反応車輪は宇宙船の態度制御システムの必須のアクチュエータで、推進力がない精密なオリエンテーションの変更を可能にします。急速な旋回か大きい運動量管理を必要とする代表団のために、高トルクの反作用の車輪は不可欠になります。極端なトルク要求のためのこれらの車輪の設計は複雑な工学貿易オフの関与材料、モーター技術、熱制御および振動軽減を導入します。この記事は物理学、設計原則および高度の解決を探検し、ハイ ターの車輪が現代的なスペースの要求に会うことを可能にすることを可能にします。

反応ホイール操作の基礎

反応車輪は角度の運動量の保存を悪用します。電動モーターがフライホイールを加速するか、または減速するとき、宇宙船は等しく、反対のトルクを経験します。3つまたは4つの正式に取り付けられた車輪の速度を制御することによって、宇宙船はどんな軸について回ることができます。高トルクの反作用の車輪は大きい角度衝動をすぐに渡す能力によって区別されます、それは大きい宇宙船か任務のために急速操縦者を要求する重要なです。

角質モーメンタムとトルクの関係

反応ホイールによって生成されたトルクは、回転子とその角度加速の慣性の瞬間に比例しています。 トルク設計では、エンジニアはロータ慣性を最大限に高め、より大きな直径またはより高い質量を加速し、モータトルク能力を増加させます。 しかし、慣性の増加は構造負荷を上げ、より堅牢なベアリングを必要とします。 トルク容量とホイールサイズの間の基本的なトレードオフは、設計最適化の多くを駆動します。

トルク対モーメンムストレージ

反応ホイールは、トルクの生産と瞬間のストレージの2つの役割を担います。 トルクの高いアプリケーションは、保存された運動量の上にトルクを強調することが多いです。 モーメントムストレージは、持続速度に依存している間、トルクはモーターと機械的インタフェースを強調します。 デザイナーは、ホイールののバランスをとらなければならない]に対する評価は、そのの角度の運動能力、過半径は、質量と質量と質量を貫通することができる。

高周波システムのためのキーの設計変数

巧妙で高トルクの反作用の車輪の設計は複数の独立した変数の慎重な選択を要求します。

トルク密度

トルク密度-単位の固まりごとのトルク-は、すべてのキログラムのカウントのスペース アプリケーションのための重要なメトリックです。 高周波車輪は、多くの場合、コンポジット回転子と高度な磁気回路を使用して、0.5 N・m/kgを超えるトルク密度を押します。 、スマリウムコバルトやネオジム-ブロン磁石などのモーター巻上げおよび磁性材料の革新は、過度の重量なしで高いトルクを達成するのに著しく貢献します。

最高の操作の速度

回転子材料の強度と軸受能力によって制限される速度。 トルクの高い車輪は、通常2,000〜6,000rpmの間の速度で動作します。 より高速な速度は、より小さい直径を可能にし、遠心応力とベアリングの摩耗を増加させます。 高トルクのシナリオのために、デザイナーはロータバーストのような故障モードを避けるために、低速とより大きな回転子を好む。

ライフタイムと信頼性

宇宙船の使命は10〜15年続くことができます。高トルク操作は、より高い負荷と熱によるベアリングの劣化を加速します。潤滑システムは、多くの場合、油含浸ポリマーケージまたは多孔質貯水器を使用して、長寿命のために設計する必要があります。冗長性ベアリングとヘルメチックシールは、高信頼性設計で一般的です。

素材選定と機械設計

素材の選択は車輪の性能、固まりおよび耐久性に直接影響を与えます。

回転子材料

高強度アルミニウム合金(例、7075-T6)は従来の選択ですが、現代の設計はカーボン繊維強化ポリマー(CFRP)または金属マトリックス複合材料を使用しています。 CFRPは高強度から重量比、低熱膨張を提供し、バランスのとれた感度を低下させます。極端なトルク要求のために、ベリリウム回転子は、優れた剛性と低密度を提供しますが、毒性と費用は、使用選択範囲を制限します。材料も考慮する必要があります[F]:[F]を繰り返す]:[F]

ベアリングシステム

軸受けは反作用の車輪のほとんどの失敗傾向がある部品です。高トルクの設計は軸および放射状の負荷を処理するためにプレロードされた組が付いている角度の接触のボール ベアリングを使用します。材料は堅くされた鋼鉄(440C)か陶磁器の雑種の軸受け(シリコン窒化物球)を摩擦および摩耗を減らす含んでいます。最も高いトルクの塗布のために、磁気軸受けは複雑さおよびパワー消費を加えます。

ハウジングおよび土台

車輪ハウジングはトルクの反作用の下で変形を防ぐために堅いです。通常軽量の合金からなされる、ハウジングはまた熱を放射するために熱道を組み入れます。土台インターフェイスは頻繁にflexuresか振動分離器を使用して、宇宙船の構造からの車輪の残留不均衡をdecouple使用します。

