Reaksiyon Wheels'ın Rolü Uzayda Attitude Kontrol Kontrolü Sistem sistemleri

Reaksiyon tekerlekleri modern uzay aracı tutum kontrolü temel taşıdır, sınırlı pervanant olmadan hassas yönlendirme ve istikrar sağlar. Dünya gözlem uydularından, kameralarını uzak yıldızlarda kilitleyen alt-arcsan doğrulukları ile ilişkilendirir, reaksiyon tekerlekleri karmaşık görevleri mümkün kılan iyi huylu rotasyon kontrolü sağlar.

Reaksiyon Tekerlekleri Nedir?

En basit, reaksiyon tekerlekleri bir uzay aracı içinde monte edilir.Bir yönde uçarak, uzayın korunması nedeniyle, dışsal bir ivmenin korunması nedeniyle, aynı prensiptir, bir jeneratörün kolları onları genişletdiğinde veya bir helikopterin rotoru ters döndürmesine neden olur.

Tipik bir reaksiyon tekerleği, istenen tonlama işlemini yapmak için ağır bir kütleden oluşur. Çoğu uzay aracı, hassas bir motora monte edilir ve fırçasız DC motor tarafından yönlendirilir. motor kontrol cihazı, uzay aracının tutum kontrol bilgisayarından komut alır, istenen toparlama süresini artırmak için tekerlekleri hızlandırır veya şekillendirir. Çoğu uzay aracı üç veya daha fazla reaksiyon tekerleklerini kullanır (ve bazen de üç eksenli bir DC motorun arasından dördüncüsü) tam olarak kontrol eder.

Reaksiyon tekerlekleri, diğer baş ağrısız kütlelerden, genellikle sabit bir yüksek hızda angular momentumunu depolamak ve gyrooskopik sertlik sağlamak için tasarlanmıştır. Reaksiyon tekerlekleri, aksine, tomlar üretmek için sık sık sık sık hız değiştirmek için tasarlanmıştır.

Anahtar Fiziksel Prensipler

Bir reaksiyon tekerleğinin çalışması iki temel fizik yasaları tarafından yönetilir.ETHFLT:0)Newton'un Rotation için İkinci Yasası) torkların ivmesinin eşitliğini ifade eder: ⁇ = dL/dt. tekerleğin motoru uçarak hız profilini hızlandırmaya çalışır.

Matematiksel olarak, uzay aracı artı tekerlek sisteminin toplam ivmesi sürekli kalır (eğer dış tork hareket etmez). Eğer tekerlekin angular momentum vektörü {{L)w, çünkü uzay aracının angajman hız değişiklikleri hızlanır.Bu ilişki, her bir rotasyonun ne kadar yavaş bir şekilde elde edeceğini hesaplamaya olanak sağlar.

Reaksiyon Tekerlekleri Uygulamada Nasıl Çalışıyor?

Bir uzay aracı kontrol sistemi kapalı geri bildirim mekanizması kullanır. Yıldız pistleri, güneş sensörleri, gyroskoplar veya magnetometreler, uzay aracının mevcut yönelimini belirler.Bu tork komutunu kullanarak, bu toparlama (vardırıcı komutları) arasındaki reaksiyon tekerlekleri arasında bir kontrol algoritmasına geçer - orantılı olarak-enjektif (PID) kontrolörü - bu toparlanan toparlanan toparlama işlemine göre hesaplanır.

Örneğin, uzay aracının birkaç derece ile oturması gerekiyorsa, eksenli olan tekerlek ikinci kez gerçekleşir veya eğimli eğimi hızlandıracak şekilde sabitlenir.

Çoğu uzay aracı bir dörd:0)reaction tekerlek serisi[DDD: 3 veya dört tekerlekten oluşan ortak bir konfigürasyon, dört tekerlekin tüm üç uzay aracına eşit açılardan monte edildiği bir tetrahedral düzenlemedir.Bu, geri kalan üç tekerlek başarısız olursa, hala tam üç eksenli kontrol sağlayabilir. Kontrol algoritması, o zaman problemin azaltılması gerekir, istenen tonların hız ve ton limitlerine saygı duyması gerekir.

