תפקיד גלגלי התגובה טלסקופי חלל ומשימות האסטרונומיות

מבוא לגלגלי תגובה בטלסקופי חלל

טלסקופי חלל תופסים סביבה ייחודית ותובעיתית תפעולית.בניגוד לתנודות מבוססות קרקע, מכשירים אלה חייבים להתמודד עם הריק של החלל, וריאציות טמפרטורה קיצוניות, והעדר פלטפורמה קבועה.כדי להשיג את היציבות יוצאת הדופן הנדרשת לאסטרונומיה ברזולוציה גבוהה, חלליות מסתמכות על מערכת בקרה מתוחכמת של גישה מתוחכמות (ACS) בלב גלקסיות רבות כאלה מונחות באופן ברור אך מדויק מאוד: התגובה הזו היא זו של טלסקופים לטווח הארוך, ללא יכולת ייצוב של כל אלה.

גלגלי התגובה מספקים אמצעי של שיוט ומצביעים על חללית ללא השקעת דחף, יתרון קריטי למשימות שעשויות להימשך עשרות שנים.על ידי ניהול קפדני של מומנטום זוויתי, הם מאפשרים יציבות מצביעה דקת נמדדת במכוני שניות, ומאפשרים לאסטרונומים לפתור פרטים מקבילים להיקף של מאות קילומטרים משם. מאמר זה חוקר את הפיזיקה, היישום, היתרונות, ואת העתיד של התגובה של גלגלים בטכנולוגיה תובענית של שדה האסטרונומיה.

מה זה Reaction Wheels?

גלגלי התגובה הם מכשירים אלקטרו-מכאניים המורכבים מרוטטור כבד המחובר למנוע חשמלי.הם רכובים בתוך חללית, וכאשר המנוע מאיץ או משמיד את הרוטב, החללית חווה מומנט שווה ומנוגד, מה שגורם לו לסובב.זהו יישום ישיר של החוק השלישי של ניוטון: לכל פעולה, יש שוויון ומנוגד לריצה.

בדרך כלל, חללית תשתמש לפחות שלושה גלגלי תגובה שולמו באופן אורטוקוני כדי לשלוט בסבב של שלושה צירים: מגרש, יוּו, וגלגל. גלגל רביעי הוא לעתים קרובות כלול כגיבוי כדי להבטיח אדמוניות ואמינות על חיי המשימה.הגלגלים נועדו לספין במהירות משתנה - לעתים קרובות עד כמה אלפי מהפכנים לדקה - ואת המומנטום שלהם מספק שליטה נאה על האוריינטציות של החללית, לא רק כדי לסובב גלגלים חשובים.

המונחים היסטוריים

הרעיון של שימוש בהמוני המונים פנימיים רוטטים עבור בקרת גישה חוזר לפיתוח לוויין מוקדם בשנות ה-60.גלגלי התגובה המבצעית הראשונים היו פשוטים יחסית, עם טווחי מהירות מוגבלים ונושאים חיים.במשך עשרות שנים, מדעי החומרים, עיצוב הנושא (במיוחד המעבר לחתימה, סיכה של נושאים), ואלקטרוניקה בקרה מוטורית שיפרה באופן דרמטי ביצועים.

הפיזיקה שמאחורי גלגלים

כדי מהנדס מערכת גלגל תגובה יעילה, מהנדסים מנצלים את העיקרון של שימור המומנטום זוויתי.התנופה הזוויתית הכוללת של מערכת מבודדת (Spacecraft פלוס גלגלים) נשאר קבוע אלא אם כן שקעים חיצוניים פועלים על זה.כאשר החללית צריכה לסובב, המנוע חל על מומנט על הגלגל, שינוי המומנטום הזוויתי שלו.

ניהול טורי ו- Momentum Management

ה- torque שנוצר הוא פרופורציה של שינוי המומנטום הזוויתי של הגלגל.לכן, האצה מהירה יותר של הגלגל מייצרת מומנט תגובה גבוה יותר על החללית, זה מאפשר גם לנפיחות מהירה (שינויים angularיים גדולים) והתאמות מצביעות קלות (שינויים קטנים ומדויקים) עם זאת, הגלגל יש יכולת אחסון מומנטום סופית.

