תפקיד של גלגלי תגובה בתמיכה במשימות מחקר מדעיות מבוססות חלל

תגיות: The Foundation of Spacecraft Attitude Control

משימות מחקר מדעיות מבוססות חלל תלויות ביכולת להצביע על מכשירים עם דיוק קיצוני ולשמור על אוריינטציה יציבה לאורך תקופות ארוכות. גלגלי תגובה מספקים יכולת זו מבלי לבזבז דחף, מה שהופך אותם הכרחי עבור טלסקופים, ספקטרום, ועומסים רגישים אחרים.המכשירים האלקטרומכאיים האלה לאחסן angular לאחסון angular בגלגלי טיס מסתובבים ולהעביר מומנטום לגוף כדי לייצר רוטציה מבוקרת.

איך להגות גלגלים: פיזיקה ומכניקים

גלגל תגובה הוא למעשה רוטטור מסתובב - באופן צמיגים דיסק או גלילי - על הרכבה הנושא בתוך החללית. כאשר המנוע החשמלי של הגלגל מאיץ את הרוטב, שימור של מומנטום זוויתי גורם החללית לסובב בכיוון ההפוך. על ידי תיאום שלושה או ארבעה גלגלים מתואמים עם גרזן שונה, מערכת בקרת הגישה יכולה או להניע את החללית בכל כיוון גבוה שללייקט חיצוני (החליקורד) הוא עדיין דחף מוחלט של גלגלים או ארבעה גלגלים מתואמים עם צירים קבועים.

המונחים: design Considerations

גלגלי התגובה המודרניים כוללים מנוע DC מברשת, גלגל עם רגע גבוה של אינרציה, נושאים מדויקים (לעתים קרובות מגע זוויתי או הידרודינמיקה), ו יחידת אלקטרוניקה שליטה חומרים חייב לעמוד מול ריק, קרינה, מחזורים תרמיים קיצוניים. Bearing lubricationing הוא אתגר עיצוב קריטי; גלגלים רבים ממושמעים בחלל משתמשים במחסנים נמוכים או כלובים מסולקים.

שלוש נקודות שליטה

רוב החללית משתמשת שלושה גלגלים תגובה אוטוקונאליים עבור שליטה בשלושה צירים, בתוספת רביעית בתצורה מזוקקת עבור אדמוניות.הסדר פירמידת ארבעת הגלגלים הזה מאפשר אובדן של כל גלגל אחד ועדיין שמירה על סמכות גישה מלאה. טלסקופ החלל האבל שהושק במקור עם ארבעה גלגלים, למשל, והסתמכות על עיצוב זה.

מדוע גלגלים הם חיוניים למשימה מדעית

תשלומים מדעיים כגון מצלמות ברזולוציה גבוהה, מדחום, spectrographs, ואת כליות דורשות להצביע יציבות נמדדת במילימטרים או טוב יותר.בקרת הגישה המבוססת על Thruster מציגה Jitter from combustion and Shoot Transients, מאמת את הסביבה האופטית עם צנרת ממצה, וצריכה גלגלים מוגבלים של תגובה חלקה, וגישה רציפה יותר, ודלק.

ביקורת ו Jitter Reduction

היכולת להחזיק מטרה קבועה עבור אינטגרציה ארוכה היא חיונית לגילוי כוכבי לכת קלים, ללמוד גלקסיות מרוחקות, או ביצוע גלגלי תגובה לפעול עם רטט מינימלי כאשר מאוזנים היטב, אבל אפילו חוסר איזון קטן יכול לגרום למשימות מודרניות להעסיק פלטפורמות בידוד פעיל ואלגוריתמים בקרה מתקדמים כדי לבטל הפרעות חיתול.

חיסכון בדלק ומשימה לכל החיים

דחף מסורתי לשרוף דחף בכל פעם שהחללית צריכה לסובב, להגביל את משך המשימה לעומס המניעה.גלגלי התגובה לצרוך רק חשמל, אשר ניתן לספק על ידי לוחות סולאריים או גנרטורים רדיואיזוטופים לאורך שנים רבות. יתרון זה מאפשר למשימות כמו טלסקופ החלל קפלר להתבונן ברציפות במשך יותר מ -9 שנים, סקר יותר מ -150 אלף כוכבים.

