגובה הם הגיבורים הלא-מסובכים המספקים את היציבות הזו.

גלגלי התגובה פועלים על עיקרון פשוט אך אלגנטי: שימור המומנטום הזוויתי.גלגל מסתובב בתוך החללית מאחסן מומנטום זוויתי.כאשר החללית צריכה לסובב, המנוע מאיץ או משמיד את הגלגל, ואת החללית עצמה מסתובבת בכיוון ההפוך כדי לשמר את המערכת הכוללת של מומנטום, העברה זו מאפשרת שליטה יוצאת דופן, עם אי-פעם נמדדתים במכוון, ללא צורך משמעותי יותר מחוספסים על ידי שלושה גלגלים או מגושמים, במיוחד על ידי שליטה מלאה.

הפיזיקה מאחורי גלגלי התגובה מושרשת בחוק שימור התנופה.כאשר מנוע חל על מומנט על גלגל העוף, גלגל הגלגלים מקבל מומנטום זוויתי. החללית, להיות שאר המערכת, מקבל מומנטום שווה ומנוגד זוויתי, מה שגורם לו לסובב.ה קנס יותר את בקרת טורק, את הצעד הקטן יותר - למטה למיקרו-רדיקליאנים זה תחת כל מהדקלסקופים חשמליים או אפילו לא רק כדי לדחוף שנים של דלקים סולאריים (או לא רק) כי הם יכולים למנוע את הנורה של משימות רדיו סולאריים).

גלגלים מגיבים ב- Planetary Rovers and Landers: More Than Justניווט

אישורים פלנטריים וקרקעים חייבים לבצע קבוצה מגוונת של משימות, כל אחד דורש אוריינטציה מסוימת. גלגלי התגובה הם מרכזיים המבצעים האלה.לדוגמה, אדמה יורד לכיוון מאדים חייב לשמור על מגן החום שלה הצביע קדימה, ולאחר מכן לאחר פריסה פרצנטית, זה חייב להיות מסוגל להשתמש מכ"ם שלה למדידה עובדתית גובה.

תפקידים מרכזיים לאורך שלב המשימה

(FLT:0)Descent and Landing:FLT:1 במהלך הכניסה, הירידה והנחתה (EDL) שלבי התגובה לשמור על הכיוון של החללית דרך ממשק אטמוספרי.על מאדים, משימת מאדים 2020 השתמשה בגלגלי תגובה כדי לנקז את הכיוון של שלב הירידה ביחס לאדמה, ולהבטיח כי העפעף יקטין את הקרוואן בדיוק ללא תגובה, יריים נוספים עלולים להפריע לאתר הנחיתה עלולים להפריע.

(FLT:0) פעולות פנים: 1FLT 1 פעם על הקרקע, אישורים משתמשים גלגלי תגובה עבור הצבעה שגרתית.המכשירים המוערכים (Navcam, Mastcam-Z, SuperCam) דורשים הצבעה יציבה בעוד מטרות הדמיה. גלגלי תגובה מאפשרים לנקודת מפנה מהירה בין מטרות מרובות ללא הפעלת כוח.

(FLT:0) תמיכה בלתי-מחדשת: ⁇ 1 (המכונה:0) מכשירים רבים דורשים אוריינטציה מדויקת.לדוגמה, המרגל של Mars Hand Lens Imager (MAHLI) על Curiosity צריך להיות ממוקם בתוך מ"מ של משטח סלע.החלון הזרוע של ה-Rover הוא סיוע על ידי יציבות המסופקת על ידי גלגלים תגובה, אשר לפצות על זרוע בזמן אמת, באופן דומה, על מנת לנקות את קווי הרוחב.

(FLT:0) קומוניקציה פוינטינג: 1FLT) Rovers מתקשרים עם נתבים ובאופן ישיר עם כדור הארץ באמצעות אנטנה כיווןית.ה-פס והאנטנות UHF חייבים להצביע בתוך חלק מהדרגה כדי למקסם את הנתונים באמצעות לוח.גלגלי תגובה להתאים את הכיוון של ה-Rover לעקוב אחר מעברו של ה- Mars, ולאחר מכן במהירות כדי להגיע ליעד הבא.

