גלגלי התגובה כבר מזמן אבן הפינה של בקרת הגישה הלווין, המאפשרת אוריינטציה מדויקת ללא צורך בדחפורים מדחף-תרמיים.כפי שסביבה המקיפה גדלה יותר ויותר, מהנדסים בוחנים תפקידים לא קונבנציונליים עבור גלגלי המסתובבים האלה - במיוחד בלווין deorbiting ו- Space debriation. על ידי מינוף יכולות ניהול המומנטום של התגובה, ייתכן שיהיה אפשרי כדי להפחית את האסטרטגיות של כלי הדם של המערכת הבטוחה והמערכת החיסונית של כלי רכב אלה.

מה זה Reaction Wheels?

גלגלי התגובה הם מכשירים אלקטרו-מכאניים שמאוחסנים מומנטום זוויתי על ידי סיבוב רוטר במהירות גבוהה.הם רכובים על שלושת האקסקסים העיקריים של לווין - רול, מגרש, ו- Yaw - כדי לשלוט באוריינטציה ללא גירוש דחף. כאשר המהירות של הגלגל משתנה, שימור מומנטום זוויתי גורם לחללית לסובב בכיוון ההפוך.

גלגל תגובה טיפוסי מורכב ממנוע DC חסר מברשת, רוטר עם אינרציה משמעותית, נושאים (לעתים קרובות באמצעות מחטים כדור שופע או השעיה מגנטית ביחידות high-end), וגלגלי תגובה ברמה החלל נועדו לפעול במשך שנים עם תחזוקה מינימלית טווח המהירות שלהם יכול להשתנות בין כמה מאות עד כמה אלפי מהפכות לדקה, בהתאם למסה של הלוויין ו-tor כדי לספק תגובה מהירה על פני כדור הארץ, לדוגמה, כדי לחץ דם קטן (Ricial) על גלגלים, כדי לחץ דם, על פני כדור הארץ, כדי לחץ דם קטן על גלגלים, כדי לחץ דם קטן, כדי לחץ על גלגלים, על פני כדור הארץ, לדוגמה, על פני השטח, על פני השטח, כדי לחץ דם נמוך על גלגלים, על פני השטח, על פני השטח, כדי לחץ דם קטן על פני השטח, על גלגלים, כדי לחץ דם נמוך על פני השטח, על פני השטח, כדי לחץ דם נמוך על פני השטח, כדי לחץ דם נמוך על פני השטח, כדי לספק תגובה מהירה על פני השטח, כדי לחץ דם נמוך יותר, כדי לחץ דם נמוך יותר, על גלגלים, על פני השטח, כדי לחץ דם נמוך על פני כדור הארץ, על פני כמה מאות עד כמה מאות עד כמה מאות עד כמה מאות עד כמה מאות עד כמה מאות עד כמה מאות עד כמה מאות עד

הפיזיקה מאחורי גלגלי התגובה היא פשוטה: מומנט המופעל על ההגה על ידי מנוע חשמלי יוצר מומנט שווה ומנוגד על הלוויין. על ידי שליטה בקפידה על המנוע, החללית יכולה לסובב לכל גישה הרצויה.כאשר מהירות הסיבובית המקסימלית מגיעה, הגלגל הופך רווי - כלומר זה לא יכול עוד לספוג מומנטום נוסף ללא מעבר לגבולות העיצוב שלה בנקודה זו, מפעילי חייב לבצע מומנטום, לעתים קרובות באמצעות מגנטי כדי לדחוף את השדה הקריטי של כדור הארץ או לחץ אווירי לתוך שדה מגנטי לתוך שדה מגנטי.

שימושים מסורתיים של גלגלי תגובה

גלגלי התגובה הם עמוד השדרה של מערכות בקרת הגישה עבור משימות לווייניות רבות.השימושים המסורתיים העיקריים שלהם כוללים:

  • (FLT:0) תצפית כדור הארץ: לוויינים כגון לנדסאט ו Sentinel מסתמכים על גלגלי תגובה כדי לשמור על כלי הדמיה הצביעו על מטרות קרקעיות עם דיוק תת-קרקעי.
  • (FLT:0) ייצוב לוויין תקשורת: 1FLT:1אנדר לווייני תקשורת גיאו-הומניים משתמשים בגלגלי תגובה על מנת להצביע על אנטנה ומערך סולארי.זה מבטיח כי אותות נשמרים עם הפרעה מינימלית.
  • (FLT:0) טלסקופ החלל המסובב (JWST) ומצפה השמש וההליוס (SOHO) משתמשים בגלגלי תגובה מדויקים כדי להצביע ולנטר את ההפרעות מלחצים סולאריים ו ⁇ כוח הכבידה.
  • (FLT:0) תמרונים במהלך ההסגרה: ⁇ 1) במהלך הפרדה חלליות מרכב שיגור, גלגלי התגובה מסייעים לייצב את הלוויין וליישר את לוחות השמש שלו לעבר השמש עבור הדור של הכוח.