גמישות וקצבות סלו

גלגלי התגובה יכולים להאיץ במהירות, המאפשרים חללית לנוע מהמטרה אחת לשנייה בתוך דקות - משהו בלתי אפשרי עם מערכות איטיות יותר מבוסס דחף. TESS (העברת Exoplanet Satellite) המשימה משתמשת בגלגלי תגובה כדי לשנות במהירות את שדה הראייה שלה בין מגזרים שונים של השמיים, המכסה כמעט את כל התחום השמימי בתוך שנתיים.

גבולות ואתגרי הנדסה

למרות היתרונות הרבים שלהם, גלגלי התגובה מציגים מצבי כשלון ספציפיים ומגבלות תפעוליות כי מתכנן המשימה חייב לטפל.הכישלון הנפוץ ביותר הוא השפלה עקב ללבוש, זיהום, או אובדן של סיכה. לאורך זמן, עלייה חיכוך, יצירת חום וכדורים מזיקים תהליך ההזדקנות יכול להוביל לתנוחה מוגברת, עלייה משמעותית יותר, ותפיסת הגלגל.

הרגעה וההתמדה

מכיוון שגלגלי התגובה יכולים רק לאחסן כמות סופית של מומנטום זוויתי, הם מגיעים בסופו של דבר למהירות מקסימלית שלהם ודורשים ייבוש.תהליך זה, הנקרא גם תנופה לא עומס, כולל החלת מומנטים חיצוניים באמצעות דחף או מסטיקנים מגנטיים כדי להפחית את מהירות הגלגל בחזרה לטווח נומינאל.עבור משימות במסלול כדור הארץ נמוך, מגנטיים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ, הדורשים משימה מהירה, לעתים קרובות, לחץ אווירי לחץ דם נמוך.

אסטרטגיות של כישלון ו Redundancy

כישלונות הגלגל התגובה הידועים ביותר התרחשו על משימת קפלר: שניים מארבע הגלגלים שלה נכשלו בתוך ארבע שנים, צמצום היכולת שלה לשמור על הצבע היציב על photometry. החללית לא יכולה עוד להישאר קבועה על שטח היעד שלה, סיום פעולות המשימה הראשוניות.מהנדסים שינו את שני הגלגלים הנותרים יחד עם ירי של דחף כדי ליצור מצב הצבעה "מרוס" המוכיח את המשימה המורחבת של K2.

רגישות וקרינה

גלגלי תגובה מייצרים חום מאופנוע וחיכוך, אשר חייב להיות נדחה באמצעות רדיורים.מהירויות גלגל גבוהות יכול לגרום חימום מקומי; התרחבות תרמית לא אחיד יכול לפענוח את הרוטב ואת האיזון הדרגה. בחלל עמוק, רמות הקרינה יכולות להזיק אלקטרוניקה ו degrade נושאת סיכה מעל עשרות שנים.מגן ואלקטרוניקה סובלנית הם משמשים כדי להפחית את ההשפעות האלה.

מחקרים: תגובות גלגלים במשימת מדע בלתי אפשרית

בחינת משימות ספציפיות מגלה כיצד גלגלי התגובה אפשרו לפריצות דרך - וכיצד כישלונות לימדו שיעורים חשובים.

טלסקופ החלל האבל

האבל נשא במקור ארבעה גלגלי תגובה מ-Bix Corporation (מאוחר יותר Honeywell) לאחר משימה מחלוצית ב-2009 אסטרונאוטים החליפו שני גלגלים, והטלסקופ פעל עם שלושה גלגלים פונקציונליים עד שנת 2018 כאשר כשל שלישי בלבד, גם עם שני גלגלים עובדים בלבד, המשיך פעולות המדע על ידי שימוש בשילוב של גירוסקופים ופורצים מגנטיים, למרות שהגמישות שלו הופחתה.

