Harsh Ortamlarında Genişletilmiş Uzay Misyonları için Reaksiyon Tekerlekleri Tasarlamak

Reaksiyon tekerlekleri, Ay veya Mars'ta sert tozların en kritik bileşenleri arasındadır, ancak uzun süredir en başarısız alt sistemlerden biri de fiziksel bakımsız görevler için tepki tekerlekleri korumak zorundadır.Bu nedenle, yüksek uzay görevleri için yüksek teknolojilere olan derin bir teknoloji, termal mühendislik, mekanik güvenilirlik ve titiz testlere yaklaşımınızı teşvik etmek için.Bu makale, tekerleklerin temel işletim prensiplerini, aşırı yaşamdaki adımların ortaya çıkardığı olağanüstü zorlukları araştırmak zorundadır.

Reaksiyon Tekerlekleri Nedir?

Bir reaksiyon tekerleği, genellikle bir metal veya kompozit disk, bir elektrikli motor tarafından yönlendirilir. Tekerlekleri hızlandırarak, uzay aracı, Newton'un üçüncü yasasına göre eşit ve tam bir tork yaşar, tekerlek eksenlerinin etrafında döndürmeye neden olur. Rezminasyona izin verir - persaniyeler - önlenmeden, onları işaret eden cihazlara, antenlere ve güneş dizilerine göre temellendirmeye izin verir.

Mekanik kontrol sağlayan ve süresiz pervanant kullanan, reaksiyon tekerlekleri elektrik gücü mevcut olduğu sürece süresiz olarak çalışır. Ancak, sadece bir şarj limitiyle bir uzay aracı ile bir araya gelebilirler.Bir tekerlek maksimum spin oranına ulaşırken, uzay aracının “desaturate” için iter veya manyetik tork kullanması gerekir.

Harsh Ortalarında Meydanlar

Uzun süredir kullanılan reaksiyon tekerlekleri düşük Dünya yörüngesinde bulunanların çok daha fazla koşullarına katılmalıdır. Deep space, gezegensel yüzeyler ve yüksek hacimli bölgeler aşınmayı hızlandırabilecek bir stres ünitesidir ve ani başarısızlıklara neden olur.

Termal Yönetim

Uzaylı bileşenler aşırı sıcaklık hızlarını deneyimliyor - derin alanın karanlığında yüzlerce dereceden gölgede derin soğukluğa kadar soğuk. Reaksiyon tekerlekleri, pasif ve aktif önlemlerden oluşan ısıtıcı parçaları kullanarak iç ısıyı ele geçirebiliyor: çok fazla yalıtım şeritleri, radyatörler ve ısıtıcı arayüzler. Örneğin, James Webb Uzaydaki reaksiyon tekerlekleri ve elektronik mühendisleri, bazı ısıtıcı parçaları (MLI) bazılarında ısıtılır.

Tekerlek meclisindeki ısıtıcılar da farklı genişlemeye, rotora veya terminolojiye karşı savaşmasına ve dengesizlike, vibrasyona ve olaysal taşıma başarısızlığına yol açabilir. Finite element analizi (FEA) termal genişleme modeline kullanılır ve bu izinlerin görevin termal profiline karşı tolerans sağlar.

Radyasyon Sertleştirici

Ionating radyasyon - güneş parçacık olaylarından, kozmik ışınlarından ve kapalı radyasyon kemerleri - elektronik kontrol kuruluna, üşük yalıtıma ve motor mıknatıslarının manyetik özelliklerini değiştirmek.Tek-event üzgünler (SEUs) kontrol veya komutlamaların anlık kaybına neden olabilir. Radyasyon etkilerini azaltmak için, reaksiyon tekerleği meclisleri, radyasyona dayanıklı bileşenleri kullanabilir (örneğin, >100 krad toplam doz için derecelendirilebilir.

Radyasyon ayrıca, uzun polimer zincirlerini kırarak ve yakındaki optik komplikeleri azaltabilecek gazları da etkiler. Bu özellikle hassas bilimsel araçlar için kritiktir.

Mekanik Stresler ve Titreşim

Yükler konu tepki tekerlekleri ciddi titreşim ve şoka - bazı durumlarda 30 g'ye kadar. Operasyon sırasında, tekerlek dengesizlikleri ve kusurların hassas yüklerin işaretini bozabilecek mikrovibrasyonlar oluşturur ve böylece monte edilen arabirimler.

Gezegensel yüzey uygulamaları, Mars'ta bir rover gibi, reaksiyon tekerlekleri de kaba araziden geçici şakalar yaşayabilir, ancak çoğu gezegensel rovers, reaksiyon tekerleklerinden ziyade diferansiyel direksiyona güvenir.For space that dock or land, pirotechnic şoku de tekerlekin yorgunluk yaşam analizinde dikkate alınmalıdır.

