Küçük uydu mühendisliğinin hızla genişleyen domaininde, reaksiyon tekerlekleri yüksek çözünürlükte tutum kontrolü elde etmek için temel bir teknoloji olarak ortaya çıktı. Geleneksel geostations, reaksiyon tekerlekleri üzerinde grafik, kütle ve güç (SWaP). Bu makale, grafik teorisi, uygulama, operasyonel zorluklar ve gelecekteki evrimleri belirli bir bağlamdan farklı olarak, CubeSats ve uydular.

Hassasiyet Fiziği: Momentum Exchange Principles

Uzaydaki yetenek kontrolü, bir düzlemsel momentumun korunması tarafından yönetilir.Bir uzay tekerleği ile donatılmış bir uzay aracı için, sistemin toplam angular ivmesi uzay düzleminde bir ivme ve dönüşen uçan hızın merkezi hakkında geçiş yapar. elektronik olarak motoru hızlandırarak, bir tekerlekle transfer edilir, bu transfer, uzay aracı üzerinde bir reaksiyon toplanılır.

Euler'in rotasyon denklemleri tarafından temel ilişki verilir. Basitleştirilmiş bir şekilde, uzay aracına uygulanan tork, tekerlekin angular momentumunun değişimine eşitdir.Eğer tekerlek hızlandığında, uzay aracının tam bir ivmeyi korumak için tam bir tepkiyi ayırt etmelidir.Bu mekanizma, son derece iyi ayarlamalar için, işaretli periyoducun yayıcısı olmadan, sabit bir sertlik sağlama yeteneğine eşit.

Bir reaksiyon tekerleğinin performansı üç anahtar parametre tarafından tanımlanır: maksimum tork, maksimum momentum depolama kapasitesi ve tork çözünürlüğü.kk, uzay aracının angular ivme kapasitesi, ivme depolama kapasitesi, tekerleklerin nasıl daha önce çalışabileceğini ve çözümün en küçük olası tavır ayarlamasını tanımlar.In CubeSats, bu parametreler mevcut otobüs gerilimi (tipik olarak 3.3V ila 12V) tarafından sıkı bir şekilde sınırlandırılır.

CubeSat Reaction Wheels

Motor ve Taş Tasarımı

Modern CubeSat tepki tekerlekleri neredeyse sadece fırçasız DC (BLDC) motorlarını yüksek verimlilikleri, mükemmel ton-to-volume oranı ve fırça aşınması eksikliği. Motor, bakır rüzgarlı ve uçan bir mıknatıslı rotorla birlikte bir şekilde çalışır.

Bu yatak seçimi en kritik mühendislik kararlarından biridir. Uçuş tabanlı tekerleklerin büyük çoğunluğu önceden yüklenmiş bir angular temas topları kullanır.Bu yataklar düşük ücretli taşımalar nedeniyle yüklenebilir ve vakumlama tasarımları, aktif manyetik yatakları keşfetmeye başlıyor (AMBs) Bu nedenle fiziksel temas ve aşınmayı sağlar ve aşınmaya ve aşınmaya daha karmaşık bir geçiş sağlar.

Flywheel Materials and Geometry

Uçan tekerlekin an inertia (MoI) birim hız başına depolanan ivmeyi diktir. Düşük kütleli bir bütçe içinde MoI'yi en yüksek çözünürlükte yoğun alüminyum alaşımların bazen daha az kritik olduğu yüksek çözünürlükte yüksek olan yüksek yoğunluk için kullanılır. TCB, kompakt bir form faktörüne izin verir, ancak makine ve nispeten pahalıya bağlı olarak yüksek çözünürlükte alüminyum alaşımlar.

Uçan montajı minimaj mikro-vibrasyon için gereklidir. Statik ve dinamik dengesizlikler spin frekansında rahatsızlıklar üretir ve harmonikleri. Optik dengeyi 0,5 g-mm'den daha iyi dengelemek görüntüleme görevleri için standarttır. Bazı yüksek uç tekerlekler, montaj sonrası iyi dengeyi içerir.

Kontrol Elektronik ve Telemetri

Rejim tekerleği, uzay aracının tutum kararlılığı ve kontrol sistemi ile elektronik arayüz (ADCS) Tipik bir tekerlek meclisi, dijital mevcut veya hız döngüsü çalışan bir mikrokontrol cihazı içerir. Komut mesajları seri otobüsleri üzerinden gönderilir (I2C, veya RS-422) istenen torklama cihazı veya hız sağlar.

Telemetri kanalları genellikle tekerlek hızı (RPM), motor akımı (90), bus gerilim (V), ve iç sıcaklık (C) Sıcaklık izleme kritik, motordaki güç dağılımı ve motordaki motorlarda güç dağılımı olarak yapılmalıdır. Aşırı ısıtma, rotor mıknatıslarının veya yağlayıcı başarısızlığının ortadan kaldırılmasına yol açabilir.