モーターおよびドライブ電子工学

モータは、高効率・低コギングで精密なトルクを発揮しなければなりません。

ブラシレスDCモーター

三相ブラシレスDCモーターは標準です。高いトルクのために、設計者は高い多数の棒組が付いているモーターを選び、アンペアごとのトルクを最大限にするために集中された巻上げます。無スロット モーター構成はコギングのトルクを減らします、より滑らかな制御を低速で可能にします。希土類磁石は必要なフラックス密度を提供します。モーター制御電子工学は高い流れを扱い、冗長巻上げのような不規則な特徴を組み込みなければなりません。

制御アルゴリズム

高周波コマンドは、オーバーシュートや振動を避けるために高度な制御が必要です。 [] フィールド指向制御] (FOC)は、高速トルク応答と効率を提供します。 勢いのアンロードのために、コントローラーは、他の軸から反応ホイールと調整する必要があります。 ソフトウェアには、飽和管理と適応的なゲインスケジューリングが含まれており、トルク範囲全体で安定性を維持します。

サーマルマネジメント戦略

熱は、高トルクの動作の大きな副産物であり、空間の真空は、対流冷却を排除します。

ヒート ジェネレーションの源

モータ抵抗損失(I2R)、摩擦に耐える、および回転子の渦電流は熱を発生させます。高トルクで、温度が急速に上昇し、永久磁石および潤滑剤の劣化を危険にさらします。熱分析は、繰り返し旋回などの最悪の義務サイクルを考慮する必要があります。

パッシブとアクティブ冷却

ほとんどの反応車輪は受動の冷却に依存します:熱ストラップまたは熱パイプを介して宇宙船バスへの導電パス。 いくつかの高出力設計は、ホイールハウジングにラジエーターを組み込む。 ポンプされたループを使用してアクティブ冷却はまれですが、極端な例のために考慮されます。 アルミニウムや銅のインサートなどの高熱伝導性のある材料は、熱を拡散するのに役立ちます。 熱コーティング(高従順塗料)は、スペースへの放射線を改善します。

宇宙船の熱制御の詳細については、[]]]ESA熱制御の概要を参照してください。

振動とバランス

反応車輪の微小振動は望遠鏡か干渉計のような敏感なペイロードの性能を劣化できます。

ダイナミックバランス

高周波ホイールは、残留バランスを最小限にするために非常に精密なバランスが必要です。 多面平面バランスマシンは、質量分布エラーのために正しい。 アセンブリの後、ホイールはISO 1940 G0.4またはより良いにスピンバランスがあります。 タイトなジッタ要件を持つミッションのために、可動式マスを使用してアクティブバランシングシステムが開発されています。

テクニックを傷つける

バランスの取れたホイールでも、ベアリングの騒音とモータートルクの波紋から振動を発生させます。エラストマーや金属スプリングを備えたソフトマウントアイソレータは、高周波の乱れを抑えます。調整された質量減衰器は、ホイールアセンブリに時々統合されます。重要な用途のために、ホイールの隔離プラットフォームは、宇宙船に送信された力を減らします。

試験・試験

あらゆる高トルクの反作用車輪は宇宙飛行の前に厳密なテストを経ます。

資格は下記のものを含んでいます:

  • 温度サイクル:[]] 極端な熱と寒さを監視します。
  • 振動と衝撃:[]] 起動負荷に耐える。
  • 命テスト:] 真空中高トルクで長年動作する。
  • トルクパフォーマンスマッピング:[]] 速度と電圧範囲を横断して出力を検証します。
  • マイクロ振動測定:[]] 結果の障害を特徴付けます。

ECSS-E-ST-35-02C 準拠試験手順書などの規格。 反応ホイール試験に関する詳細なケーススタディは]]]で提供されます。このAIAA 論文。

未来のイノベーション

素材やアクチュエータの強みは、高いトルク性能を約束します。

超伝導軸受け

高温超伝導(HTS)ベアリングは、ロータを招くことができ、機械的接触と摩擦を排除します。 それでも実験的ですが、HTSベアリングは無限の寿命と摩耗をゼロにし、はるかに高速とトルクを有効にします。 低温冷却は複雑性を追加しますが、極端な精度と長寿命を必要とするミッションのために正当化される可能性があります。

スマート材料と構造健康モニタリング

組込みセンサーおよび形記憶合金は反作用車輪を自己バランスにしたり、構造の剛さを調節することを可能にします。モーターに統合される圧電気のアクチュエーターはリアルタイムで振動を対比できます。これらのスマートな特徴は信頼性を高め、特大の余白のための必要性を減らします。

次世代宇宙船アクチュエータへのインサイトについては、【】のNASAの宇宙船技術ページを参照してください。

コンテンツ

高周波アプリケーション用の反応ホイールの設計は、材料科学、モーター設計、熱管理、振動制御のバランスを取るシステムレベルのアプローチを必要とします。各パラメータは、慣性、速度、トルク、寿命を最適化し、質量、電力、およびコストの制約内で最適化されます。スペースミッションは、より野心的、継続的な研究を高度なベアリング、複合体、および制御アルゴリズムに成長し、反応ホイールが達成できる限界を押し続けます。これらのエンジニアリングの課題を習得することにより、デザイナーは、その性能を向上し、その能力を向上させ、より迅速に、そして、その能力を向上させます。