Vakum ve manion

Sert bir vakum, konvektif soğutmayı ortadan kaldırır ve uçucu malzemelerin buharını hızlandırır. Dünya atmosferinde iyi çalışan Lubricants aşırı düşük buhar basıncı ile uzayda hızla yavaşlayabilirler. Bazı tasarımları ve moleküler hearing. Geleneksel petrol bazlı yağlar uygun değildir; bunun yerine, uzay için reaksiyon tekerlekleri katı yağlar kullanır (örneğin, molybdenum kaplamaları) veya gelişmiş yağları en düşük buhar basıncı ile en aza indirmek için mühürlenir.

Bir başka vakumla ilgili meydan okuma metal yüzeyler arasında soğuk kaynaktır - temastaki metal parçalar vakumda bağlanabilir. Havuzlar soğuk kaynak önlemek için uygun yüzey tedavileri veya kaplamalar ile tasarlanmalıdır ve metal-metal temaslarından sonra bile yeterince emin olmalıdır.

Konminasyon ve Kısmi Madde

Gezegensel yüzeylerde veya düşük yörüngelerde, reaksiyon tekerlek konutları, partikülleri veya dengesizlikleri artırmak için toz veya mikrometeoroid etkiler yaratabilir.Ay'ın iyi, aşındırıcı regolith özellikle sorunlu; rotorta sızmak ve hızlı taşıma yapmak için. - Ay veya Martian yüzey sistemleri için, reaksiyon tekerlekleri, partikülleri veya manyetik süspansiyonu ingresyondan kaçınmak için baskı gerektirir.

Durability için Tasarım Stratejileri

Mühendisler, tipik beş yıllık tasarım ömrünün ötesinde reaksiyon tekerleği hayatını genişletmek için en iyi uygulamaları geliştirdiler. Bu stratejiler, tekerlek sisteminin her yönünü, elektroniklerin yapısal entegrasyona kadar kapsadığı yönünden kaplamaktadır.

Asp Sistemleri

Taşınma mekanizması, tepki tekerlekleri ile en yaygın başarısızlık noktasıdır. Friction, aşınma ve yorgunluk başarısızlıktan önce devrim sayısını sınırlandırır.Yaşamı en üst düzeye çıkarmak için tasarımcılar paslanmaz çelik veya seramik ( ⁇ nitride) Hybrid yatakları dengelemek ve daha yüksek sertlik sunar, aşınmak için taşıyıcılar kesintiye uğrarlar.

Son derece uzun görevler için (15+ yıl), kırmızı taşıma sistemleri önerildi, ancak kütle eklemek için bazı tasarımları fiziksel temasları tamamen ortadan kaldırmak için aktif manyetik yataklar içeriyor, ancak bunlar sürekli güç ve kontrol elektronikleri gerektirir.

Motor Tasarım

Elektrikli motor, rahatsızlıkları tanıtmak için minimum kogging ile pürüzsüz toplanmalıdır.Zücretsiz DC motorlar (BLDC) ile sinüsoidal arka-EMF, düşük kople ve yüksek güvenilirlikleri için tercih edilir (göstermeler için fırçalar) Rotor sık sık sık sık samarium-cobalt (SmCo) magnetleri ile kalıcı bir mıknatıslar oluşturur ve neodymium mıknatısları ve radyasyona daha iyi reaksiyon verir.

Motor kontrolörleri mevcut algılama ve yumuşak başlangıç algoritmalarının mevcut ve toklon aksaklıkları en aza indirmek için içerir. Hata-tolerant tasarımları iki bağımsız kontrol cihazı ile iki akışlı motorlar kullanır, bir kanal başarısız olsa bile operasyona izin verir.

Malzeme Seçimi

Rotor, konut ve taşımalar için doğru malzemeleri seçmek kritiktir. Rotorlar genellikle alüminyum alaşımlardan (ışıklık, iyi termal iletkenlik) veya yüksek güçlü titanyum (düşük ısı genişleme) veya yüksek çözünürlükte titanyum (düşüksel genişleme) için çok yüksek hızlı tekerlekler için (örneğin, 6000 rpm), karbon-fiber-reinforced polimer (CFRP) rotorlar yüksek güç-to ağırlık oranları ve düşük inertia kayıpları sunar.

Kaplamalar bir rol oynayabilir: yatak koruyucular elmas gibi karbon (DLC) ile sürtünmeyi azaltmak için kaplı olabilir ve rotor yüzeyi, termal kontrol için izin verilen bir kara anodized kaplamaya sahip olabilir.

Reddans ve Fault

Tek bir bileşen görev başarısızlığına neden olmamalıdır. Reaksiyon tekerlekleri genellikle üç eksenli kontrol kaybetmeden başarısız olabilir ve kontrol sistemleri. kritik uzay aracı için, dört veya daha fazla tepki tekerlekleri bir söndürücü (örneğin, piramit düzenleme) olarak monte edilir, böylece herhangi bir tekerlek üç eksenli kontrolden başarısız olabilir. Kontrol yazılımı bir tekerlek başarısızlığı tespit edebilir ve kontrol yasaları tespit edebilir ve diğer tekerleklere de hız verir.