Eleştirel Meydan: Momentum Yönetimi ve Desaturation

Reaksiyon tekerlekleri, bir yönde sonsuza kadar geri dönemez. Dış rahatsızlık torklar sürekli olarak uzay aracına bir ivme kazandıramaz. Zamanla, bu rahatsızlıklar, en yüksek derecelerini hızlandırmaya yardımcı olur, doyduğu bir koşul, bir kez doygunluk olarak bilinen bir şekilde, tekerlek yavaş yavaş yavaşlanamazsa daha fazla momentum inşasına yol açabilir.

Bir CubeSat'de hareket eden birincil rahatsızlık torkları, yerçekimi gradient, aerodinamik sürüklenme (özellikle düşük Dünya yörüngesinde 400 km), güneş radyasyon baskısı ve Dünya manyetik alanı ile ilgili manyetik dipol etkileşimleri. Tipik 3U CubeSat 500 km Güneş-enk bir yörüngede, aerodinamik ve gradient ton tonklar arası mesafe 1 ila 10 mNms permasi ile bağlantılı olarak.

Tekerlekleri ortadan kaldırmak için, uzay aracı aşırı momentumu terk etmek için dış bir tonktur. CubeSats'teki en yaygın yöntem manyetik torklar (magnetorklar) kullanımıdır. Bu, düşük çözünürlükte etkileşime giren manyetik bir diyar, manyetik toparlamalar için yüksek irtifalarda metallere yakın olarak kullanılabilir hale gelir.

Yüksek çevik manyetik ortamlarda yüksek çeviklik veya işletim gerektiren takımyıldızlar (örneğin, LEO’nun ötesinde), soğuk gaz itkileri veya direnişçiler, rutin operasyonlar için sağlam bir dış tork üretirler. Ancak, pervanant ve limitli misyon hayatını tüketirler.

Saldırganlık, Stability ve Jitter Mitigation

Yüksek performanslı Dünya gözlem ve optik iletişim sadece doğru işaret değil, yüksek işaretli stabilite. tepki tekerlek mikro-vibrasyona neden olan Jitter genellikle görüntü kalitesindeki sınırlayıcı faktördür. Bir spin tekerleğinin sinir-band tones içerir.Bu tonesler, uzay aracı otobüs veya optik yükte yapısal rezonansları heyecanlandırabilir, bulanıklaştırmaya yol açar.

Mitigating jitter çok katmanlı bir yaklaşım gerektirir. Tekerlek seviyesinde, hassas dengeleme, kontrol sistemindeki rahatsızlıkların boyutunu en aza indirmek için tekerleklerin hızları veya "kayıt bölgeleri"nin, yüklerin kritik yapısal modlarla çakışan hızları atması için gerekli olduğu durumlarda uygulanır.In the tekerlek seviyesi, pasif titreşimler (örneğin, ip isolators veya elastomerik arsalar) mekanik olarak yüksek frekanslı yüksek frekanslı rahatsızlıklar.For tasks demand to jump that the highest stability, aktif izolasyon platformları using böpücüler gerçek zamanlı olarak iptal edebilir.

Slew çeviklik, reaksiyon tekerleğinin maksimum torkunun doğrudan bir işlevidir. Yüksek tork, güç tüketimi ve termal yük için yüksek çevikliği yönlendiren büyük motorlar ve yüksek akım gerektirir. Belirli bir otobüs büyüklüğü için, mühendisler maksimum oran arasındaki ticaret yapmalıdır, zaman ayırın ve stabiliteyi işaret edebilir. Hızlı bir slew yerleşmeye saniyeler sürebilir, hızlı bir şekilde yüksek çevikliği hızlı bir şekilde satın alma fayda sağlar.

Güvenilirlik ve In-Orbit Başarısızlık Modular

Mekanik güvenilirlik, reaksiyon tekerlekleri için birincil endişe kalır. Kapak meclisi tipik bir CubeSat'de tek hareket eden ve aşırı sıcaklık bisikleti altında bir vakumda çalışır.

Elektronik başarısızlıklar da endişe vericidir. Motor sürücü transistörleri, latch-up olaylarından kurtarmak için tek yol göstericileri deneyimleyebilir ve kontrol mantığı tek bir engeli bozabilir (SEUs). Robust, üç tane kırmızıdan (TMR) kontrol mantığına göre, mevcut limitli ve saatli zamanlayıcıları latch-up olaylarından kurtarmak için.

