Использование реакционных колес в планетарных разведочных роверах и посадочных модулях

Оригинальное название: The Quiet Precision of Reaction Wheels

В суровом вакууме космоса и по пыльным поверхностям других миров поддержание ориентации космического корабля & #8217 является постоянной проблемой. Без стабильной платформы, изображения с высоким разрешением, точные научные измерения и надежные коммуникации становятся невозможными. Реакционные колеса - это невоспетые герои, которые обеспечивают эту стабильность. В отличие от двигателей, которые потребляют драгоценное топливо и производят шлейфы, которые могут загрязнять датчики, реакционные колеса обеспечивают бесшумное, точное и экономичное управление положением, используя не что иное, как быстро вращающиеся маховики. Для марсоходов и посадочных аппаратов планетарного исследования эти устройства - не просто компоненты - они являются основой успеха миссии.

Реакционные колеса работают по простому, но элегантному принципу: сохранение углового момента. Вращающееся колесо внутри космического корабля хранит угловой момент. Когда космический корабль должен вращаться, двигатель ускоряет или замедляет колесо, а сам космический корабль вращается в противоположном направлении, чтобы сохранить полный системный импульс. Эта передача импульса позволяет исключительно точно управлять направлением, с точностью, измеренной в угловых секундах, без необходимости вытеснять массу. Объединив три или более реакционных колес, ориентированных вдоль ортогональных осей (плюс избыточный запас), космический корабль может достичь полного трехосного управления. Эта способность особенно важна в планетарных средах, где двигатели могут быть непрактичными из-за ограниченного топлива, рисков загрязнения или необходимости нескольких маневров в течение длительного срока службы миссии.

Физика за реакционными колесами коренится в законе сохранения импульса. Когда двигатель прикладывает крутящий момент к маховику, маховик набирает угловой момент. Космический корабль, будучи остальной частью системы, получает равный и противоположный угловой момент, заставляя его вращаться. Чем тоньше управление крутящим моментом, тем меньше шаг вращения - вниз к микрорадианам. Эта точность лежит в основе всего от телескопа, указывающего на сочленение мачты ровера. Поскольку реакционные колеса не потребляют топливо (только электричество от солнечных панелей или RTG), они позволяют миссии, которые последние годы или даже десятилетия без массового штрафа топлива.

Реакционные колеса в планетарных роверах и посадочных модулях: больше, чем просто навигация

Планетарные роверы и посадочные аппараты должны выполнять разнообразный набор задач, каждая из которых требует определенной ориентации. Реакционные колеса являются центральными для этих операций. Например, спускаемый к Марсу посадочный модуль должен держать свой тепловой экран направленным вперед, затем после развертывания парашюта он должен переориентироваться на использование своего радара для измерения высоты. На поверхности ровер, такой как Perseverance, должен направить свою антенну с высоким коэффициентом усиления к Земле для связи, выровнять свои камеры для панорамной визуализации и стабилизировать свою роботизированную руку во время сбора образцов. Реакционные колеса обеспечивают эти настройки отношения с высокой пропускной способностью и низким джиттером, часто работая совместно со звездными трекерами, инерциальными единицами измерения (IMU) и датчиками солнца.

Ключевые роли на этапах миссии

Спуск и посадка:] Во время входа, спуска и посадки (EDL) реакционные колеса поддерживают ориентацию космического корабля через атмосферный интерфейс.На Марсе миссия Mars 2020 использовала реакционные колеса для точной настройки ориентации стадии спуска относительно земли, гарантируя, что маневр небесного крана точно опустил ровер. Без реакционных колес стрельба по тяге вызвала бы дополнительное колебание и могла бы нарушить место посадки.

Поверхностные операции:] Оказавшись на земле, роверы используют реакционные колеса для рутинного наведения. Мачтовые приборы (Navcam, Mastcam-Z, SuperCam) требуют стабильного наведения при визуализации целей. Колеса реакции позволяют быстро перенацеливать несколько целей без потери мощности. Система мобильности также приносит пользу: когда ровер ездит по неровной местности, его корпус может крениться и катиться. Колеса реакции помогают поддерживать уровень тела, защищая чувствительную электронику и поддерживая выравнивание антенн.