לאחר רווי, הגלגלים לא יכולים לספק עוד שליטה על מומנט באותו כיוון.לפלת המערכת, מומנטים חיצוניים חייבים להיות מיושם - בדרך כלל באמצעות דחף או חומרים מגנטיים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ - כדי לגזום את התנופה עודף ולהחזיר את הגלגלים לטווח מהירות נומינאלית.

חוק אדריכלות

האלגוריתמים השולטים בפועל שמהירויות גלגל התגובה הם מערכות משוב מורכבות.חיישנים כגון עוקבים כוכבים, גירוסקופים, וחיישנים לשמש מספקים מדידות גישה מדויקות.מחשב משווה את הגישה הממדדת לקטור המצביע הרצוי ומדן אותות שגיאה.מערכת בקרת הגישה מתרגם שגיאות אלה לתוך מומנטים צובעים גלגלים, אשר לאחר מכן נשלחים אל בקרי הגלגל.

התפקיד הבלתי צפוי של גלגלי תגובה בטלסקופים בחלל

טלסקופי החלל דורשים יציבות מצביעה כי הרבה מעבר לכך של לווייני תקשורת אופייניים.טלסקופ החלל האבל, למשל, נדרש להצביע על יציבות בתוך 0.007 arcIIsFLT:0((הסקירה של נאס"א) ראט"ל:1 - זה כמו להחזיק נקודת לייזר מספיק קבוע כדי להכות דימה במרחק של 200 קילומטרים.

טלסקופ החלל האבל

האבל משתמש בשישה גלגלים תגובה - ארבעה מהם היו במקור מאותה אצווה ייצור כמו אלה המשמשים לווייני לנדסאט.הגלגלים רכובים בתצורה מסוימת כדי לספק שליטה תלת-אקסית עם אדמוניות.בחייו, האבל חווה אנומליות גלגל, כולל הכישלון של גלגל אחד, אשר נדרש מתג כדי לייצר גיבוי.

סקרי המעבר של קפלר ו- Exoplanet Transit

טלסקופ החלל קפלר השתמש בגלגלי תגובה כדי לשמור על מראה יציב מאוד לעבר שדה הדרגה 115 מעלות שלה.החלל היה צריך להחזיק גישה זו במשך שנים עם סחף מינימלי כדי לפקח על הבהירות של מעל 150,000 כוכבים. המשימה של קפלר הושפע בסופו של דבר על ידי הכישלון של שני של ארבעת גלגלי התגובה שלה בשנת 2013, אשר סיים את יכולת הנטורינג העיקרית שלה כוכב הלכת, עם זאת, המשימה הייתה מאוחר יותר כמו גם לחץ סולארי על ידי קריונד.

טלסקופ החלל ג'יימס ווב

טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) מסתמך גם על גלגלי התגובה של ג'יימס וויסטי (JWST) על דרישתו של ג'יימס וובסט (JWST) לשמירת יציבות קו-of-of-of-sight בתוך כמה ננודוריאנים על פני תקופות של עשרות דקות.הגלגלים פועלים יחד עם מראות הנעשים דקים כדי לדחות את הפונקציה המיקרו-ה הייחודית שלו, לעומת ה-ה-התגובה של ג'ולית-ה-1, לעומת ה-ה-ה-ה-ה-התגובה של החללית, לעומת ה-JWST) – JWST (JWST) – JWLTST) – JWST, לעומת ה-R.

גאיה ואסטרולוגיה

משימתה של סוכנות החלל האירופית גאיה, הממפה את עמדות ותנועות של מעל מיליארד כוכבים, דורשת יציבות הצבעה אולטרה-פין.גאיה משתמשת במערך של מיקרו-סטרוסטרים של גז קר בשילוב עם גלגלי תגובה כדי להשיג את דרישות הגישה החמירות שלה.גלגלי התגובה מטפלים בהתאמות הרציפים, הנאות, בעוד הדחפורים מבצעים תמרונים של משימת גאיה באספקת הקטלוג שלה הוא תוצאה ישירה של תפקודה של גאיה (GatephaLT) כולל: תגובה אחת של תפקודה של גאיה (Gatephaphaphaphapha) היא תוצאה ישירה של תפקודה של תפקודה של תפקודה של תפקודה של גאיה: 1.

