宇宙気象、太陽活動と宇宙現象によって駆動され、宇宙船システムに永続的で、しばしば予測不可能な脅威を表します。最も敏感なコンポーネントの中には、反応ホイール、正確な態度制御を担当する電気機械装置があります。重度のソーラー嵐は、その性能を劣化させ、一時的な機能障害を引き起こしたり、永続的なミッションに導きます。その宇宙気象が反応ホイールに影響を及ぼすメカニズムを理解することは、したがって、深層車両の設計、および車両の作業に不可欠です。

反応ホイールとは?

反応車輪は、角の運動量を、プロペラントを遠ざかずに宇宙船に東洋の交流に使用するフライホイールアセンブリです。各車輪は、電動モーターによって回る重い回転子で構成され、軸受によってサポートされています。典型的なボールベアリングまたはより高度な磁気軸受。車輪の回転速度を変更することにより、宇宙船は、平等で反対のトルクで反応し、望遠鏡、アンテナ、または科学機器の微細なポインティングを可能にします。

反応車輪は、長年にわたり動作する精度と能力のために賞賛されています。それらは、実質的にすべての近代的な衛星で発見されています。 ]] 泡の宇宙望遠鏡、冗長のために4つのホイールを使用します。 それらの構造は、堅く許容された機械的部品と敏感な電子機器を含みます: モーターコントローラ、位置エンコーダ、および電力管理回路。 これらの電子サブシステムは、気象が欠陥を誘発することができる主要な経路です。

宇宙気象現象とその電子機器への影響

宇宙の気象は太陽とそれを超えて発生します。主な危険物は、太陽のフレア、冠状質量の噴射(CME)、太陽エネルギー粒子(SEP)、銀河宇宙線(GCR)を含みます。それぞれは、宇宙船の電子機器と異なる相互作用します。

放射線被害

高エネルギーのプロトン、電子および重イオンは半導体の接合部の累積イオン化および変位の損傷を引き起こします。数か月か年、このデオグラードのトランジスタの利益、増加の漏出流れおよび転位のしきい値の電圧。反作用の車輪モーター 運転者で使用される力MOSFETsは特に脆弱です。総イオン化の線量(TID)の限界は長期任務のための主設計制約です。

シングルイベント効果

単一イベントのセットアップ(SEU)は、単一のエネルギー粒子がデジタル回路の機密ノードを打つとき、メモリビットを反転するか、または過渡電圧を引き起こします。 反応ホイール制御電子機器では、SEUは、態度制御アルゴリズムを破損させ、意図しない速度で回転するホイールを引き起こし、またはコントローラーのリセットをトリガーする可能性があります。 より厳しい場合は、デバイスを破壊できる単一のイベントラッチアップ(SEL)です。 [FLT] [FAT] は、これらのイベントを追跡するのに役立ちます[FAT] スペース[FAT] [FAT] スペース] [FAT] [FAT] スペース] [FAT] スペース] [F] [FAT] スペース] スペース] は、または [FAT] をトラックします。

電磁干渉と充電

太陽フレアは、放射線、X線、およびガンマ線帯を横断する激しい電磁放射線を解放します。これは、ワイヤハーネスや回路基板内の電流を誘発し、センサーの読み取りやモータトルクの命令を破壊するノイズを作成します。一方、地磁気ストームとプラズマ相互作用は、宇宙船の表面と深い誘電充電を引き起こします。 累積チャージはアークイベントで排出することができ、反応ホイール電子にカップルが電磁パルスを発生させます。

熱効果

太陽イベント中の粒子フラックスは、電子部品の内部加熱を増加させ、安全動作温度を上回る可能性があります。 反応ホイールベアリング潤滑(多くの場合、油やグリースの薄膜)は、結合放射線および熱的ストレスの下でより速く劣化し、摩擦と摩耗を増加させる可能性があります。

反応車輪の電子工学の特定の影響

反応車輪のモーター コントローラーはホール効果センサーか解決装置からのフィードバックの洗練されたブラシレスDCモーター ドライブです。これらのセンサーは放射誘発された騒音に敏感である低レベル信号で作動します。巻き戻しは、頻繁に巻きコイルおよびフェロ磁性の中心で構成される、誤った回転子の位置の読書に導くことによるインピーダンスの変更を経験できます。これはトルクのさざ波、非有効な通気、またはモーター スタイルを引き起こすことができます。

パワーエレクトロニクスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)やドライブステージのMOSFETなどの、重度のイオンで打たれたときに、単一のイベントバーンアウト(SEB)につながります。ここで失敗すると、ホイールが永久に無電力のままにすることができます。同様に、ホイールの制御アルゴリズムはマイクロプロセッサやFPGAで実行されます。態度制御コンピュータのSEUは、その最大速度を加速するホイールをコマンドすることができ、潜在的な宇宙船の安定性と限界まで影響する可能性があります。

ベアリングアセンブリは免疫ではありません。放射線は、ケージ材料と潤滑剤のポリマーコンポーネントを交差リンクまたは分解し、摩擦を増加させることができます。このマニフェストは、速度を維持し、効率性を低下させ、余分な熱を発生させるために必要な増加した電流の描画として。時間が経つにつれて、これはベアリングの摩耗を加速し、老化衛星で一般的な故障モードは]]のような。ガイアミッション]。