Поддержка научных приборов:] Многие приборы требуют точной ориентации. Например, Mars Hand Lens Imager (MAHLI) на Curiosity должен быть расположен в миллиметрах от поверхности скалы. Сочленению руки марсохода способствует стабильность, обеспечиваемая реакционными колесами, которые компенсируют крутящий момент руки в реальном времени. Аналогично, спектрометры, которые полагаются на четкую линию зрения на солнце для калибровки, должны поддерживать свои входы выровненными в пределах плотных допусков.

Наведение на связь:] Роверы общаются с орбитальными аппаратами и непосредственно с Землей через направленные антенны. Антенны X-диапазона и УВЧ должны указывать в пределах доли градуса, чтобы максимизировать пропускную способность данных. Колеса реакции настраивают ориентацию ровера, чтобы следовать за проходом орбитального аппарата, а затем быстро переориентируются на следующую цель. Эта возможность особенно важна для ровера Perseverance, который передает научные данные с высокой скоростью через орбитальный аппарат Mars Reconnaissance.

Преимущества колёс реакции над альтернативными системами контроля над отношением

Проблемы и ограничения: цена точности

Несмотря на свои преимущества, реакционные колеса имеют значительные инженерные проблемы, с которыми должны тщательно справляться планировщики миссий.

Моментальная насыщенность и денатурация

Реакционные колеса сохраняют угловой момент, поскольку они вращаются быстрее. Со временем непрерывные внешние крутящие моменты (например, атмосферное сопротивление на низких орбитах, градиенты гравитации или трение колес) заставляют колеса вращаться до максимальной номинальной скорости - обычно несколько тысяч оборотов в минуту. Когда колесо достигает предела насыщения, оно больше не может обеспечивать крутящий момент в направлении, которое увеличило бы его скорость. Космический корабль должен затем перенасыщать колеса, применяя внешний крутящий момент, обычно через двигатели. Этот маневр десатурации потребляет топливо и вводит само загрязнение шлейфа, которого должны были избегать реакционные колеса. На планетарных роверах десатурация встречается реже, потому что ровер сидит на земле (большие нарушения минимальны), но это остается проблемой во время фазы круиза на Марс. Понимание и прогнозирование насыщения имеет решающее значение для планирования миссии; инженеры разрабатывают законы управления, которые уравновешивают импульс среди всех колес, чтобы отсрочить насыщение как можно дольше.

Механическое ношение и трение подшипников

Реакционные колеса имеют движущиеся части: маховик вращается на подшипниках, которые работают в вакууме или средах низкого давления. Со временем смазка испаряется или деградирует, а поверхности подшипников изнашиваются. Это может привести к увеличению трения, дрожания или даже катастрофическому отказу. Космический телескоп Kepler лихо потерял два из своих четырех реакционных колес, завершив свою основную миссию. На планетарных роверах колесо защищено внутри корпуса ровера, но тепловой цикл и излучение все еще могут деградировать подшипники. Инженеры используют надежные подшипники (например, закаленные стали с гибридными керамическими шариками) и вакуумно-совместимые смазочные материалы для продления жизни. Некоторые передовые конструкции используют магнитные подшипники для устранения механического контакта, хотя они тяжелее и сложнее.

Вибрация и джиттер

Реакционные колеса по своей природе в некоторой степени неуравновешены. По мере вращения дисбалансы производят вибрацию на частоте вращения колеса и его гармониках. Эта вибрация может размывать изображения, нарушать чувствительные инструменты или вызывать структурные резонансы. Для смягчения дрожания реакционные колеса тщательно уравновешиваются по массе на заводе, а ротор предназначен для жесткости. Колеса установлены на изоляторах вибрации (например, мягких пружинах или вязких амортизаторах), которые ослабляют передачу вибраций на космический корабль. Активные системы балансировки также могут регулировать износ с течением времени. Для ровера Perseverance реакционные колеса были специально разработаны для создания дрожания ниже 0,1 микрорадиана, чтобы камеры высокого разрешения могли захватывать резкие изображения.