Test ve Geçerlilik

Uçuştan önce, reaksiyon tekerlekleri ısıtıcı bisiklet içeren titiz bir nitelik kampanyasına maruz kalıyor (TVAC), vibrasyon testleri, radyasyon maruziyeti ve genişletilmiş yaşam testleri.Yaşam testleri genellikle hıza gidiyor veya uzun süre operasyona müdahale etmek için artan yük ile hızlanıyor. Örneğin, [[DÜcretsiz Araştırma Merkezi[FLT]

Vaka Çalışmaları: Gerçek Misyonlardan Öğrenme

Birkaç yüksek profilli görev sert ortamlardaki tepki tekerlek performansı ve başarısızlık modları konusunda paha biçilmez bilgiler sağladı.

Hubble Uzay Teleskopu

1990 yılında başlatılan Hubble, ilk olarak altı tekerlekli sandalyesinin (iki set üç veya üç köşeli tekerlek) parçası olarak dört yedek tepki tekerleği taşıdı. 30 yıllık görevde, birkaç tekerlekler yağdırma ve elektrik sorunları nedeniyle deneyimli başarısızlıklar yaşadı. gyroskop hataları daha kritikti, ancak reaksiyon tekerleği sorunları birçok güvenli mod olayına neden oldu. Servis görevleri için yağlayıcılar ve daha iyi termal kontroller için gelişmişti.

James Webb Space Teleskobu

JWST, Güneş Dünya L2 noktasında bir yarık yörüngede çalışır, sıcaklıklar son derece soğuk ve istikrarlıdır. tepki tekerlekleri de kriyojenik operasyona özel bir dikkat ile tasarlanmıştır.Her tekerlek, sıvı bir PFPE yağ ile sıvılaşmıştır -100°C. Motor kontrolörü, soğuk başlangıç sorunları önlemek için sıcak bir elektronik bölmede evlenir.

Cassini-Huygens

Satürn'deki 13 yıllık görev sırasında, Cassini, seramik yataklarının ve radyasyona dayanıklı elektroniklerin kullanımı dahil olmak üzere dört tepki tekerleği kullandı.Bir tekerlek daha sonra görevde artış gösterdi, ancak uzay aracı, kuvvetle kalan üç tekerlek kullanmaya devam etti.

Future Innovations

Uzay ajansları ve ticari şirketler, uzun yıllar veya daha ciddi ortamlara kadar devam etmeyi planlıyorlar – Venüs veya Jüpiter'in Ayları gibi – yeni reaksiyon tekerleği teknolojileri ortaya çıkıyor.

Manyetik Taşlar

Aktif manyetik yataklar (AMBs), rotoru fiziksel temassız, sürtünmeyi ortadan kaldırmak ve yağlayıcılara ihtiyaç duyanlar için gerekli olan bir şekilde azaltın.Bu teknoloji, elektrik ve kontraseptif olarak stabiliteyi tamamen gerektirerek kabul edilebilir.

Gelişmiş malzemeler ve İmalat

Kombinasyon üretimi (3D baskı) motor destek yapıları ve kaçaklar için karmaşık içsel geometriler sağlar, termal yolları geliştirirken ağırlık azaltır. Özelleştirilmiş termal genişleme katları ile yeni kompozit malzemeler, sıcaklık aşırıları boyunca uyum sağlamaya yardımcı olabilir.

AMBA ve Makine Öğrenmesi Sağlık İzleme

Future reaksiyon tekerlekleri, üst düzey sensörleri (accelerometreler, sıcaklık, mevcut monitörler) sürekli hataları tespit eden algoritmaları - örneğin aşınma veya dengesizlikli kütlede - kontrol kaybına neden olduğundan önce işletim parametrelerini (örneğin, şüpheli bir tekerlek üzerinde hız azaltır) korumak için.Bu tahmin edici bakım yaklaşımı zaten Uluslararası Uzay İstasyonunda ve uydu takımyıldızlarında test edilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sert ortamlarda genişletilmiş uzay görevleri için tepki tekerlekleri tasarlamak, uçuş öncesi zayıflıkları ortaya koyan derin bir fizik anlayışı gerektirir. Başarı, Hubble'dan JWST'ye kadar olan bu yaklaşımları sınırlı işletim pencerelerinde tutan, kalkanların elektronik ve yağlayıcılarının öneminin azaltılması ve bilinmeyen ortamlardaki yükleri ve uzun vadeli yorgunlukları tahmin edilmesi gibi.

Avrupa'da veya Ay yüzeyinde on yıllardır çalışacak görevlere baktığımızda, bir sonraki tepki tekerlekleri muhtemelen manyetik süspansiyon, gelişmiş kompozitlerden yararlanacak ve güvenilir sağlık izleme seviyeleri bir kez imkansız düşünülmüş gibi.