センサーの分解および口径測定の漂流

ホイールセンサーには、速度エンコーダと温度モニターが含まれます。放射線は、アナログ信号チェーンのゲインシフトまたはオフセットエラーを引き起こす可能性があります。 速度センサーのキャリブレーションドは、コントローラを流すことがあり、態度で振動を引き起こします。 地面のオペレータは、多くの場合、新しいキャリブレーションテーブルをアップロードするか、またはソーラーイベント中に別のコントロールモードに一時的に切り替える必要があります。

業績の劣化と運用課題

即時の故障が起きても、宇宙の天候は徐々に反応ホイールの性能を劣化させます。主な結果は次のとおりです。

  • センサー信号のノイズを増加させ、トルク出力が不均一に、地球観測や天文器から画像を膨らませ、ジッタが導入されました。
  • ホイール飽和リスク:[]放射線誘発摩擦が増加すると、ホイールは同じトルクを達成し、最大角度の勢いをすぐに到達するために高速回転しなければなりません。 この力推圧操作操縦、プロペラを消費し、繊細な操作を妨害します。
  • 軸受寿命を短くしました。] 放射線および熱循環下での潤滑剤の劣化が摩耗を加速し、振動と発症率が増加します。
  • パワー消費量の増加:[ 故障モーターコントローラーや摩擦が高まり、宇宙船のパワーシステムに重点を置いています。
  • []操作中断:[激しい太陽嵐の間に、オペレータは、条件が改善されるまで、宇宙船を安全なモードに、科学の観察をhalting置くかもしれません。

緩和戦略

エンジニアは、空間の気象から反応ホイール電子を保護するために、層の防衛を採用しています。単一のソリューションの接尾なし。信頼性は、シールド、冗長システム、障害のある設計、および慎重な運用計画を組み合わせることから来ます。

放射線シールド

アルミ、タンタル、タングステンなどのローカルシールドは、最も敏感な電子機器を囲んでいます。しかし、重量制約は、どのくらいの量を加えることができるかを制限します。典型的な反応ホイールアセンブリでは、アルミニウムのミリメートルは、モータコントローラの線量を大きさの順に減らすことができます。ポリエチレンまたはブロンを含むより高度な複合体は、両方の充電粒子と二次中性子を増強するのに役立ちます。

冗長性と故障の許容

重要な宇宙船は3つまたは4つの反応車輪を運びます。3つは完全な3軸制御を提供します。1つの失敗の場合には、残りの車輪は再構成できます。電子工学は頻繁に、単一のでき事を覆うために多数の投票と冗長です。コントローラーの記憶は間違いの訂正コード(ECC)を使用してSEUを検出し、修理します。ソフトウェアは車輪の現在の、速度を監視し、温度異常は、自動的にバックアップ ハードウェアに転換するか、制御利益を調節します。

運用計画とリアルタイム監視

ミッションコントロールは、このような機関から宇宙気象予報を購読します ]NOAAの宇宙気象予報センター]]。 予測されたCME到着前に、オペレータは科学データ収集を減らし、非必須電子機器を出力する可能性があります。 イベント中に、彼らは、太陽パネルが太陽と車輪を適度に直面している宇宙船を操作することができます。 ポスト嵐、診断は、任意の損傷を評価する。

コンポーネントの選択と硬化

放射線硬化成分を使用して、高総用量とラッチアップへの免疫が標準である。 ハネウェルやBAEシステムなどのメーカーは、硬化マイクロプロセッサとFPGAを提供します。 反応ホイールモータードライブの場合、設計者はSEB.ベアリング潤滑剤から過小圧力を許容するために、より高い電圧定格でMOSFETsを選択。 低アウトガス化および放射線抵抗、例えば、アンチラッド添加剤と合成油を選定します。

地上試験

起動する前に、反応ホイールは広範な放射線試験を受けます。 電子ボードは、SEUとSEL交差セクションを測定するために、プロトンおよび重イオンビームにさらされています。 ホイールアセンブリは、Cobalt-60ソースを使用してLEO放射線環境をシミュレートする対象となります。 結果は、要因を通知し、そのマージンがミッション要件を満たしていることを確認します。

今後の方向性・研究

宇宙ミッションがより高い軌道と長期に押し込まれるにつれて、反応ホイールレジリエンスが改善しなければならない。 新しい研究は、次のことに焦点を当てています。

  • アクティブ放射線シールド:[]] 電界や磁場を使用して、電界や質量が課題を抱えています。
  • 軸受技術:[]] 磁気浮揚は、機械的接触を排除し、摩擦を減らし、潤滑の問題を排除します。 []を使用してそれらのを含むいくつかの最近のミッションは、ESA開発磁気軸受[を、より長い寿命を実証しました。
  • 機械学習検出:]]]オンボードAIは、放射線損傷や被曝軸受劣化の微妙な兆候を検出し、リアルタイムで制御戦略を調整してホイール寿命を延ばすことができます。
  • ]新素材:]]ガリウム窒化物(GaN)パワートランジスタはシリコンよりも高い放射線耐性を示し、カーボンファイバー回転子は質量と慣性を低下させ、より少ない電子機器で小型モーターを小さくすることができます。

宇宙気象は常に宇宙船の設計の要因になりますが、慎重にエンジニアリングと硬化技術への継続的な投資を通じて、反応ホイールは数十年にわたり精密な態度制御において重要な役割を果たします。 太陽嵐と敏感な電子機器間の相互作用は、地面と軌道上の一定の警戒を要求します。