Управление энергией и теплом

Вращение тяжелого колеса потребляет электрическую энергию, пропорциональную крутящему моменту. Пока реакционные колеса простаивают, реакционные колеса все еще должны поддерживать минимальную скорость, чтобы поддерживать смазку подшипников (предотвращая износ в сухом режиме). Этот «смещение импульса» потребляет базовую мощность в десятки ватт. Кроме того, двигатель и подшипники генерируют тепло, которое должно быть излучено. На ровере с ограниченной мощностью от радиоизотопного термоэлектрического генератора (RTG) или солнечных панелей эта тепловая нагрузка может напрягать систему теплового управления. Инженеры тщательно планируют использование реакционного колеса, чтобы выровнять пиковое время солнечной энергии и управлять отторжением тепла через панели радиатора.

Реакционные конфигурации колес, используемые в планетарных миссиях

Дизайнеры космических кораблей обычно устраивают реакционные колеса в пирамиде или тетраэдрической геометрии с четырьмя колесами: три для управления тремя осями и четвертое перекошенное для избыточности. Миссия Mariner 10 на Венеру и Меркурий использовала три ортогональных колеса; современные марсоходы, такие как Curiosity и Perseverance, используют четырехколесные установки. Каждое колесо может производить максимальный крутящий момент в несколько десятых ньютон-метра и сохранять импульс порядка 10-50 Нмс. Система управления распределяет командные крутящие моменты среди всех здоровых колес с использованием метода инверсии матрицы, минимизируя скорости колес и избегая насыщения. В случае отказа колеса матрица управления пересчитывается для оставшихся трех колес, жертвуя некоторым крутящим моментом, но сохраняя полный контроль. Эта надежная архитектура была проверена на местах во многих миссиях, включая орбитальные аппараты, такие как Mars Global Surveyor и Odyssey, которые проложили путь для приложений ровера.

Оригинальное название: Reaction Wheels in Action on Mars and Beyond

Марсоходы для исследования (Spirit and Opportunity)

Близнецы MER роверы Spirit и Opportunity несли одно реакционное колесо в рамках своей системы управления на основе гироскопа. Однако они больше полагались на двигатели для больших маневров во время круиза и EDL. После того, как на поверхности, роверы использовали реакционное колесо в сочетании с датчиками солнца для поддержания ориентации для связи и визуализации. Расширенная девятилетняя миссия Opportunity продемонстрировала надежность конструкции, хотя диапазон скорости колеса был ограничен для защиты от насыщения без десатурации двигателя на поверхности.

Марсианская научная лаборатория (Curiosity)

На спуске Curiosity использовала набор из восьми реакционных колес — четырех основных и четырех запасных — для достижения беспрецедентной точности, необходимой для посадки небесного крана. Эти колеса были больше и мощнее, чем те, которые использовались на MER, способные обрабатывать массу ровера во время фазы зависания. На поверхности Curiosity имеет четыре реакционных колеса, которые обеспечивают контроль отношения для его мачты и руки. За свою десятилетнюю миссию колеса выполняли безупречно, с незначительными признаками деградации подшипников. Инженеры периодически выполняли маневры управления импульсом, чтобы держать скорости колес в пределах.

Марс 2020 (Настойчивость)

Упорство унаследовало и улучшило систему реакционных колес Curiosity. Колеса улучшили несущие сборки и улучшили вибрационную изоляцию. Поскольку Perseverance несет новые инструменты, такие как генератор кислорода MOXIE и лазер SuperCam, требования к наведению еще более жесткие. Система реакционных колес поддерживает автономные операции «выгляд и выстрел», когда лазер стреляет по каменным целям, в то время как марсоход неподвижен. В течение первого года на Марсе колеса позволили более 2000 операций наведения без какой-либо аномалии.

Лунные посадочные аппараты (Surveyor and Chang’e)

Реакционные колеса не ограничиваются Марсом. Сюрвейерские посадочные аппараты (1960-е годы) использовали двигатели холодного газа для контроля отношения, но современные лунные посадочные аппараты, такие как китайский Chang'e-3 и Chang'e-4, используют реакционные колеса во время фаз спуска для поддержания правильной ориентации. Спусковой модуль Chang'e-4, который приземлился на обратной стороне Луны, использовал реакционные колеса для удержания своих антенн, направленных на Землю, для ретрансляции связи через спутник Queqiao. Кроме того, предстоящие миссии NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS) будут включать реакционные колеса для точного выбора места посадки и предотвращения опасности.

