תפקיד של גלגלי תגובה במערכות בקרת קו הרוח

גלגלי התגובה הם אבן הפינה של בקרת הגישה של החללית המודרנית, המאפשרת אוריינטציה מדויקת ויציבות ללא צורך בדחפור מוגבל.מלוויינים תצפית כדור הארץ כי חייב להצביע על המצלמות שלהם עם דיוק תת-קרקעי השני של בדיקות כוכביות כי לשמור על מנעול על כוכבים מרוחקים, גלגלי התגובה מספקים את השליטה הרוטאלית על רוטט שהופך משימות מורכבות אפשריות.

מה זה Reaction Wheels?

בפשוטם, גלגלי התגובה הם גלגלי זבובים המונעים חשמלית בתוך חללית.על ידי לסובב את גלגל העוף בכיוון אחד, החללית חווה מומנט בכיוון ההפוך בשל שימור המומנטום הזוויתי.זה אותו עיקרון שהופך את הזרועות של skater מסתובב לאט כאשר הם מרחיבים אותם, או זה גורם תנופה מסוקים לסובב את מומנטום הראשי שלו אם לא מופעל על ידי גלגל אחורי, לא צריך להיות מופעל על ידי כוח גלגל אחורי.

הרכבה טיפוסית של גלגל התגובה מורכב מסה כבדה (לעתים קרובות מתכת או דיסק מורכב) רכוב על מערכת ניהול דיוק ומניעה על ידי מנוע DC חסר מברשת.הבקר של המנוע מקבל פקודות מהמחשב בקרת הגישה של החללית, מאיץ או משמיד את הגלגל כדי לייצר את מומנט הרצוי.רוב החללית משתמשת שלושה או יותר גלגלי תגובה רכובים לאורך צירים אוטוקנליים (לפעמים הם מנפחים את עצמם) כדי לשמור על ידי שלושה גלגלים קצרים.

גלגלי תגובה נבדלים מהמונים אחרים מסתובבים כמו גלגלי תנופה, שבדרך כלל הם נצצים במהירות גבוהה קבועה לאחסון מומנטום זוויתי ולספק נוקשות גירוסקופית.

עקרונות פיזיים מרכזיים

פעולת גלגל התגובה נשלטת על ידי שני חוקים יסודיים של פיזיקה.0. [החוק השני של ניוטון לרוטציהFLT:1] קובע כי מומנט שווה את שיעור השינוי של התנופה זוויתית: ⁇ = dL / dL. / dL. כאשר מנוע הגלגל חל על מנת להאיץ את הגלגל, החללית חווה שווה ומנוגדת לפי סעיף 3F: בדיוק ניתן להתאים את המנוע של גלגל הגלגלים של 3D2ton.

מבחינה מתמטית, המומנטום הזוויתי הכולל של החללית פלוס מערכת הגלגלים נותר קבוע (אם לא פועל זרקור חיצוני) אם תנופה זוויתית של הגלגל משתנה על ידי ⁇ LigFLT:0wFLT:1, החללית של החללית משתנה באופן ישיר על ידי - ⁇ LFLT:2wFLT 3, שכן הרגע של החללית של אינרציה הוא קבוע (או קצב איטי) כדי להשיג את השינויים המהירים כדי להשיג את הגישה הרצויה באופן ישיר.

איך פועלות גלגלי תגובה?

מערכת בקרת גישה חללית משתמשת במנגנון משוב סגור.חיישנים כגון עוקבים כוכבים, חיישני השמש, גירוסקופים, או מגנטים לקבוע את הכיוון הנוכחי של החללית.המחשב על הלוח משווה את זה לנטייה הרצויה (מהתוכנית המשימה או פקודות קרקעיות) ההבדל, או טעות, מועבר לאלגוריתם בקרה - לעתים קרובות חלק-אינטגרלי-אינטגרטיבי (PID) חישוב הגיאומטריה הנדרשת לפקדים שלהם.

לדוגמה, אם החללית צריכה לרדת בכמה מעלות, הגלגל שהציר שלו יישר עם ציר המגרש יהיה הורה להאיץ או להסיט את הטורף.התגובה וכתוצאה מכך לסובב את החללית.כפי שהחללית מתקרבת לגישה הרצויה, המהירות של הגלגל מותאם להאט או לעצור את הסיבוב.

רוב החללית משתמשת במערך גלגל הפעולה של 0FLT:0 ,001 ; 3 או ארבעה גלגלים. תצורה נפוצה היא סידור etrahedral שבו ארבעה גלגלים רכובים בזווית שווה לכל שלושת צירי החללית.זה מספק אדמוניות: אם גלגל אחד נכשל, השלושה הנותרים עדיין יכולים לספק שליטה מלאה של שלוש צירים, אם כי מופחתת לקיבולת של שליטה.