היתרונות של שיטות תגובה על מערכות בקרת גישה חלופיות

  • (FLT:0)פלול דחיפות ומשימות מורחבות: ההרחבה: 1:1 שלא כמו דחפורים, גלגלי התגובה אינם צורכים דחף.עבור משימות ארוכות-טווח כמו המעבדה למדע מאדים (הפרלמנט), אשר פועלת כבר למעלה מעשור, החיסכון בדלק הם עצומים.העדר דחף גם מקטין את הסיכון של זיהום כוכבי הלכת-אווירי-החלופה - דרישה למשימות ממוקדות.
  • (FLT:0)Ultra-Fine Pointing Precision:FLT ( 1 Responseion גלגלים) יכול להשיג יציבות משנה מצביעה על יציבות, זה חיוני עבור הדמיה גבוהה וכלי לייזר מבוססי לייזר כמו LIBS (Laser-induced Breakdown Spectroscopy) על SuperCam. Thruster מציג רעש כי degrads Imageness; תגובה מאוזנת כראוי עם גלגלים.
  • (FLT:0) פעולות קצרות:FLT:1 Thrusters לייצר זרמי ממצה שיכולים לצאת גז על אופטיקה רגישה, לשנות את הסביבה המקומית, או להפקיד contaminants על משטחים איסוף דגימות.
  • (FLT:0) פיקוח רציף: גלגלים תגובה 1FLT מספקים מומנט מתמשך, חלק עם תגובה מהירה.הם יכולים למנוע הפרעות כגון ⁇ כוח הכבידה, לחץ קרינה סולארית (מינימום על פני השטח אך רלוונטי במהלך השייט), ומנגנונים פנימיים (תנועה צבאית, מומנט גלגלים).זה מאפשר לחללית לשמור על אוריינטציה קבועה תוך ביצוע ניסויים.
  • (FLT:0) Redundancy and Resilience: FIRLT:1) רוב החללית לשאת גלגל תגובה רביעי בתצורה של ריצוף מזוקק כדי לספק undancy.If one Wheel Fail, השלושה הנותרים עדיין יכולים לספק שליטה מלאה של שלוש צירים, אם כי עם יכולת מופחתת להורדת מומנט.

אתגרים ומגבלות: מחיר החשדות

למרות היתרונות שלהם, גלגלי התגובה באים עם אתגרים הנדסיים משמעותיים כי מתכנן המשימה חייב לנהל בקפידה.

הרגעה וההתמדה

גלגלי תגובה מאחסנים מומנטום זוויתי ככל שהם מסתובבים מהר יותר.לאורך זמן, מומנטים פנימיים פנימיים רצופים (למשל, גרר אטמוספירי במסלולים נמוכים, ⁇ כוח הכבידה, או חיכוך גלגלים) גורמים לגלגלים להתעכב במהירות הגבוהה ביותר שלהם - באופן זמני כמה אלפיים RPM. כאשר גלגל מגיע למגבלת החייאה שלו, הוא כבר לא יכול לספק מומנט בכיוון זה היה צריך להיות דחף קדימה על ידי גלגלים.

ללבוש מכני ובריח

גלגלי התגובה זזים חלקים: גלגל הספין על נושאים הפועלים בוואקום או סביבות נמוכות מדכאות. עם הזמן, lubricant evarates או degrads, ומשטחי העל נושאים ללבוש.זה יכול להוביל לחיכוך מוגבר, ג'ייטר, או אפילו כשלון קטסטרופלי.הטלסקופים של קפלר איבד את שני מארבעת הגלגלים שלה, סיום המשימה העיקרית שלו על פני כדור הארץ, עדיין יכול להאריך את החומרים המקררים מגנטיים, אך עדיין בשימוש חזק יותר.

« « ויברציה ו Jitter

גלגלי התגובה הם ללא איזון במידה מסוימת.כפי שהם ספינים, חוסר איזון לייצר רטט בתדר הסיבוב של הגלגל 0.1 ואת הרמוניות שלו. רטט זה יכול לטשטש תמונות, להפריע מכשירים רגישים, או לגרום לחזרות מבניות.כדי להפחית ג'ייטר, גלגלי התגובה הם בזהירות מאוזנים על גבי המפעל, ואת הרודן נועד להיות נוקשה.

ניהול כוח ו-Thermal Management

ספין גלגל כבד צורכת חשמל, פרופורציה ל- torque. בעוד ש-idle, גלגלי התגובה עדיין חייבים לשמור על מהירות מינימלית כדי לשמור על בעיות מחוסמות (הבשלה יבשה שלבש) זה "הטיה המומנטום" צור כוח בסיס של עשרות וואט (בנוסף, המנועים והנושאות לייצר חום כי יש לנקות.