טלסקופ החלל ג'יימס ווב

JWST משתמשת בשישה גלגלי תגובה - ארבעה ראשיים ושניים גיבוי - כדי להשיג דיוק מצביע על 0.066 שניות.גלגלים עשויים פלדה ו לרוץ במהירות עד 6000 RPM. הם רכובים על מברשות רטט כדי למזער ג'טר והם נשלטים על ידי מערכת תוכנה מתוחכמת שמודלים וביטול הפרעות.הסביבה השמששיה הגדולה של הטלסקופ ו Cryogenic להוסיף אתגרים, אבל התגובה מבוצעת ללא פגעה, מאז גלקסיות מרוחקות, מאפשרת תמונות ממות של כוכביות של כוכבי הלכת.

K2 ו-K2

אובדן שני גלגלי התגובה של קפלר אילצו שימוש יצירתי בלחץ קרינה סולארית כדי לעזור לייצב את החללית, טכניקה בשימוש מאוחר יותר במשימה K2. זה בקרת גישה היברידית אפשרה המשך ניטור פוטומטרי של שדות חדשים, הניב תגליות כוכביות רבות למרות החומרה דה-מורד.החוויה הובילה לשיפור מפרטים הגלגל עבור משימות עתידיות, כולל סקר לוויין טרנזיט (SS), אשר משתמש ארבעה גלגלים משופרים.

משימת גאיה

משימת האסטרולוגיה של סוכנות החלל האירופית גאיה מסתמכת על גלגלי התגובה של סריקה אולטרה-סולנית כדי למפות את עמדותיהם של מיליארדי כוכבים.גלגלי גאיה נשלטים לדיוק המיקרו-ארכי השני, והחללית מסתובבת ברציפות בקצב קבוע בעוד מועד לכסות את השמיים.כל הפרעת גלגל תקטין תקטין את המדידות האסטרולוגיות, כך שגלגליה פועלים במהירות נמוכה ובאופן קפדני למזער את הרטט.

פיתוח עתידי ב-Reaction Wheel Technology

כדי לתמוך במשימות מדע הדור הבא - כגון טלסקופים גדולים, observatories גל כבידה, וערכים בין-פרומטריים - טכנולוגיית גלגל הפעולה של פעולה חייבת להתקדם באמינות, דיוק וקומפקטיות.

דובים מגנטיים ומבצע ללא מגע

השעיה מגנטית מבטלת נושאים מכניים לחלוטין, הסרת הסיכון ללבוש וזיהום. כמה מוסדות מחקר וחברות אווירו חלל מפתחים גלגלי תגובה מגנטיים פעילים שיכולים לפעול במהירות גבוהה מאוד עם אפס חיכוך.גלגלים אלה מבטיחים חיים בלתי מוגבלים, שכן שום מגע פיזי אינו מתרחש.האתגר הוא שמירה על יציבות ויעילות כוח, אבל יחידות ניסיוניות הוכיחו אלפי שעות של פעולה רציפה.

חומרים מתקדמים וייצור

רוטורים Composite וסגסוגת גבוהה חדשה של צמיחה גבוהה להפחית את מסת הגלגל תוך הגדלת יכולת המומנטום זוויתית. תוספת ייצור (3D הדפסה) מאפשר גיאומטריה מורכבת עבור אופטימיזציה של דחיית חום ודינמיקה.שיפור טכניקות מדידה - כולל איזון אוטומטי in-situ - לחנך ג'טר במקור. חידושים אלה לעזור מעצבי חלל להתאים יותר אחסון קטן, חבילות, שחרור המונים עבור מכשירים מדעיים.

בקרת משולבת וביטול

גלגלי התגובה העתידיים תכלול אלקטרוניקה חכמה אשר מבטלת באופן פעיל את הרטטים באמצעות המוניות או מריצים ארגזו. בשילוב עם דחיית הפרעות מבוססת תוכנה, זה יאפשר אפילו יותר מכשירים אופטיים רגישים לפעול עם יציבות ברמת המטרופולין. אלגוריתמי למידת מכונה יכולים לחזות את ההידרדרות של גלגל ולהתאים אסטרטגיות בקרה כדי להרחיב את החיים התפעוליים הבטוחים.