היתרונות של גלגלי תגובה במשימת האסטרונומיה

אימוץ נרחב של גלגלי התגובה בטלסקופים בחלל נובע ממספר יתרונות משכנעים על מערכות חלופיות.

• (FLT:0) ,Exceptional Pointing Precision:cioFLT:1) גלגלים תגובה יכולים לייצר דחפים קטנים וחלקיים מאוד, המאפשר דיוק משנה שניות מצביע על חיוניות עבור הדמיה מוגבלת דיפרנציאלית וספקטרוסקופיה.
• (ב) כי הם רק מחליפים מומנטום עם החללית ואינם מסלקים מסה, גלגלי התגובה אינם צורכים דחף.זה מרחיב את חיי המשימה באופן משמעותי, לעתים קרובות בעשור או יותר, בהשוואה לדחפורים המוגבלים באספקת הדלק.
• (FLT:0)העברת הסיכון לזיהום: ⁇ 1:1 , Thrusters לגרש גזים חמים שיכולים לבלוט על משטחים אופטיים רגישים (mirrors, גלאי), גרימת השפלה.
• (FLT:0)Lower Machine Wear:FLT:1 גלגלים התגובה המודרנית משתמשים בחתימות חתומות, נושאים שופעים שנועדו למיליארדי מהפכה.כאשר הם מצליחים כראוי, הם חווים ללבוש מינימלי ויכולים לפעול באופן אמין למשך 20 שנה, כפי שהוכח על ידי האבל.
• (FLT:0Stable Long-Duration Pointing:cioFLT:1) גלגלים תגובה יכולים לשמור על אוריינטציה נגד סטיות הפרעות קטנות לתקופות מורחבות ללא צורך תמרונים תיקון, אשר קריטי עבור תצפיות אסטרופיזיקה לטווח ארוך.
• (FLT:0)Low Vibration / Jitter:03: ⁇ 1) כאשר מאוזנת ותוכננה עם נושאים נמוכים, גלגלי התגובה מייצרים רטט מכני נמוך מאוד, אשר חיוני כדי להימנע מטשטש תמונה.

גבולות ואתגרים של טכנולוגיית Reaction Wheel

למרות היתרונות שלהם, גלגלי התגובה מציגים כמה אתגרים תפעוליים ואמינות כי מעצבי המשימה חייבים לנהל בקפידה.

הרגעה

כפי שנדון, גלגלי התגובה יכולים רק לאחסן כמות סופית של מומנטום זוויתי.רגע רווי, המערכת מאבדת את היכולת לספק מומנט בכיוון רווי.ההה דורש מומנט חיצוני - בדרך כלל מדחפורים (מדחף דחף) או מגנטי לפורצים (תלויים בשדה המגנטי של כדור הארץ des ולכן הם רק יעילים במסלול נמוך).

ללבוש מכני וכישלון

הנושאים המסתובבים בגלגלי התגובה הם בין הרכיבים המכניים המפוחים ביותר בחללית.לאורך זמן, הנושא סיכה יכול לזלזל, גרימת חיכוך מוגבר ורעש מומנט. במקרים קיצוניים, את הנושאים יכולים לתפוס או להיות פגומים. הטלסקופ קפלר סבל משני כשלי גלגל שהסתיימו את משימתו המקורית.

Jitter and Micro-Vibrations

גלגלי תגובה הם מקור עיקרי של מיקרו-בריונים על חלליות רבות.כפי שספיןאוף, פגמים בנושאות, חוסר איזון בתוך הרקטור, ואינטראקציות בכלוב לייצר רטט בתדר הסיבוב של הגלגל ואת הרמוניות שלו. עבור טלסקופ חלל דיוק, הרטטים האלה יכולים לתרגם להילוך תמונה ולערעור תפקודו של המכשיר מתפשט.

ניהול ארס

המנועים החשמליים המניעים גלגלים מייצרים חום, אשר חייב להיות נדחו לחלל.ההתרחבות והה התכווצות יכולים להשפיע על מאזן הגלגלים ועל הנושאת עומס מראש. ⁇ s על פני שטח הגלגל יכול לגרום ללחץ ולטעון.כל מתקן גלגל דורש תכנון תרמי זהיר כדי לשמור על טמפרטורות הפעלה יציבות ללא חימום יתר, אשר יכול לקצר את החיים או נזק אלקטרוניקה.