תגובות על גלגלים וידויים בשימוש במשימת פלנטרי

מעצבי חלל אודיסיאה בדרך כלל מסדרים גלגלי תגובה בגאומטריה או tetrahedral, עם ארבעה גלגלים: שלושה עבור שלושה צירים שליטה ורביעית שריון עבור Redundancy. The Mariner 10 Mission to Venus and Mercury השתמש בשלושה גלגלים אוטגוניים; מורדים מודרניים של מאדים כמו Curiosity ו- Perseverance משתמשים ארבע מערכות גלגל יכול לייצר מקסימום של כמה ליטרים של מנועים בריאים.

דוגמאות: תגובות גלגלים בפעולה על מאדים ומעבר

Mars Exploration Rovers (Spirit and Opportunity)

עם זאת, ה- תאום MER MER , רוח והזדמנות, נשא גלגל תגובה אחד כחלק ממערכת בקרת הגישה המבוססת על הגירוי שלהם.עם זאת, הם הסתמכו יותר על דחפורים לתמרנים גדולים במהלך השייט ו- EDL. פעם על פני השטח, ה-Erovers השתמשו בגלגל התגובה בשילוב עם חיישני השמש כדי לשמור על אוריינטציה לתקשורת ודמיית של תשע שנים הפגינו את האמינות העיצוב, אם כי המהירות המוגבלת של הגלגל נגד משטח הגלגל הייתה מוגבלת.

Mars Science Laboratory (Curiosity)

שלב הירידה של סקרנות השתמש במערך של שמונה גלגלי תגובה - ארבעה חלקים עיקריים וארבעה - כדי להשיג את הדיוק חסר התקדים הנדרש עבור הנחיתה על השמיים, הגלגלים האלה היו גדולים וחזקים יותר מאלה המשמשים על MER, המסוגלים לטפל במסה של ה- rover במהלך שלב הרחף.על פני השטח, קריסיטיס יש ארבעה גלגלים תגובה המספקים שליטה על הזרוע המיסטית שלו ולאורך העשור שלו, יש משימות קלות, רק עם מגבלות ניהוליות.

Mars 2020 (Perseverance)

התמדה ירשה ושיפור במערכת גלגל התגובה של סקרנות.הגלגלים שיפרו את האסטורדים ואת בידוד הרטט משופר. כי Perseverance נושאת מכשירים חדשים כמו הגנרטור חמצן MOXIE ואת לייזר SuperCam, דרישות המצביעים אפילו יותר הדוק.מערכת התגובה תומכת בפעילות אוטונומית "תראות וירה" שבו שריפות לייזר לעבר מטרות בעוד rover הוא כלי רכב במהלך השנה הראשונה על פני מאדים ללא הפעלת גלגלים.

לנדרס (Surveyor and Chang'e)

גלגלי התגובה אינם מוגבלים למאדים.ה"מ למאגר הגזים הקרים (1960s) השתמשו בדחפורים גזים קרים לשליטה בגישה, אך ארצם מודרניים כמו צ'אנג'אנג'ה 3 ו-Chang'e-4 משתמשים בגלגלי התגובה במהלך שלב הירידה שלהם כדי לשמור על אוריינטציה נאותה.ה- 4 של צ'אנג, אשר נגע בצד המרוחק של הירח, השתמש בגלגלים כדי לשמור על אנטנות המחודות לכיוון התקשורת של נאס"ל, כדי למנוע את שירותי ה-ידי חברת החשמל שלה, כדי למנוע את המיקום המסחרי של נאס"ל (L) ל-ידי שירות הרישום של נאס"ל, חסינה (L) ולשלבי תיבות של נאס"ל, כולל של נאס"ל, כולל שירות הרישום של נאס"ל, לחץ-ידי שירות הרישום (L).

פיתוח עתידי: חכם יותר, אור, אמין יותר

בעוד משימות דוחפות לעבר משך זמן ארוך יותר ויותר מדע תובעני, טכנולוגיית גלגל התגובה ממשיכה להתפתח.כמה מגמות מבטיחות מתעוררות:

כרטיסי טיסה מתקדמים

רוטטורים מסורתיים של גלגל התגובה מיוצרים ממתכות כמו פלדה או טיטניום. חומרים מורכבים חדשים - סיבים פחמן מחזקים פולימרים או קרמיקה מתקדמת - יותר יחסי כוח עד משקל, המאפשרים את אותו אחסון מומנטום עם גלגל בהיר יותר. הקטנת מסת הגלגל משחררת תשלום עבור מכשירים או דלק. סוכנות החלל האירופית נבדק גלגלים מורכבים עבור משימת JUICE לירחים של יופיטר, עיצובים דומים יכול להיות מותאם לדגימה בעתיד עבור מאדים משימות.