היתרון העיקרי של גלגלי התגובה על פני דחף הוא שהם לא לצרוך דחף - משאב סופי שלעתים קרובות קובע תוחלת החיים התפעולית של לוויין במקום, הם משתמשים בכוח חשמלי, אשר יכול להיות מרוסן על ידי לוחות סולאריים. זה הופך גלגלים תגובה אידיאלי עבור משימות ארוכות-התאורה שבו דלק הוא בקושי.

הבעיה הגוברת של חלל דביריס

הסביבה המקיפה הפכה להיות צפופה יותר ויותר על פי סוכנות החלל האירופית (ESAigtureFLT:0), יש כיום יותר מ-36,500 פריטים של פסולת גדול מ -10 ס"מ ב-CirveFLT:1, יחד עם מיליוני שברים קטנים יותר.אובייקטים אלה נוסעים במהירויות של 7 ק"מ / של כדור הארץ נמוך אוביט (LE), איום על לוויינים מבצעיים ותחנות צוותים.

כדי לרסן את הצמיחה של חללי חלל, קווים מנחים בינלאומיים ממליצים כי לווינים להיות מנווטים בתוך 25 שנים של סיום המשימה.עם זאת, עמידה נשארת בלתי עקבית.ללוויינים רבים עדיין מחזיקים חריצים מסלול יקר ערך, וחלקם אינם יכולים לבצע כניסה מבוקרת.זה המקום שבו גלגלי התגובה יכולים לשחק תפקיד מרכזי: גם לאחר מערכת ההנעה העיקרית של לווייני הוא מותש או נכשל, התגובה עדיין יכול להיות מופעלת.

כיצד ניתן לסייע ל-Wiss Satellite Deorbiting

הדחף המסורתי מסתמך על דחף לבצע כוויות רטרודרגיות שמפחיתות את הקפאין לאטמוספירה.אבל כאשר לוויין יוצא מדחף או מכישלונות ההנעים שלו, גלגלי התגובה מציעים דרכים חלופיות להפיל את החללית.המפתח הוא להשתמש בגלגלים כדי ליצור כדי לייצר כדי לייצר סרקים שמשנים בהדרגה את הצורה המקיפה של הלוויין או כדי להגדיל את הגרור הפסיבי.

אסטרטגיות של החלפה

נזילות עובריות משתמשות בגרזן אטמוספירי כדי להאט לוויין ולגרום לדעיכה מתמדת.על ידי הפעלת הלוויין עם אזור חוצה שטח גדול העומד בפני הווקטור המהיר, ניתן למקסם את גלגלי התגובה יכול לשלוט בדיוק על הגישה של הלוויין כדי לשמור על הכיוון האופטימלי הזה לאורך שלב deorbit, אפילו כמו torques של כוחות אווירודינמיקה ו ⁇ s כדי לנסות לא נכון את הלוויין.

לדוגמה, לוויין דקופטר ב- LEO יכול להיות הורה לאמץ תצורה "שליש" שבו לוחות השמש שלה מזווית כדי לתפוס את האווירה העליונה הדקה.הגרור המוגדל מקטין את האנרגיה המקיפה של הלוויין מבלי לדרוש כל דחף.רוב הלוויינים המודרניים שומרים על יכולת שליטה מסוימת לאחר שהדלק הראשי שלהם מתפורר, כל עוד הגלגלים ומערכות הכוח עדיין פונקציונליים על ידי שימוש בתגובה נמוכה ללוויינים (במרחק של 600 שנים) הוא רק גבוה יותר ממרחק של פחות ממרחק של לוויינים).

עם זאת, למחיקה פסיבית יש מגבלות: היא אינה יכולה להבטיח מיקום של פיגור מדויק, והלוויין עשוי לפרוץ על דחייה, יצירת חתיכות שעדיין יכולות להוות סיכון.