Будущие разработки: умнее, легче, надежнее

По мере того, как миссии приближаются к более длительным срокам и более требовательной науке, технология реакционных колес продолжает развиваться. Появляется несколько многообещающих тенденций:

Advanced Composite Flywheels

Традиционные реакционные колесные роторы изготовлены из металлов, таких как сталь или титан. Новые композиционные материалы - полимеры, армированные углеродным волокном, или передовая керамика - предлагают более высокие соотношения прочности к весу, позволяя хранить тот же импульс с более легким колесом. Уменьшение массы колеса освобождает полезную нагрузку для инструментов или топлива. Европейское космическое агентство протестировало композиционные колеса для миссии JUICE на ледяные луны Юпитера, и аналогичные конструкции могут быть адаптированы для будущих миссий возвращения образцов Марса.

Магнитные подшипники и конструкции с нулевым трением

Механические подшипники являются основным ограничителем срока службы. Исследователи разрабатывают магнитные подшипники, которые левитируют ротор с помощью электромагнитов, полностью устраняя механический контакт. В то время как магнитные подшипники требуют мощности и сложной управляющей электроники, они обещают неопределенный срок службы и почти нулевую вибрацию. Прототип магнитных реакционных колес подшипников был испытан в вакуумных камерах, а некоторые летали на небольших спутниках. Масштабирование их до уровней крутящего момента, необходимых для больших роверов и посадочных аппаратов, является активной областью исследований.

Алгоритмы интегрированного управления

Современные системы управления используют адаптивные и прогнозные алгоритмы для более интеллектуального управления скоростью и денасыщением колес. Модели машинного обучения могут прогнозировать крутящие моменты внешних возмущений на основе активности ровера и планировать оптимальную траекторию скорости колеса. Это снижает частоту маневров денасыщения двигателя и продлевает срок службы колес. Например, ровер, собирающийся проехать по грубому патчу, может временно увеличить скорость колеса для создания импульсной способности для ожидаемого возмущения.

Миниатюризация и влияние CubeSat

Успех CubeSats привел к разработке крошечных высокоэффективных реакционных колес, которые потребляют всего несколько ватт и хранят несколько милли-Ньютон-метровых секунд. Эти колеса могут использоваться на небольших посадочных модулях или канистрах возврата образца. Предстоящая миссия Mars Microsample Return может включать такие миниатюрные колеса для ориентации орбитального контейнера для образцов по мере его извлечения.

Гибридные системы с гироскопами контрольного момента

Гироскопы управляющего момента (CMG) обеспечивают гораздо более высокий крутящий момент, чем реакционные колеса, имитируя быстро вращающийся ротор. CMG используются на Международной космической станции, но редко летают на планетарных роверах из-за сложности. Однако для крупных роверов, таких как будущий марсианский ровер с полезной нагрузкой 1000 кг, CMG могут обеспечить более быструю артикуляцию и более надежную стабильность во время высокоскоростного вождения. Некоторые предложения сочетают реакционные колеса (для точного наведения) с CMG (для грубых маневров с высоким крутящим моментом) в гибридной системе.

Заключение: Тихая революция в управлении космическими аппаратами

Реакционные колеса оказались незаменимыми для марсоходов и посадочных аппаратов планетарного исследования. Их способность доставлять точные, экономичные и чистые средства контроля отношения позволила миссии беспрецедентного долголетия и научного возвращения. От пыльных равнин кратера Гусева до дельты кратера Джезеро, от лунных нагорий до ледяных лун внешней Солнечной системы, эти тихо вращающиеся маховики будут продолжать указывать путь для роботизированных исследователей человечества. По мере того, как инженеры совершенствуют технологию подшипников, внедряют более умные алгоритмы управления и исследуют магнитную левитации, реакционные колеса останутся в центре планетарного контроля отношения на десятилетия вперед.