Историческое развитие технологии реакционных колес в миссиях НАСА

Тихая революция: как реакционные колеса стали сердцем управления отношением НАСА

Ориентация космического корабля — способность направлять телескоп в далекую галактику, наводить антенну на Землю или удерживать солнечную батарею, заблокированную на солнце — является одной из самых фундаментальных проблем космического полета. Без точного контроля отношения обсерватория стоимостью в миллиард долларов становится слепым дрожащим кирпичом. На протяжении десятилетий НАСА полагалось на семейство электромеханических устройств, известных как реакционные колеса, чтобы выполнить эту задачу с удивительной точностью. Эти вращающиеся маховики, которые обмениваются угловым моментом с корпусом космического корабля, позволяют транспортным средствам вращаться без расхода топлива. Историческое развитие технологии реакционных колес — это история постепенной инженерной доработки, с трудом завоеванных улучшений надежности и неустанного стремления к точности указания, которая позволила некоторым из самых глубоких открытий человечества о Вселенной.

Понимание дуги этой технологии — от первых грубых колес импульса на ранних спутниках до передовых, отказоустойчивых сборок, летающих сегодня на космическом телескопе Джеймса Уэбба — показывает тихую революцию, которая сделала возможной современную космическую науку. В этой статье прослеживается эта дуга, исследуя технические вехи, неудачи, которые вынудили инновации, и новые технологии, которые будут формировать реакционные колеса для следующего поколения миссий в глубоком космосе.

Ранние инновации в управлении поведением космических аппаратов: бутылочное горлышко Трустера

В первые дни космической гонки управление отношением было делом грубой силы. Первое поколение космических аппаратов НАСА, включая Исследователь 1 (1958) и серию Маринер , отправленную на Венеру и Марс, полагалось почти исключительно на двигатели холодного газа или небольшие химические монопеллентные двигатели для маневров ориентации. Эти системы работали, вытесняя массу — газообразный азот, гидразин или другие ракетные двигатели — для создания силы реакции, которая вращала космический корабль. В то время как простые и эффективные для коротких миссий, двигатели несли фундаментальное ограничение: они потребляли конечное топливо. После того, как топливо исчезло, космический корабль стал невосприимчивым, часто бесконтрольно рушился, пока он не потерял связь или мощность.

Это ограничение стало острым по мере расширения продолжительности миссии. Планетарный пролет мог длиться недели или месяцы, но орбитальная обсерватория или зонд глубокого космоса, необходимые для поддержания ориентации в течение многих лет. Инженеры признали, что требуется другой физический принцип. Закон сохранения углового момента предлагал путь: вращающаяся масса внутри космического корабля могла обмениваться импульсом с телом транспортного средства без выброса какой-либо массы. При вращении маховика в одном направлении космический корабль вращался бы в противоположном направлении, чтобы сохранить полный угловой момент. Это была идея семени, которая переросла бы в технологию реакционных колес.

Ранние эксперименты с колесами импульса — вращающимися дисками, используемыми для обеспечения гироскопической стабильности — начались в 1960-х годах. Nimbus , метеорологическими спутниками и OAO-2 (Orbiting Astronomical Observatory 2, запущенный в 1968 году) несли некоторые из первых пассивных и активных устройств управления импульсом. OAO-2, в частности, продемонстрировал, что космический корабль может поддерживать стабильность направления в течение нескольких угловых секунд с использованием комбинации реакционных колес и звездных трекеров. Эти ранние системы были тяжелыми, энергоемкими и склонными к отказу подшипников, но они доказали концепцию. Путь от этих экспериментальных конструкций до высоконадежных колес сегодня требовал достижений в материаловедении, смазке подшипников, управляющей электронике и отказоустойчивой архитектуре системы.

Эволюция технологии колёсного взаимодействия: от простых маховиков до точных приборов

Реакционное колесо — это, по своей простейшей форме, относительно массивный ротор, приводимый в движение электродвигателем, установленный на подшипниках в герметичном корпусе. Когда двигатель ускоряет или замедляет ротор, он прикладывает к космическому кораблю крутящий момент. Для достижения полного трехосевого управления космический корабль обычно несет по меньшей мере три колеса, ориентированные вдоль ортогональных осей, часто с четвертым колесом, установленным на перекосе, для избыточности. Система управления командует токами двигателя для получения точных крутящих моментов, необходимых для достижения целевого профиля положения.

Инженерная задача заключается в деталях. Ротор должен быть идеально сбалансирован, чтобы избежать вибрации. Подшипники - исторически шарикоподшипники, работающие в масляных или смазочных смазках - должны работать в вакууме в течение многих лет без деградации. Двигатель должен производить плавный крутящий момент с минимальной пульсацией, чтобы избежать захватывающих структурных режимов. И управляющая электроника должна работать с высокой скоростью обновления, часто сотни раз в секунду, чтобы поддерживать стабильность. На протяжении десятилетий НАСА и его подрядчики добились устойчивых улучшений в каждой из этих областей.

Роль дизайна и смазки подшипников

Одной из наиболее важных подсистем в любом реакционном колесе является подшипниковая сборка. В вакууме пространства обычная смазка не срабатывает, потому что масла испаряются или мигрируют от контактных поверхностей. Ранние колеса использовали специально сформулированные смазки с низкими свойствами газирования, но они все еще деградировали с течением времени. Крупный прорыв произошел с разработкой осцилляторных систем смазки и пористых подшипников резервуара , которые непрерывно фиксируют небольшие количества смазки на шаровых контактах. Космический телескоп Хаббла , запущенный в 1990 году, получил выгоду от этой технологии, используя колеса, изготовленные Bendix (позже Honeywell), которые использовали запатентованную масляную конструкцию подшипников, способную работать более десяти лет. Инженеры также разработали магнитные подшипники подвески для

В то время как реакционные колеса обмениваются импульсом с космическим кораблем, Гироскопы движения (CMG) работают по другому принципу. CMG использует вращающийся ротор, установленный на подвесках; наклоняя подвесной винт, вектор углового момента ротора вращается, генерируя выход крутящего момента, который может быть намного больше, чем та же масса ротора может производить как реакционное колесо. CMGs торгуют сложностью для плотности крутящего момента — они могут производить очень высокие крутящие моменты для быстрого маневрирования на подвеске. NASA приняло CMG для Международной космической станции , где четыре больших двух-гимбаловых CMG обеспечивают основную способность управления отношением, сохраняя топливо, которое в противном случае было бы необходимо для управления на подвеске. космическая станция (1973) также использовала форму CMG, известную как система управления моментом, отмечая одно из самых ранних оперативны