סיוע פעיל

כאשר לוויין עדיין יש כמה דחףים זמינים - אם כי עם דחף מוגבל - גלגלי התגובה יכולים לעזור לשפר את היעילות של שריפת deorbit. על ידי מתן שליטה מדויקת גישה, גלגלי התגובה מאפשרים ללוויינים להצביע על הדחף בדיוק בכיוון הנכון למשך כל תקופת השרוף. זה מקטין את צריכת הדחף ולהבטיח כי דל- הבטא-v מוחל בצורה אופטימלית.

יתר על כן, מחקר חקר טכניקות של מחיקה היברידית המשלבות גלגלי תגובה עם מכשירים אחרים. רעיון אחד הציע נאס"א ו- ESA כרוך בשימוש גלגלי תגובה כדי לסובב את הלוויין לפני שחרור tether או מפרש גרר. המומנטום רוטאלי עוזר לפרוס את המפרש ולשמור על צורתו. גישה חדשנית נוספת היא "לתקן אלקטרוני" וכתוצאה מכך, כאשר קופטציה מעוותת היא ממטרה, ומאפשרת תגובה אקטיבית של כדור הארץ, תוך כדי למנוע את הדחף באופן בלתי-מנטלי, כדי למנוע תגובה מגנטית, כדי למנוע את הדחף של גלגלים.

דוגמה בולטת לתפיסת המשימה של גלגל-החלודה היא מושג המשימה של סוכנות החלל האירופית E.Deorbit (למרות שטרם טס), אשר תכנן ללכוד לווייני טיהור עם זרוע רובוטית ולאחר מכן להשתמש בהנעה כדי לפענח אותם.תגובות על גלגל התגובה הן על המרדף והן המטרה היו עוזרים לשמור על לכידת יציבה ונשלטת, למרות שהמשימה בוטלה לטובת גישות אחרות, את הדרך הקלה של טכנולוגיות מחוספסת בעתיד.

תגובות על Space Debris Mitigation

מעבר למחיקת לוויינים בודדים, גלגלי התגובה יכולים לתרום לאסטרטגיות הפחתה רחבות יותר של פסולת. Mitigation מקיף לא רק את ההריסות הקיימות, אלא גם למנוע פסולת חדשה מלהיות שנוצר באמצעות פריצות מכוונת או מקריות. גלגלי התגובה יכולים לשחק תפקיד בשני התחומים.

Reentry

עבור לוויינים גדולים, שלמים ותחנות חלל, כניסה מבוקרת – שבו החללית מונחת בכוונה לאזור השפעה בטוח באוקיינוס – היא שיטת הסימון המועדפת. גלגלי התגובה הם הכרחיים לשמירה על הגישה הנכונה במהלך שריפת הדאוביט ולאורך מסדרון הכניסה.גם אם הלוויין מאבד את ההנעה לאחר השריפה, הגלגלים התגובה עדיין יכולים לשמור על החללית המוכוונת כדי להבטיח כי פירוק האווירודינמיקה שלה מתרחש כפי שמצופה, מיני פריימים של פירוק פסולת.

במהלך החזרה מבוקרת של תחנת החלל מיר בשנת 2001, גלגלי התגובה על החללית הקידמה עזרו להקליד את המתחם עבור שריפת החיוב הסופי.יותר לאחרונה, הניתוק של המעבדה לחלל טיאנגונג-2 בשנת 2019 נעשה שימוש בגלגלי תגובה לשליטה בגישה לפני ובשרוף. דוגמאות אלה מוכיחות כי גלגלי התגובה אינם רק עבור בקרת גישה מבצעית - הם קריטיים של מכשירי בטיחות חיים.

החלפה וייצוב של דביריס

מעבר כולל הסרת אנרגיה מאוחסנת מהחללית כדי למנוע פיצוצים מקריים.זה כולל venting טנקים מכווני עיתונות, ניקוז סוללות, ופירוק גלגלים תנופה.תגובה גלגלים עצמם לאחסן אנרגיה כמו מומנטום זוויתי.אם לוויין נכשל בזמן שגלגליו מסתובבים, המומנטום יכול לגרום לטראזון לא מבוקר, מה שהופך אותו קשה יותר עבור הסרת משימות כדי ללכוד אותו.