תגובה לגלגל Saturation and Momentum Management

הגבלה בסיסית של גלגלי התגובה היא FLT:0 saturationFLT:1 [לכל גלגל יש מהירות מקסימלית המאפשרת (בדרך כלל כמה אלפי RPM) כאשר גלגל מגיע לגבול זה, זה כבר לא יכול לספוג מומנטום נוסף, החללית מאבדת סמכות בציר זה.זה קורה באופן טבעי כי חיצוני מומנטים - כגון ⁇ כוח הכבידה, לחץ סולארי, מומנטום אטמוספירי (בטווח נמוך), או כדי לשמור על פני כדור הארץ, זה חייב להוסיף באופן טבעי, כדי לספוג את האינטראקציות מגנטיות, כדי לספוג את המערכת.

כדי להתאושש מן השכור, החללית מבצעת קונסולת:0momentum dumpFLT:1 הם יורים צריחים קטנים (או משתמשים בפורצים מגנטיים אם זמין) כדי ליישם מומנט חיצוני המאפשר לגלגלי התגובה לרדת במהירות נמוכה יותר, שחרור יכולת התנופה נמוכה יותר.

השיעור שבו גלגל התגובה ישארוטה תלוי בסביבה של החללית ועיצוב. מסלול סמרטוט גבוה עם מומנט אטמוספירי משמעותי עשוי לדרוש ייבוש תכוף תכופים, בעוד חלליות בנקודה Lagrange חווה כמעט אפס מומנט חיצוני ויכול לפעול ללא תנופה במשך חודשים.מהנדסים משתמשים במודלים מפורטים כדי לחזות את שיעורי הריצוף ואת קווי זמן עיצוב בהתאם.

היתרונות של גלגלי תגובה

גלגלי תגובה מציעים מספר יתרונות משכנעים על שיטות בקרת גישה חלופיות, במיוחד דחפורים או קטורנים מגנטיים לבד.

• (FLT:0) קביעת דיוק: (1) גלגלי התגובה יכולים להשיג נקודות הצבעה של קשתות או פחות, חיוני עבור טלסקופים, בין-פרימולאומטריה, ומסופי תקשורת לייזר. Thrusters הם הרבה פחות מדויקים כי כל דופק מקנה אימפולס דיסקרטי, קשה לשליטה, לעתים קרובות גורם ג'רמיון לספק, חלק, רציף לדחף.
• (FLT:0)Fuel Efficiency: FLTRE:1 באמצעות חשמל (המתגנת על ידי לוחות סולאריים או סוללות) במקום לדחוף, גלגלי התגובה להפחית באופן דרסטי את המסה של ניתן ליישב. לוויין עשוי לדרוש ק"ג של דחף מיובש אם הוא התבסס רק על דחף עבור שליטה; עם גלגלים תגובה, כי ניתן להחליף המוניות על ידי כמה קילוגרמים של ק"ג של אלקטרוניקה וקיבולת חופשית של אלקטרוניקה, או אלקטרוניקה, או אלקטרוניקה.
• (FLT:0) Quick Jitter: נמוך Jitter:FreaLT:1) גלגלים תגובה באיכות גבוהה נועדו למזער את הרטט.הנושאות שלהם הן שטח דיוק, והגלגלים מאוזנים באופן דינמי כדי להפחית את המיקרוברטוטים שיכולים לפגוע בביצועים הרגישים.
• (FLT:0 Long Life and Reliability:FLT:1 גלגלים תגובה אין דחף מאוחסן שיכול להדליף או להיפטר, וחלקי המעבר שלהם כלולים בדיור חתומה, שופע.גלגלי תגובה רבים הוכיחו את חייהם מעל 15 שנים במסלול, במיוחד כאשר מופעלים עם ניהול מהירות זהיר כדי למנוע תנודות מזיקות במהירויות מסוימות של reson.
• (FLT:0) תגובה דינמית: 1 משום שמנועים חשמליים יכולים לשנות במהירות, גלגלי התגובה יכולים לספק תגובות מהירות (מילות שניות לשנייה) לתמרונים מצביעים זריזים.זה מאפשר ללוויינים לעבור בין מטרות במהירות, הגדלת יעילות התצפית.

גבולות ואתגרים

למרות היתרונות הרבים שלהם, גלגלי התגובה מתמודדים עם אתגרים טכניים חשובים כי מעצבי חלל חייבים לטפל.

ללבוש ומיקרוביות

גלגל התגובה פועל ריק עם סיכה מוגבלת.לאורך זמן, סיכה יכול להתאדות, מתפתל, או להיות עקורים, המוביל לחיכוך מוגברת, ללבוש, ובסופו של דבר כישלון.זה בעייתי במיוחד במהירויות נמוכות מאוד (אולי כמה עשרות של RPM), שבו הסרט lubricant עשוי לא להפריד לחלוטין את האלמנטים מתגלגל, גורם מגע מתכת-על הרבה חלליות הפעלה במהירות נמוכה מאוד.