עלויות ומורכבות

גלגלי התגובה הנשגבים למשימות חלל יקרים לתכנון, לייצור ולתעד.הבדיקות הנרחבות הנדרשות כדי לאמת אותם על סביבת החלל (התאוששות, ואקום, רטט, רכיבה תרמית) מוסיפים מחיר משמעותי ורווחי לוח הזמנים.עבור משימות קטנות יותר, כגון CubeSats, העלות של גלגל תגובה גבוהה יכול להיות חלק גדול מהתקציב הכולל.

השוואות עם מערכות בקרה אחרות

גלגלי התגובה אינם השיטה היחידה לנטייה לחללית.הבנת ההעברות מסייעות להסביר את הדומיננטיות שלהם במשימות טלסקופ.

גלגלים נגד Thrusters

• (ב) ⁇ :0) ,(החלון: 1) גלגלים של תגובה מציעים הרבה יותר שליטה מאשר דחפורים, אשר מספקים דיסקרטי, לעתים קרובות גדול יותר, דחפים.
• (ב) ויקרא: ויקרא י': ויקרא י': ויקרא י' (בראשית כ"ד) , ויקרא י"א, ויקרא י"א).
• (ב) ⁇ :0) ,(התח"ל) , ניב גזים ממצה שיכולים לחבוש אופטיקה; גלגלים נקיים.
• (ב) ⁇ :0) ,(Jitter: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) ,Usage: FLT:1 , Thrusters משמשים עבור מזחלות גדולות ושפלת תנופה; גלגלים עבור הצבעה נכונה וצבירת תנופה.

תגובה גלגלים לעומת הרגע של שליטה גירוסקופים (CMGs)

• (FLT:0)Torque Capacitycio: 1FLT:1 CMGs יכול לספק הרבה יותר מומנט מאשר גלגלי התגובה של מסה דומה, מה שהופך אותם מתאימים עבור חלליות גדולות, זריזות כמו תחנת החלל הבינלאומית.
• (FLT:0)Precision: CMGs יש מערכת יחסים יותר מורכבת של קיומטי בין תנועה גימיבית לבין מומנט פלט, מה שהופך את זה להצביע יותר מאתגר מאשר עם גלגלים תגובה ישירה נהיגה.
• (ב) ⁇ :0 (המורכבות:0) : CMGs דורשים גימבברליות, מנועים ו טבעות חלקות, מורכבות מוגברת ומצבי כישלונות פוטנציאליים.
• (ב) ⁇ :0 (Usage:0) ,CMGs נפוצים על פלטפורמות גדולות של בני אדם וכמה לוויינים ראויים לכדור הארץ; גלגלי התגובה הם בעד טלסקופים הדורשים יציבות גבוהה ופשטות.

גלגלים נגד טוריטור מגנטיים

• (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1FLT:1 מבולדרים מגנטיים מייצרים דל טורק והם יעילים רק באזורים עם שדה מגנטי חזק.
• (ב) ל[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]
• (FLT:0)Usage:FLT:1 מגנטיים טורפים משמשים עבור התנופה של כדור הארץ נמוך מסלול, עבור חלליות מעצר לאחר ההשקה, וכתחליפי גלגל הגיבוי על כמה לווינים קטנים.הם אינם מתאימים כמו מכשירים ספציפיים עבור טלסקופים.

פיתוח עתידי ב-Reaction Wheel Technology

תעשיית החלל ממשיכה לקדם את טכנולוגיית גלגל התגובה כדי לענות על הדרישות של משימות אסטרונומיה הדור הבא, הדורשות דיוק גדול יותר, חיים ארוכים יותר ועלות נמוכה יותר.

דובים מתקדמים ו Lubrication

מחקר לחומרים חדשים נושאים (היברידיים האזוריים) ו- lubricants מוצק (כגון ציפויים ion-beam-deposited) נועד להאריך את החיים התפעוליים מעבר ל-30 שנים.נושאים מגנטיים שאינם מגעים, אשר להטיס את הרוטור, נחקרים כדי לחסל את ללבוש לחלוטין. אלה מגנטיים נושאת יכול לפעול ללא הגבלת זמן עם אפס השפלה מכנית, אבל הם מציגים מורכבות וצריכת חשמל- offs.

