Reaction 바퀴 설계 Spacecraft의 높은 토크 응용

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Reaction 휠 작동의 기본

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모멘텀과 토크 관계

반응 바퀴에 의해 생성된 토크는 회전자와 그것의 각 가속의 관성의 순간에 비례합니다. 높은 토크 디자인을 위해, 엔지니어는 더 큰 직경 또는 더 높은 질량 및 모터 토크 기능을 통해 회전자 관성을 확대합니다. 그러나, 증가 관성은 구조 짐을 올리고 더 튼튼한 방위를 요구합니다. 토크 수용량과 바퀴 크기 사이 기본적인 무역 떨어져 디자인 최적화의 다량을 몰고 있습니다.

토크 vs. Momentum 저장

반응 휠은 두 가지 역할을합니다. 토크 생산 및 모멘텀 스토리지. 높은 토크 응용 프로그램은 종종 저장된 모멘텀을 강조합니다. 순간 저장은 지속적인 고속, 토크 수요가 모터 및 기계 인터페이스를 스트레스로 나타냅니다. 디자이너는 휠의 [maximum Torque 등급을 ]]각각각의 모멘텀 용량]에 대해 계산하고 예산을 높일 수 있습니다.

High-Torque 시스템의 주요 설계 매개 변수

성공적인 높은 토크 반응 바퀴 디자인은 몇몇 개구부 모수의 주의깊게 선택을 요구합니다.

토크 밀도

토크 밀도 단위 질량 당 토크 밀도 - 모든 킬로그램 수를 가진 공간 응용 프로그램에 대한 중요한 미터입니다. 높은 토크 휠은 종종 0.5 N·m/kg 이상의 토크 밀도를 밀어 복합 로터 및 고급 자기 회로를 사용합니다. 모터 권선 및 자기 재료의 혁신은 samarium-cobalt 또는 neodymium-iron-boron 자석과 같은, 과도한 무게없이 높은 토크를 달성하는 데 크게 기여합니다.

최대 작동 속도

속도는 회전자 물자 힘과 방위 기능에 의해 제한됩니다. 전형적으로 2,000와 6,000 분당 회전수 사이 속도로 운영되는 높 토크 바퀴. 더 빠른 속도는 더 작은 직경을 허용하고 그러나 원심 긴장과 방위 착용을 증가합니다. 높 토크 대를 위해, 디자이너는 수시로 회전자 파열 같이 실패 형태를 피하기 위하여 더 낮은 속도 및 더 큰 회전 장치를 호의합니다.

일생과 신뢰성

우주선 임무는 10-15 년을 지속할 수 있습니다. 높은 토크 가동은 높은 짐 및 열 때문에 방위 탈gradation를 가속합니다. 윤활 체계는, 수시로 기름 주름을 잡은 중합체 감금소 또는 다공성 공기통을 사용하여, 장시간 생활을 위해 디자인되어야 합니다. 과다한 방위 및 신비한 바다표범 어업은 높 신뢰성 디자인에서 일반적입니다.

물자 선택과 기계적인 디자인

물자 선택은 직접 바퀴 성과, 질량 및 내구성에 충격을 줍니다.

Rotor 물자

고강도 알루미늄 합금 (예 : 7075-T6)은 전통적인 선택이지만 현대 디자인 사용 탄소 섬유 강화 폴리머 (CFRP) 또는 금속 매트릭스 복합체. CFRP는 고강도 중량 비율과 낮은 열 팽창을 제공하며, 밸런싱 감도를 감소시킵니다. 극단적 인 토크 요구의 경우, beryllium rotors는 우수한 뻣뻣함과 낮은 밀도를 제공하지만 독성 및 비용 제한이 있습니다. 재료 선택은 또한 고려해야합니다 [[[LTLT]F : [FFE]] : 높은 수명주기 : [FFE] [F]] : 높은 수명주기 : [F] [F]] [LT]]] [LT]]]] [F : [F]]]]]]] [F : [F : [F : [F]]]]]]]]] [F : [F : [F : [F : [F : [F : [F : [F]]]]]]]]]] [F : [F : [F : [F : [F : [F : [F]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

베어링 시스템

방위는 반응 바퀴에 있는 가장 실패 직업적인 성분입니다. 미리 로드된 쌍을 가진 높 토크 디자인 사용 angular 접촉 볼베어링은 축과 광선 짐을 취급하기 위하여. 물자는 마찰과 착용을 감소시키는 강하게 한 강철 (440C) 또는 세라믹 잡종 방위 (실리콘 질화물 공)를 포함합니다. 높은 토크 신청을 위해, 자석 방위는 탐험되고, 그러나 그들은 복잡성과 전력 소비를 추가합니다.

주택 및 설치

바퀴 주거는 토크 반응의 밑에 개악을 방지하기 위하여 단단해야 합니다. 보통 경량 합금에서, 주거는 또한 열을 발광하는 열 경로를 통합합니다. 설치 공용영역은 수시로 우주선 구조에서 바퀴의 잔여 불균형을 decouple하기 위하여 flexures 또는 진동 절연체를 이용합니다.

모터 및 구동 전자

모터는 고효율 및 낮은 조깅으로 정확한 토크를 전달해야합니다.