מיקרוביוטות הן קטנות אך עיקשות שנגרמו על ידי פגמים, חוסר איזון המוני ופריחת מנוע.רטטים אלה יכולים להתחבר למבנה החללית ולערעור יציבות הצבעה.מהנדסים משתמשים במניפסט (מסננים מכניים) בין הגלגל לבין מבנה החללית, והם בוחרים בקפידה מהירות הגלגל כדי להימנע מחזרות מבניות מרגשות.

מהירות ה- Zero-Speed Crossing

כאמור, גלגלי התגובה ישארו.בנוסף, האזור סביב מהירות אפס הוא בעייתי עבור עיצובים רבים בגלל אי-לינאריות חיכוך ו "סטיירות" כאשר גלגל עובר דרך אפס RPM, המאפיינים של החיכוך הנלווים משתנים בפתאומיות, גרימת הפרעות טורק.לבקר צריך להיות מתוכנן כדי לעקוף מהירות לחצות חלקה או, אם אפשר, להימנע ממנו לחלוטין על ידי שמירה על הגלגל מעל מינימום זה לעתים קרובות דורש תנופה תקופתית כדי לשמור על מוטמעה "מהירות" כדי לשמור על הטיית"

ניהול ארס

גלגלי תגובה מייצרים חום באמצעות פירוק מנוע וחיכוך נושא.בוואקום, ניתן להסיר חום רק באמצעות התנהגות למבנה החללית והקרינה לחלל. מחזורים גבוהים (תמרונים מטושטשים) יכולים לייצר חום משמעותי שיש למנוע חימום יתר.מודלים הקרמאליים הם חלק קריטי של שילוב גלגל תגובה, וכמה גלגלים בעלי ביצועים גבוהים כוללים צינורות פנימיים או צינורות הרים לממשקים ייעודיים.

מצבי כישלון ו Redundancy

גלגלי תגובה הם מרכיבים אלקטרו-מכאניים עם תקופות חיים סופיות.מצבי כשל נפוצים כוללים את ההתקפים, כישלון מתפתל המנוע, כישלונ חיישן (הקודמים המדורגים מהירות הגלגל), ופגמים אלקטרוניקה.כדי להפחית סיכון, רוב החללית נושאת לפחות גלגל תגובה אחד אחד בלבד.לדוגמה, טלסקופ החלל האבל במקור היה ארבעה גלגלים תגובה, שניים מהם נכשלו, ושני הנותרים שימשו עם מצב מופחת עד שמשימה קטלנית שהוחלפה על ידי הטלסקופ "K2" המקורי של הבקרה חלקית, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר שהפך את הטלסקופ של טלסקופ החלל האבל היה במקור היה ארבעה גלגלים, שני גלגלים, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר שהפך את המנועים של התחנה המקורית, לאחר שהפך את המנועים, הוא איבד את המנוע של ארבעה גלגלים, אך ורק לאחר מכן, ארבעה גלגלים, ארבעה גלגלים, ארבעה גלגלים, ארבעה גלגלים, אך ורק לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר שהפך ל-R.

מכיוון שגלגלי התגובה הם לעתים קרובות הרכיב הקריטי ביותר עבור בקרת גישה, האמינות שלהם היא רבת ערך. סוכנויות חלל ויצרנים מבצעים בדיקות חיים נרחבות – גלגלים מסוימים פועלים ברציפות במשך שנים בתאי ואקום כדי לאמת את שולי העיצוב שלהם.

השוואה לשיטות בקרה אחרות

גלגלי תגובה אינם הדרך היחידה לשלוט באוריינטציה של החללית.כל שיטה יש עצירות מסחר שהופכים אותה מתאימה למשימות שונות.

Thrusters (Reaction control System)

הם מציעים מומנט גבוה מאוד והם חיוניים עבור מזחלות מהירה, מסלול תמרון, וזרימה.עם זאת, הם לא מרתיעים (ראהים:0pulsesrated רוחב פילאב 1 ההגבלות לגרום ג'טר), לצרוך דחף סופי (משימה מרשיעת), ויכולים לסווג אופטיקה רגישה עם מומנטום רבים לשימוש בגלגלים היברידיים;

טוריטור מגנטיים

חומרים מגנטיים (magnetorquers) הם אלקטרומגנטיים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ לייצר מומנט.הם קלים, בעלות נמוכה, ולא דורשים דחף.עם זאת, הם רק עובדים במסלול כדור הארץ נמוך שבו השדה המגנטי חזק מספיק, והם מייצרים קלושים יחסית, מחלחלים לקצב משתנה עם תנופה נמוכה, לא יכולים לספק שלושה צירים על גבי כדור הארץ נמוך (בדרך כלל לא צריך פיקוח מגנטי נמוך).