יתר על כן, ניתן להשתמש בגלגלי התגובה כדי להתאים את הגישה של לוויין מרתיע, כך שהפאנלים הסולאריים שלו מכוונים למקסימום אור שמש משתקף, מה שהופך אותו קל יותר לעקוב מכ"מים מבוססי קרקע.זה משפר את הדיוק של תחזיות מסלול ולהפחית את הסיכון ההתנגשות עבור לווינים פעילים.

תמיכה ב- Active Debris Removal (ADR)

משימות ADR עתידיות יצטרכו ללכוד ולערער חפצים גדולים של פסולת, כגון שלבים על טילים בדירקטה ולוויינים מפטרים. רבים מהמטרות הללו עדיין יש גלגלי תגובה פונקציונליים.על ידי טיהור הגלגלים האלה במהלך שלב הלכידת, רודף ADR יכול לתאם עם המטרה כדי להשיג תצורה משותפת יציבה.לדוגמה, גלגלי התגובה של המטרה יכולים להיות הורה לחט כל סיבוב שנגרם על ידי הדחף הזה כדי להפחית את הגישה הפשוטה יותר, ובכך להפוך את המרדף.

למעשה, אחד הציע רעיון להסרת פסולת כולל תרחיש "מרתיעה" שבו גלגלי התגובה של הלווין היעד עדיין תפעוליים.המרדף שולח פקודות לספיןאוף או להאט את גלגלי המטרה, התאמת הכיוון שלו מבלי צורך לגעת בו.זה יכול לאפשר לרודף להתחבר בקלות רבה יותר עם נמל מעוגן או ממשק סטנדרטי.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה, באמצעות גלגלי תגובה לצמצום ולהריסות מיגרנה ניצבים בפני מספר אתגרים טכניים ותפעוליים:

  • (FLT:0) לביבשים וכישלון: לגלגלי תגובה 1:1 יש תוחלת חיים מוגבלת בשל השפלה.בלוויינים רבים, הגלגלים כבר נכשלו או נמצאים במצב גרוע.ללא גלגלים מתפקדים כראוי, בקרת הגישה אבדה, ואת אסטרטגיות deorbiting שתוארו לעיל הפך בלתי אפשרי.
  • (FLT:0)Momentum saturation:FLT:1 במהלך פעילות גופנית מורחבת, מומנט אטמוספירי מתמשך יכול ליישב את גלגלי התגובה, מה שגורם להם להגיע למהירות המקסימלית שלהם.בשלב זה, הגלגלים כבר לא יכולים לספק שליטה על מומנט אלא אם כן מואצת מומנטום הוא מכווץ.רוב הלוויינים מסתמכים על חומרים מגנטיים על עומס, אבל אלה הם יעילים בגובה גבוה או לא יעיל אם לא היה ממגנט, אם לא היה מחוספס.
  • (FLT:0) מגבלות כוח: לוויינים ליד סוף החיים עשויים להיות לוחות סולאריים או סוללות מחוסנים.גלגלי התגובה התפעולית צורכים כוח, ואם מערכת הכוח לא יכולה עוד לקיים אותם, לא ניתן להשתמש בגלגלים אלה.
  • (FLT:0) תקשורת ושליטה: 1FLT:1 לוויינים רבים של מפונק איבדו תקשורת עם תחנות קרקע.ללא יכולת לשלוח פקודות, אין אפשרות לנסח מחדש גלגלי תגובה.
  • (FLT:0) דיוקנות של סטיות פסיביות: ⁇ FLT ( 1 2) אסטרטגיות גרורתיות עובריות לא יכול לכוון מיקום כניסה מסוים.זה מגביר את הסיכון של פסולת נופלת על אזורים מאוכלסים.עבור חללית גדולה, כניסה מבוקרת באמצעות דחף היא עדיין השיטה המקובלת היחידה. גלגלי תגובה יכול לעזור אבל לא יכול להחליף את הצורך במערכת הנעה לביצוע כוויות debitor.

מגבלות אלה מדגישות את הצורך בפרקטיקה עיצובית טובה יותר: חללית צריכה להיבנות עם מחיקה בראש, כולל הוראות לפקד גישה לאחר סיום המשימה נומינאלית.נאס"א ו-ESA ממליצים כי לווינים לשמור על יכולת הצבעה לפחות שנה אחת לאחר סוף החיים.