מיניטור עבור קטנטנים וקובקטים

העלייה של פלטפורמות לוויין קטנות, כולל CubeSats, הובילה לפיתוח של גלגלי תגובה קומפקטיים, זולים, מציעים כעת גלגלים תגובה במשקל מתחת ל -100 גרם עם מספיק מומנט עבור 3U CubeSats. כמו משימות טלסקופ קטנות (למשל, TESS Exoplanet סקר, או מ"מ observaries) להיות יותר מסוגל, באיכות גבוהה התגובה זעירה תהיה להצלחה קריטית כדי לייצר גלגלים קטנים אפילו עם פוטנציאל הנדסיים.

גלגלים נמוכים ו Ultra-Smooth Wheels

למשימות עתידיות כמו המושגים של סוכנות החלל האירופית (Planetary Transits and Oscillations of Stars) או ה- LUVOIR וה- HabEx, דרישות ג'ייטר דוחקות את עיצוב הגלגל התגובה לרמות רעש איטיות.זה כרוך בזיהוי טוב יותר, שילוב של הרות, רטט פעיל, והשימוש בטכנולוגיות מחשוב-לקנות.

מערכות היברידיות

טלסקופים עתידיים ישתמשו ככל הנראה במערכות בקרת גישה היברידיות המשלבות גלגלי תגובה עם מכשירים אחרים.לדוגמה, הצמדת גלגלי תגובה עם מראות מתפתלים (FSMs) מקלקל את הג'יטר מהגלגל.הגלגל משרטט את הטלסקופ למטרה, וה-FSM עושה התאמות מהירות, מהירות ומהירות גבוהה כדי להבטיח שהתמונה מופעלת על הגלאי.

תוכנה ובקרה Algorithms

ההתקדמות בתאוריה של שליטה - כגון בקרת מודל ולמידה מכונה - מאפשרת שימוש יעיל יותר של גלגלי תגובה.אלגוריסים יכולים כעת לחזות ולבטל את המתקנים הידועים, למזער את רציפות מהירות הגלגל, ולהאריך את החיים על ידי אופטימיזציה של פרופילי מהירות.תוכנת ניהול מומנטום אוטונומית מפחיתה את הצורך בהתערבות קרקעית, ומאפשרת לטלסקופ לפעול ללא מפעילי אנוש במשך חודשים בזמן חישובי כוח, יהפכו לאלגוריתמים מתוחכמות יותר, לאלגוריתמים מתוחכמת יותר, אלגוריתמים.

מסקנה

גלגלי התגובה הם המבנים הלא-מרוסים של טלסקופ החלל ואסטרונומיה משימות, היכולת שלהם לספק מדויק, חלק ודלק-יעילות בקרת אוריינטציה הפכה אותם הכרחיים עבור המצפה השאפתניים השאפתניים ביותר של האנושות, מהעבודה החלוצית של טלסקופ החלל האבל ועד הרגישות האינפרא אדומה של טלסקופ החלל ג'יימס ומול מעבר לו, גלגלי התגובה אפשרו תגליות שהפכו את ההבנה של היקום בעודם, בעודם, בעודם, ימשיכו למזער אתגרימים, כמו גם אתגרימים, ועלולים של כדור הארץ, להמשיך לחדורים, ועלולים, להמשיך לחדורים, להמשיך לחדורים, ועלולים, להמשיך לחדורים, להמשיך את הרגישות, להמשיך את הרגישות כדור הארץ, ולהוביל את החלל הרדאר, ולהוביל, ולהוביל את החלל, תוך כדי לשלוט על פני כדור הארץ, תוך כדי לשלוט במהירויות נוספות, תוך כדי לשלוט על פני כדור הארץ, תוך כדי לשלוט על גבי סוללות, תוך כדי לשלוט על גבי סוללות אחוריים, תוך כדי שמירה על גבי סוללות אחוריים, תוך כדי שמירה על גבי סוללות אחוריים, תוך כדי שמירה על גבי סוללות אחוריים, תוך כדי שמירה על גבי סוללות אחוריים, תוך כדי שמירה על פני כדור הארץ, תוך כדי שמירה על גבי