« « « התעלות

ייצוב Gravity משתמש בום ארוך עם מסה בסוף כדי ליצור מומנט המיישר את ציר הארוך של החללית עם אנכי המקומי.זוהי שיטה פסיבית, נמוכה בעלות נמוכה ללא חלקים נעים, אבל זה מספק רק שתי צירים שליטה (roll and המגרש) והוא איטי מאוד - התאוששות לאחר הפרעה יכול לקחת הרבה מסלולים.

זמן בקרה גיאוסקופים (CMGs)

CMGs דומים לגלגלי תגובה אבל עם הבדל מכריע: גלגל הגלגלים מסתובב במהירות גבוהה קבועה, בעוד מנוע הגמלי נוטה ציר הספין של הגלגל לייצר מומנט. CMGs יכול לייצר הרבה יותר גבוה מאשר גלגלי תגובה עבור אותה מסה, מה שהופך אותם אידיאלי עבור חלליות גדולות כמו תחנת החלל הבינלאומית (שבו ארבעה CMG גדולים מספקים שליטה ראשונית), CMG מיוצרות יותר מאשר מנגנונים מכניים (כלומר, לא בהכרח, כמו מנגנונים רגישים יותר), ולכן הם צריכים מנגנונים גמישים יותר, כמו מנגנונים גמישים).

דוגמאות אמיתיות לשימוש ב-Reaction Wheel

משימות חלל אייקוניות רבות התבססו על גלגלי התגובה:

• (FLT:0) טלסקופ החלל של הולאבל (FLT:1) משתמש בארבעה גלגלים של תגובה על מנת להצביע על כך, השגת יציבות של 7 מילישניות.לאחר כישלונות חוזרים ונשנים, שניים נותרו עד 2021, והטלסקופ פועל עם מצב זריזות מופחת.
• (FLT:0) James Webb Spaceisches טלסקופ FLT:1 משתמש שישה גלגלים תגובה (כולל חסוך) לדרישות ההצבעה אולטרה-precise שלה. כי הוא פועל בנקודה של השמש-Earth L2, מומנטים חיצוניים הם קטנים, וזרקות מומנטום תנופה הם בלתי צפויים.
• (FLT:0) לוויינים תצפית כדור הארץ 1 (Walst) כמו סדרת Landsat, משימות Sentinel, ודימויים מסחריים רבים ברזולוציה גבוהה משתמשים בגלגלי תגובה לדיוק מצביע על פני מצע, המאפשר מיפוי מפורט וגילוי שינוי.
• (FLT:0) חקירות בין כוכביות (interplanetary) 1 (FLT:1 ), כגון Mars Reconnaisance Orbiter ו- Rosetta Comet Tracker מסתמכות על גלגלי תגובה בשילוב עם נתבים כוכבים עבור כלי מדע מדויק המצביעים על הפלגות ארוכות טווח.

(במבט טכני עמוק יותר, ראה:0) מבוא של נאס"א לשיטות בקרת גישה (Fillo) ו-FLT:2 ESA גישה בקרת סקירה כללית (FLT 3: 3 מהנדסים לעתים קרובות להתייעץ עם הדרכה FLT:4AIAA ושליטה בספרות:5 עבור ניתוח גלגל התגובה נושאת מודלים מחזור חיים.

מסקנה

גלגלי התגובה הם טכנולוגיה חיונית בשליטה על הגישה לחללית, המציעה דיוק שאין כמותו, כלכלת דלק, וגמישות התפעולית שלהם לייצר מומנט חלק, מתמשך באמצעות חשמל בלבד, עושה אותם הפעלת בחירה עבור הרוב המכריע של לווייניים מדעיים ומסחריים. בעוד שהם מתמודדים עם אתגרים - רוויה, עונד, מיקרוביוטציות, ומגבלות תרמיות - חקות של ניסיון הנדסי יצרו עיצובים חזקים ואסטרטגיות יעילות כי יש להבטיח משימות מרובות.

בעוד החללית דורשת גמישות גבוהה יותר, יציבות טובה יותר, ותקופות חיים ארוכות יותר, טכנולוגיית גלגל התגובה ממשיכה לקדם את השיפורים בתכנון (שעיה מגנטית, הלובקים החדשים), יעילות מוטורית והבטחה ביטול הרטט אפילו יותר יכולת משולבת עם מערכות משלימים כגון מסטיקנים או מדחף לניהול מומנטום, גלגלי התגובה יישארו בלב השליטה על העתיד הנראה לעין, ומאפשרים לדור הבא של החלל וההתבוננות בכדור הארץ.