Reaksiyon ve Momentum Yönetimi

Rejim tekerleklerinin temel sınırlaması şöyledir:0.Aydırma[Dönetici:0)[tr|Dönetici: 1 ).Her tekerlek maksimum izinli hıza sahiptir (tipik olarak birkaç bin RPM). Bir tekerlek bu sınırı ulaştığında, tekerlekler o eksende daha fazla ivme kazanamaz ve uzay aracı kontrol otoritesini kaybeder.

Satmak için, uzay aracı daha düşük bir hıza geri dönmeli:0) Parametre çöplüğü (veya mevcut manyetik torkçılar kullanmak), reaksiyon tekerleklerinin daha düşük bir hıza geri dönmesine izin veren dış toparlama kapasitesi.Bu yüzden, düşük Dünya yörüngesine olan tepki tekerlekleri tamamen ortadan kaldırmaya ihtiyaç duymazlar - tüketimini dramatik bir şekilde azaltırlar, ancak periyodik çöplük görevleri hala uzun süreli görevler için gereklidir. Bazı görevlerde ivme kazanmaktadır.

Bir reaksiyon tekerleğinin oturduğu oranı, uzayın ve tasarımın büyüklüğüne bağlıdır. Atmosferik tork ile yüksek performanslı bir yörüngeye sahip yüksek çözünürlükte sık sık desaturasyon gerektirir, Lagrange noktası deneyimlerinde neredeyse sıfır dış torkta ve hızlanmış betonarmeler olmadan çalışabilir.

Reaksiyon Wheels'ın Avantajları

Reaksiyon tekerlekleri alternatif tutum kontrol yöntemleri, özellikle de sadece mekanik torklar üzerinde birçok zorlayıcı avantaj sunar.

Sınırlamalar ve Zorluklar

Birçok faydalarına rağmen, reaksiyon tekerlekleri uzay aracı tasarımcılarının ele alması gereken önemli teknik zorluklarla karşı karşıyadır.

Asr ve Mikrovibrasyonlar

Reaksiyon tekerleği sınırlı yağlarla vakumda çalışır. Zamanla, yağlayıcılar, buharlı, bozulabilir veya çok düşük hızlarda yıpranmaya yol açabilir ve sonunda başarısız olur. Bu özellikle çok düşük hızlarda (belirli bir kaç RPM), tren elemanlarının tamamen ayrı olamayacağı, metal-on-metal kontaktından kaçınılması için çok düşük hızlarda ameliyattan kaçınır.

Mikrovibrasyonlar, kusurları, kütle dengesizliği ve motor dalgalanmalarını önlemek için neden olan küçük ama kalıcı osilasyonlardır. Bu titreşimler uzay aracına çift verebilir ve kararlılık işaret eder. Mühendisler titreşim kullanıyor (mekanik filtreler) tekerlek ve uzay aracı arasındaki.

Hız Kıtlamaları ve Zero-Speed Crossing

Bahsettiği gibi, reaksiyon tekerlekleri boş bir şekilde değişir. ek olarak, sıfır hız boyunca bölge birçok tasarım için sorunludur, çünkü sürtünme doğrusal olmayanlıkları ve "stiction" dan kaçınır.Bir tekerlek sıfır RPM'den geçer, yatak özellikleri bir şekilde değişir, tork rahatsızlıkları. Kontrol algoritmaları sorunsuz bir şekilde hız için tasarlanmıştır veya mümkünse, tekerlekin minimum eşini tamamen uzak tutmasını engeller.

Termal Yönetim

Reaksiyon tekerlekleri motor dağılımı ve sürtünme ile ısınır. Vakumda, ısı sadece uzaya uzay aracı yapısı ve radyasyonu ile kaldırılabilir. Yüksek performanslı çevrimler (frek manevralar) aşırı ısınmayı önlemek için yönetilen önemli ısı üretebilir.