אפשרויות וחדשנות עתידיים

במבט קדימה, כמה טכנולוגיות מתפתחות יכולות לשפר את תפקידם של גלגלי התגובה בהפחתה:

מערכות בקרה תוך שימושיות

לווייני הדור הבא עשויים לשלב גלגלי תגובה עם אסימונים מגנטיים מתקדמים, לשלוט רגעי גירוסקופים (CMGs), או אפילו דחף אלקטרומגנטי. CMGs דומים לגלגלי תגובה אבל להשתמש בגמביות כדי לשנות את הכיוון של הווקטור המומנטום הזוויתי, המאפשר עבור הרבה יותר גדול מומנט פלט.

« « « « ⁇ ⁇

מפרשים הם מבנים שניתן לפרוס את שטח פני השטח ולהאיץ את דעיכה. גלגלי התגובה ניתן להשתמש כדי לשלוט בקפידה ברצף הפריסה ולהבטיח שהמלח נפתח באופן סימטרי.פעם פרוס, גלגלי התגובה שומרים על הגישה של המפרש כדי למקסם את הגרור.כמה משימות מסחריות הוכיחו את מפליגים לגרור, כגון מערכת אווירינדינמיקה Deorbit (ADE) על ידי Surrey Satellite Technology Ltd, ואת המשימה CanX-7 מ-University של קפריסין יכול להיות משולב לתוך מנגנון פריסהעתיד של גלגלים.

אלקטרומגנטית Tether Deorbiting

אלקטרודינמיקה tethers לייצר גרר על ידי יצירת כוח לורנץ כפי שהם עוברים דרך השדה המגנטי של כדור הארץ. גלגלי התגובה הם הכרחיים לשמירה על tether מוכווני קווי השדה ושמירה על הקשר החשמלי. ניסויים מוקדמים, כגון משימת TSS-1R, סבלו מבעיות בקרה.מודרניות כולל מערכות קוהרנט תואמים מסתמכות על גלגלים תגובה עבור ייצוב, אם יצליח, למנוע לוויינים ללא יכולת למנוע מדרדר.

AI-Driven Autonomy

ההתקדמות בבינה מלאכותית יכולה לאפשר ללוויינים להשתמש בגלגלי התגובה שלהם באופן אוטונומי כדי להידרדר ללא התערבות הקרקעית.אלגוריתם למידת מכונה יכול לזהות כאשר המשימה העיקרית הסתיימה, להעריך יכולות להישאר, ולשלב אסטרטגיה אופטימלית של חיוב המשתמשת בגלגלי תגובה וכל דחף שנותר.זה יהיה בעל ערך במיוחד עבור קבוצות כוכבים גדולות שבהן שליטה ידנית של אלפי לוויינינים היא בלתי סבירה.

שיפור טכנולוגיית הדוב

כישלונות גלגל התגובה הם לעתים קרובות בשל צריכת ללבוש או השפלה סיכה.מחקר להשעיה מגנטית - שבו הרוטור הוא שטף ללא מגע מכני - יכול לייצר גלגלי תגובה "ללא עונש" שנמשך עשרות שנים. גלגלים כאלה יהיו הרבה יותר אמינים עבור פעולות של עומסי חיים. Active מגנטיים כבר בשימוש על גלגלי זבובים יבשתיים ומותאמים לחלל.

מסקנה

גלגלי התגובה הם הרבה יותר מאשר מכשירים פשוטים מצביעים.היכולת שלהם לייצר אסימונים מדויקים ללא דחף הופכת אותם מתאימים ייחודית לשחק תפקיד משמעותי בניכוי לווייני ופירוק חלל.משיפור גרור פסיבי סיוע פעיל בחזרה מבוקרת, גלגלי התגובה מציעים פתרונות מעשיים להפחתת האוכלוסייה המקיפה של חללים מרתיעים.

עם זאת, יעילות אסטרטגיות אלה תלויה בתכנון זהיר במהלך עיצוב לווייני, כולל הבטחת כי גלגלי התגובה נשארים מבצעיים לאחר המשימה העיקרית מסתיימת. מאחר שסביבת החלל החיצונית הופכת להיות מעודנת יותר ויותר, תעשיית החלל חייבת לאמץ את כל הטכנולוגיות הזמינות כדי לשמור על מסלולים נקיים.המשך מחקר במערכות היברידיות, גרורות, tethers, ובקרת אוטונומית תרחיב את יכולות התגובה.