אדריכלות מודולרית ואדריכלות מודולריות

קבוצות חלל קטנות ועיצובי חלל מפורשים קוראים לגלגלי תגובה מודולריים, סטנדרטיים שניתן להחליף או להחליף אותם במסלול.תוכנית ה- On-Orbitsercing, Assembly, and Manufacturing (OSAM) של נאס"א שואפת להפגין תחליף רובוטי של גלגלי תגובה, הרחבת חיי המשימה.יכולות כאלה יכולות לחולל מהפכה בתכנון על ידי תכנון באמצעות מערכת חלליות ההזדקנות כדי לקבל גלגלים חדשים במקום להיות מסולקים.

תפקיד של גלגלי תגובה במשימה של דגלים

observatories כמו טלסקופ החלל ננסי גרייס, הטלסקופ הגדול האירופי (בסיס, אך רלוונטי כהשוואה), ואת הלייזר המוצע Interferometer Space Antenna (LISA) יהיה לסמוך על גלגלי תגובה עבור מדויק מצביעה ובקרת גרור-חופשית. LISA, בפרט, ידרוש הפעלה ללא הפרעה ברמה של כדור הארץ; התגובה תשמש רק עבור גישה קושרתית, בעוד חיישנים שקטים, כמובן, ומיקרו-מדומים, יש לנהל את החיישנים מאוזניים באופן יוצא דופן.

טלסקופ החלל הרומי

כדי להתחיל באמצע שנות ה-20, טלסקופ החלל ננסי גרייסי ייקח מצלמה ברזולוציה גבוהה ואת כלור לדימויים ישירות כוכבי לכת.גלגלי התגובה שלה יצטרכו לעמוד על יציבות למילימטרים אפילו תוך כדי סיבוב ליעדים חדשים בכל כמה שעות. הטלסקופ ישתמש בתצורה של פירמידת ארבעה גלגלים עם בידוד פעיל.

לייזר אינטרפרמטר חלל אנטנה (LISA)

LISA יכלול שלושה חלליות מעופפות בצורת משולש שהופרדה על ידי 2.5 מיליון קילומטרים.כל חללית תשתמש בגלגלי תגובה עבור בקרת גישה של קורקציה ודחפורים להתאמות בסדר גודל.הגלגלים חייבים להיות שקטים מאוד כדי למנוע הזרקת רעש לתוך מדידות הגל הכבידה. ESA עיצבה גלגלי תגובה בתדר נמוך שפועלים במהירות קבועה ומושעה על גבי נתיבים מגנטיים.

מסקנה: תגובה גלגלים כ- Enablers of Discovery

גלגלי התגובה הרחיקו כמעט כל גילוי מדעי גדול של ארבעת העשורים האחרונים.מתמונות השדה העמוק האיקוני של האבל ועד לאלפי המועמדים של קפלר, מכשירים לא אובססיביים אלה סיפקו את היציבות והגמישות שהופכים את דיוק מדע אפשרי.בעוד שהם אינם ללא חולשות - ללבוש, תנופה, וכשלון - ריפוי, ריפוי, ריפוי מחדש, ושיקום אווירי, ועוד לא יהיו עוד תגובות על גבי סוללות קריטיות, אפילו לאחר שעדיין לא יהיו מסוגלות של משימות קריטיות, כמו גם לאחר שעדיין לא יהיו חזקות יותר, לאחר שעדיין פועלות, ופעולות כוח חיים.

(ב) לקריאה נוספת, עיין ב-FLT:0) בדיווחים טכניים של נאס"א על כניסה לעיצוב גלגל התגובה של גלגל 1FIRLT:2ESA גאיה דף המשימה של גאיה 3 עבור יישום בעולם האמיתי, ואת ה-FLT:4 גלגל התגובה החל החלפת וידאו חלופית של אסטאבל:5 מנאס"א להמלצות מפורטות על החיים על גלגלים, ראה את הנייר FLT:6 ו-RIS"מחזקת חיים" (פרק 6)