무브러시 DC 모터

3 단계 무브러시 DC 모터는 표준입니다. 높은 토크를 위해, 디자이너는 극 쌍의 높은 수를 가진 모터를 선택하고 ampere 당 토크를 확대하기 위하여 집중된 감기를 집중했습니다. Slotless 모터 윤곽은 저속에 매끄러운 통제를 가능하게 합니다 토크를, 감소시킵니다. 희소한 자석은 필요한 유출 조밀도를 제공합니다. 모터 통제 전자공학은 높은 현재를 취급하고 과다한 감기와 같은 결함 포용력 특징을 통합해야 합니다.

Algorithms 통제

높은 토크 명령은 오버워킹 및 진동을 방지하기 위해 고급 제어를 요구합니다. Field-centric control] (FOC)는 일반적으로 빠른 토크 응답 및 효율성을 제공합니다. 순간 언로드를 위해 컨트롤러는 다른 축에서 반응 휠과 협조해야합니다. 소프트웨어는 포화 관리 및 적응성 이득을 포함합니다. 토크 범위의 안정성을 유지하기 위해 스케줄링.

열 관리 전략

열은 높은 토크 가동의 중요한 부산물, 및 공간의 진공은 convective 냉각을 삭제합니다.

열 발생 소스

모터 저항 손실 (I2R), 마찰 베어링, 로터의 eddy 전류는 열을 생성합니다. 높은 토크에서, 온도는 영구 자석과 윤활유 탈gradation의 탈마화, 위험하게 합니다. 열 분석은 반복적인 슬루 닝과 같은 최악의 케이스 의무 주기를 고려해야 합니다.

수동 및 활성 냉각

대부분의 반응 바퀴는 수동 냉각에 의존합니다: 열 결박 또는 열 관을 통해 우주선 버스에 전도성 경로. 몇몇 높 힘 디자인은 바퀴 주거에 방열기를 통합했습니다. 펌프로 먹이는 반복을 사용하여 활동적인 냉각은 드물지 만 극단적인 케이스를 위해 고려됩니다. 알루미늄 구리 삽입과 같은 높은 열 전도도를 가진 물자는, 열을 확산하는 것을 돕습니다. (고정성 페인트) 열 코팅은 공간에 방사선을 개량합니다.

우주선 열 제어에 대한 자세한 내용은 ESA 열 제어 개요]를 참조하십시오.

진동과 균형

반응 바퀴 미생물은 망원경 또는 interferometers 같이 과민한 탑재량의 성과를 degrade 할 수 있습니다.

동적인 균형

높은 토크 휠은 잔류 불균형을 최소화하기 위해 매우 정확한 균형을 요구합니다. 대량 유통 오류에 적합한 멀티 비행기 균형 기계. 조립 후 휠은 ISO 1940 G0.4 또는 더 나은 회전됩니다. 꽉 지터 요구 사항이있는 임무를 위해 이동식 질량을 사용하여 활성 밸런싱 시스템 개발되었습니다.

댐핑 기술

완벽하게 균형 잡힌 바퀴는 방위 소음과 모터 토크 잔물결에서 진동을 생성합니다. elastomeric 또는 금속 봄을 가진 연약한 산 절연체는 고주파 교란을 감쇠합니다. 조정된 대량 차단기는 때때로 바퀴 집합으로 통합됩니다. 중요한 신청을 위해, 전체 휠 고립 플랫폼은 우주선에 전달한 힘을 감소시킵니다.

시험 및 자격

모든 높은 토크 반응 휠은 spaceflight의 앞에 엄격한 테스트를 거친다.

자격은 다음을 포함합니다:

온도 사이클링: 험악한 극한의 뜨거운 냉온 조건.
진동 및 충격: 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의
Life testing: 고 토크에 진공에 년 동안 작동.
Torque 성능 매핑: 속도와 전압 범위의 출력을 검증합니다.
Microvibration 측정: 결과의 방해를 특성화합니다.

ECSS-E-ST-35-02C 주지사 시험 절차와 같은 표준. 반응 바퀴 테스트에 대한 상세한 사례 연구는 이 AIAA 용지에서 제공됩니다.

미래 혁신

재료 및 행동에 대한 사전은 높은 토크 기능을 약속합니다.

Superconducting 방위

높은 온도 superconducting (HTS) 방위는 회전자, 제거 기계적인 접촉 및 마찰을 높일 수 있습니다. 아직도 실험적인, HTS 방위 제안 가까운 무한한 생활 및 0 착용은, 매우 더 높은 속도 및 토크를 가능하게 합니다. 저온 냉각은 복잡성을 추가하고 그러나 극단적인 정밀도 및 장수를 요구하는 임무를 위해 다만ified 일지도 모릅니다.

Smart Materials 및 구조적 건강 모니터링

임베디드 센서 및 모양 메모리 합금은 자체 균형에 반응 휠을 허용하거나 구조적 인 뻣뻣함을 조정할 수 있습니다. 모터에 통합 된 압전 액추에이터는 실시간으로 진동을 대응 할 수 있습니다. 이 스마트 기능은 신뢰성을 높이고 크기 마진의 요구를 줄일 수 있습니다.

차세대 우주선 액추에이터에 대한 통찰력을 위해 NASA의 작은 우주선 기술 페이지를 참조하십시오.