Wheel redüpsi genellikle bir tetrahedral veya "4-wheel piramidi" montaj konfigürasyonu ile yönetiliyor, böylece üç veya üç veya dörtlü ax bile başarısız bir tekerlekle kontrol edilir. kırmızıdan dördüncü tekerlek tam 3 eksen kontrol yetkisi sağlar, en yüksek tork ve depolama kapasitesi ile sabitlenir.Bu kırmızıdanlık, uzun vadeli bilim platformları veya ticari takımyıldızlar gibi yüksek güvenilirlik gerektiren tüm görevler için standarttır.

Gerçek dünya misyonu verileri, operatörlerden gelen 03. Dünyaca yapılan görev verileri, önceden yük yöntemleri, vakum yağı teknikleri ve radyasyon sertleştirme yöntemlerinde çok yıllık operasyonel yaşamlara ulaşabilir.

Entegrasyon ve Test Önce Başlatmak

Test tekerleği performansı başlamadan önce titiz bir süreçtir. Montaj sırasında, tekerlek belirli bir retorik dengesizlik için dengelidir. Rastgele titreşim ve sine patlama testi, taşıyıcıların hasarsız 10-20 g hızlarına dayanabilmesi için başlangıç ortamını simüle eder.

En önemli testlerden biri, tekerleğin düşük hızlarda torkunun ölçümüdir. Statik sürtünme (stiction) in the rolls can reason a died to the correct. Bu etki degrads işaret eden operasyonlar sırasında performans işaret eder.Testler, tekerlekin stiction üstesinden gelebileceğini ve komuta tork seviyelerinde pürüzsüz bir rotasyon elde edebileceğini varsayar.

Entegre uzay aracının inertia ölçümü de kritiktir.Inertia Tenor, ADCS kontrol kazanımlarını ayarlamak için doğru bir şekilde bilinmelidir.Inertia matrixinde hatalar, kasvet sırasında dengesizliğe yol açabilir.

Future Developments ve Gelişen Teknolojiler

Birkaç araştırma ve geliştirme yolları, küçük uydular için reaksiyon tekerleklerinin kapasitesini artırmak için hazırlanmaktadır. Kontrol an gyroskopları (CMGs) CubeSat uygulamaları için mini bir tonturize edilir.Bir CMG, yüksek seviyeli görevler için bir gimbal kullanır.

Aktif manyetik yataklar (AMBs) bir sonraki sınırı tekerlek güvenilirliği ve performansında temsil eder.Speçeli alanları kullanarak rotoru kullanarak şarj ederek, AMBs mekanik temas, sürtünmeyi ortadan kaldırır ve aşınmaya devam eder.Bu, uzun süreli operasyonel yaşam, yüksek spin hızları ve yağ kirliliğini ortadan kaldırmak için gerekli olan güç, ve yağ kirliliğini ortadan kaldırmak için gerçek zamanlı olarak devre dışı bırakabilir.

Enerji depolama tekerlekleri (ESW), veya enerji depolama sistemleri, bir reaksiyon tekerleğinin ve bir bataryanın işlevlerini birleştirir (çok yüksek hızlarda bir rotoru çekerek), kinetik enerji depolanabilir ve daha sonra tekrarjeneratif frenleme ile elde edilebilir.Bu konsept, içinde çalışan CubeSat takımyıldızlar için incelenebilir ve lityum iyon bataryalarının kütle ve döngüsü kısıtlayıcılarını azaltabilir.

Katkıda bulunan ilerlemeler, yapısal başarısızlık olmadan daha yüksek spin hızlarına izin veriyor, doğrudan aynı hacimde ivme depolama kapasitesinin artırılmasına olanak sağlıyor. Topology Optimizasyonu yüksek MoI-to-mass oranlarıyla uçabiliyor, stres konsantrasyonlarını azaltırken, patlama marjında ve inertia performansında umut verici sonuçlar gösteriyor.

Son olarak, dağıtılmış ve kesilmiş uzay aracına yönelik eğilim, çok küçük uzay aracı için yararlı momentum depolamasını sağlamak için ultra-miniaturized reaksiyon tekerlekleri için talep ediyor.0)NASA'nın Küçük Uzay Teknolojisi programı[FLT 1: 1U ve 2U platformları kullanarak bu bileşenlerin gelişimini destekledi.

Özetle, tepki tekerlekleri CubeSats ve minyatür uydularda hassas tutum kontrolü için temel taşıtıcı olarak kalır.Onlar, yüksek performanslı Dünya gözlem, iletişim ve bilim misyonlarının çoğalmasına olanak sağlar.Dörtücük, mekanik aşınma ve mikro-vibrasyonun rolü devam ederken, yüksek çözünürlükte daha fazla yatırım yapmaya devam eder ve sistem entegrasyonu, yüksek performanslı enerji verimliliği sağlamak için sürekli olarak barı yükseltebilir.