עיצובים מגנטיים ו- Zero-Friction

נושאי מכונות הם מגבילים את החיים העיקריים.חוקרים מפתחים נושאים מגנטיים המציפים את הרוטב באמצעות אלקטרומגנטים, חיסול מגע מכני לחלוטין. בעוד נושאים מגנטיים דורשים כוח ואלקטרוניקה מתוחכמת בקרה, הם מבטיחים הגנה על החיים התפעוליים כמעט אפס. Prototype מגנטי נושאת גלגלים נבדקו בתאי ואקום, וחלקם טסו על לווייניים קטנים.

שליטה משולבת Algorithms

מערכות בקרה מודרניות משתמשות באלגוריתמים אדפטיים וחיזוי כדי לנהל מהירות הגלגל וייבוש בצורה חכמה יותר.מודלים של למידת מכונות יכולים לחזות בהפרעות חיצוניות בהתבסס על פעילות הרובר ולתכנן את מסלול המהירות האופטימלי של הגלגל.זה מקטין את תדירות תמרונים של הדחף ומאריך את חיי הגלגל. לדוגמה, הפוגה בנוגע להובלת תיקון מחוספס עלולה להגדיל באופן זמני את מהירות הגלגל לבניית תנופה להפרעות הצפויות.

Miniaturization and CubeSat Effect

הצלחתו של קוביות הובילה לפיתוח של גלגלי תגובה זעירים ויעילים מאוד, אשר צורכים רק כמה וואט ולאחסן כמה מילימטרים של מילימטר ניוטון.גלגלים אלה יכולים לשמש על אדמה קטנה או מדגמים-return canisters.המשימה של Mars Microsample Return עשוי לשלב גלגלים מונים כאלה או להקליד את מיכל המדגם המהיר כמו שהוא משחזר.

מערכות היברידיות עם הרגע הגאוסקופ

הרגע של בקרה (CMGs) מספק הרבה יותר מומנט גבוה מאשר גלגלי תגובה על ידי גימבלינג רוטטור מסתובב במהירות. CMGs משמשים בתחנת החלל הבינלאומית, אבל לעתים רחוקות טסו על אישורים פלנטריים בשל מורכבות.עם זאת, עבור אישורים גדולים כמו רולאן עתידיים עם 1000 ק"ג בתשלום, CMGs יכול לאפשר גירוי מהיר יותר ויציבות גבוהה יותר במהלך תגובה מהירה (CMG) עם Cruns).

מסקנה: מהפכה שקטה בשליטה בחלל

גלגלי התגובה הוכיחו הכרחי עבור חובבי חקר כוכבי הלכת וקרקעות.היכולת שלהם לספק מדויק, יעיל דלק, ובקרת גישה נקייה אפשרה משימות של תוחלת חסרת תקדים וחזרה מדעית.ממישורים אבק של גבסייב קראטר אל ה- Jezero Crater delta, מן הרמות הירחיות ועד הירח של מערכת השמש החיצונית, אלה ספינים מסתובבים ימשיכו את הדרך למהנדסים חסרי שליטה על פני כדור הארץ, כמו גם אלגוריתמים מגנטיים, כמו גם על פני כדור הארץ, בעודם, ישארוכים, בעודם של מערכות השמש החיצוני, ישארוכים, כמו גם אלגוריתמים, כמו גם אלגוריתמים מגנטיים, כמו גם אלגוריתמים, כמו גם אלגוריתמים, כמו גם אלגוריתמים של מערכות השמש החיצוניות, כדי לשלוט על פני כדור הארץ, ומאחוריהם ימשיכו לבחון את רמות הבקרה של מערכות השמש, כמו גם אלגוריתמים, כמו גם אלגוריתמים, כדי לשלוט על פני כדור הארץ, כדי לשלוט על פני כדור הארץ, כדי לשלוט על פני כדור הארץ, תוך כדי לשלוט באלגוריתמים מגנטיים, כדי לשלוט על פני כדור הארץ, כמו גם על פני כדור הארץ, כמו גם על פני כדור הארץ, כמו גם אלגוריתמים, כמו גם אלגוריתמים, כדי לשלוט על פני כדור הארץ, כמו