Başarısızlık Modular ve Red dışı

Reaksiyon tekerlekleri sonlu yaşamlarla elektromekanik bileşenlerdir. Ortak başarısızlık modları nöbet, motor rüzgarı başarısızlık, sensör başarısızlığı (kırık hız ölçen kodlar), ve elektronik hataları, en az bir yedek reaksiyon tekerleğini azaltmak için. Örneğin, Hubble Uzay Teleskobunun ilk olarak dört reaksiyon tekerleği vardı ve ikisi de onları değiştirmesine kadar yüksek lisanslama modunda kullanıldı.

Çünkü reaksiyon tekerlekleri genellikle tutum kontrolü için en kritik bileşenidir, güvenilirliği önemlidir. Uzay ajansları ve üreticileri kapsamlı yaşam testleri yapıyorlar - bazı tekerlekler tasarım marjlarını doğrulamak için vakum odalarında sürekli çalışır.

Diğer Attitude Kontrol Yöntemlerine Karşı Karşılaştırma

Reaksiyon tekerlekleri, bir uzay aracının yönünü kontrol etmenin tek yolu değildir. Her yöntem farklı görevler için uygun hale getiren ticari devrelere sahiptir.

Thrusters (Reaction Control System)

Thrusters tolar ton üretmek için kovuldu. Çok yüksek tork teklif ediyorlar ve hızlı slewing, yörünge manevraları ve ivme çöplükleri için gereklidir.Ancak, birçok uzay aracı karma bir yaklaşım kullanıyor: büyük manevralar ve ivme kesiciler için reaksiyon tekerlekleri .

Manyetik Torrörler

Manyetik torkçılar (magnetorkörler) Dünya'nın manyetik alanı ile tork üretebilmek için etkileşime giren elektromagnetlerdir (köpektifler) ancak manyetik alanın yeterince güçlü olduğu düşük Dünya yörüngesinde çalışmazlar ve nispeten zayıf, sert bir şekilde sabit pozisyondan yoksundurlar.

Gravity Gradient Stabilization

Gravity gradient stabilizasyon, hareket eden iki eksenli bir kontrol (roll ve saha) ile uzun bir patlama kullanır ve bir rahatsızlıktan sonra birçok yörüngeyi askıya alır. Bu sadece düşük doğruluk gereksinimleriyle (örneğin, düşük maliyetli bir yöntem) için uygundur.

Kontrol Moment Gyroskops (CMGs)

CMG'ler reaksiyon tekerleklerine benzer, ancak önemli bir farkla: Sürekli yüksek hızda uçarak, gimbal motoru, tekerlekin spin eksenlerini toklar üretmek için daha karmaşıktır (aynı kütle için reaksiyon tekerleklerinden çok daha yüksek tork üretebilir, onları büyük bir uzay istasyonu gibi ideal kılarken, dört büyük CMG'nin birincil kontrol sağlaması gerekir).

Reaksiyon Wheel'ın Gerçek Dünya Örnekleri

Çeşitli ikonik uzay görevleri reaksiyon tekerleklerine dayanıyordu:

Daha derin bir teknik bakış için, bkz.D:0)NASA'nın tutum kontrol sistemlerine giriş) ve [[Dönetici:2)ESA'nın tutum kontrolü genel bakış[DDDDD:0) Mühendisler genellikle [[Döneticileri kontrol ve kontrol literatürü[Döneticileri kontrol etmek için).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Reaksiyon tekerlekleri uzay aracı kontrolü için vazgeçilmez bir teknolojidir, eşsiz hassasiyet, yakıt ekonomisi ve işletim esnekliği sunmak.Onlara elektrik gücü kullanarak sürekli torklar, onları çok yıllık görevlerin büyük çoğunluğu için seçim yapan eylemcilerini yapar.

Uzay aracı daha yüksek çeviklik, daha iyi stabilite ve daha uzun ömürler talep ettiğinde, reaksiyon tekerlek teknolojisi önceden ilerlemeye devam eder (manter süspansiyon, yeni yağlar), motor verimliliği ve titreşim iptali daha büyük kapasiteye sahip. Manyetik torklar veya güçlendiriciler gibi tamamlayıcı sistemlerle bir araya gelmek, reaksiyon tekerlekleri öngörülebilir gelecek için tutum kontrolün kalbinde kalacaktır, bir sonraki uzay araştırma ve Dünya gözleminin olanak sağlar.