Yeni nesil Reaksiyon Tekerlekleri için Yenilikçi Kodlama Yöntemleri

Uzayda Tutumlama Kontrolü

Reaksiyon tekerlekleri uzun zamandır uzay aracı tutum kontrolüne sahip olan çalışma, pervanant olmadan işaret etmek ve stabilizasyon sağlamak için kesin toplanlamalar yapıldı.Bir sonraki reaksiyon tekerlekleri daha talep edilen rejimler ve daha düşük güç tüketimi, genişletilmiş misyon ömürleri boyunca daha yüksek güvenilirlik sağlayan daha yüksek güvenilirlik, daha düşük güç tüketimi ve daha küçük form faktörleri için uygun hale getiriyor.

Geleneksel fırçasız DC motor tasarımları, kanıtlanmışken, mekanik aşınmayı yatakları aracılığıyla tanıtırken, görüntüleme kalitesini düşüren mikrovibrasyonlar üreterek, sürekli işlem için önemli güç tüketmektedir. Gelişen eylem değerlendirme teknolojileri, bu kısıtlamaların üstesinden gelmek için fiziksel ilkelerin üstesinden gelmek için, temassız veya en az temassız toplayici kontrol yetkisini ve yeni malzeme davranışını incelemektedir.

Geleneksel Reaksiyonu: Yetenekler ve Kıtlamalar

Konvansiyonel reaksiyon tekerlekleri elektrik motorlarına vedash'e güveniyor; çoğu zaman üç fazlı fırçasız DC motorlar kalıcı mıknatıslı rotorlar ve yara diyagramları ve optik kodlayıcılar ile bağlantı kurmak; Mevcut hızlarda bir uç tekerlekli yatak, hız ve tork düzenlemeleri ile üretilir.

Bu mimarinin birincil sınırlamaları mekanik iletişim ve elektromanyetik tasarım ticaret-offlarından kaynaklanıyor. Üstteki tekerlekler, aktif manyetik yataklar, sürtünmeyi tanıtıyor, aşınma ve kirlenme risklerini açıyor, motorun kendisi uzun süredir en düşük bir reaksiyon tekerleğine yol açıyor.Ayrıca, motor kovalama ve yorum için, yüksek performanslı tekerlekler, hassas yükleri tehlikeye atabilir.

Görev tasarımcıları daha yüksek çeviklik, daha uzun ömürler (10-15 yıl veya daha fazla), ve sub-mikroradian kararlılıklarını işaret ediyor, geleneksel davranış değerlendirme sınırlamaları kritik hale geldi. Bu, daha düşük titreşim, daha yüksek verimlilik ve ölçeklenebilirlik ile çalışabilecek alternatif davranış mekanizmalarına yoğunlaştı.

Gelişen Bir Değerlendirme Teknolojileri: Ayrıntılı Bir Sınav

Bir sonraki nesil davranışlama yöntemleri, reaksiyon tekerleği tasarımları için ciddi bir dikkate değer bir olgunluğa ulaştı.Her biri konvansiyonel motorların eksikliklerini ele alan özellikleri ile tok üretimi elde etmek için farklı fiziksel fenomenleri kullanır.

Piezoelektrik Sistemleri

Piezoelektrik malzemeleri, uygulanan bir elektrik alanına (aslı kekik etkisi) yanıt verirken, alt-nanometre kararı ile hassas yerlerin üretilebiliyorlar ve yüksek güç yoğunluğu. reaksiyon tekerlek uygulamaları için, böpücüler birkaç konfigürasyonda incelenebilirler:

• [FONT:0]Stack hareketcüler [Döneticiler: 1 ) Yüksek bloklu kuvvetlerle küçük yer değiştirmeler (tipik olarak 0.1-0,2 uzunluk) yüksek bloklama güçleri ile, montaj veya doğrudan tork darbesi için uygun mikro-pozisyon sağlar.
• [BİLMİŞ:0) Bending (bimorph) eylemciler) daha sonra daha büyük bir angular yerinden edilmeleri, iyileştirici rotor dengesi veya nabızlı tok darbeleri için kullanışlı hale gelir.
• [FONT:0)Yemin- dalga-zoelektrik motorları [DÜT:1] Sürekli şarjlı yüzey yerinden edilmeleri yoluyla sürekli olarak geri dönüşümlü bir hareket yaratır, sıfır manyetik alan emisyonları ile tamamen temassız sürüş mekanizması sunar.

Rejim tekerleğinin davranışı için birincil avantajlar manyetik alanların ortadan kaldırılmasıdır (profesyonel cihazlar için geçerli), son derece iyi adım çözümü ve geleneksel motorların mücadele ettiği krigen sıcaklıklarında çalışabilme yeteneği. Bina sırasındaki güç tüketimi ihmal edilebilir, çünkü lazoelektrik hareketleri yalnızca durumu değiştirir.

Mevcut gelişim programları, büyük ölçüde daha düşük vibrasyon imzalarına sahipken, torkezli motorlarla karşılaştırılabilir olan torkezli motorlarla karşılaştırılabilir olan seriler.Bu sistemler, gelecekteki uzay teleskopları gibi observatörü gerektiren geçiciler için özellikle caziptir.

Magnetorheological (MR) Akışkanlar

Magnetorheolojik sıvılar, bir taşıyıcı sıvısında mikron büyüklükteki ferromantik partiküllerin süspansiyonlarıdır. Manyetik alana maruz kaldığında, parçacıklar zincirlere uyum sağlar, belirgin vizoloji vemdash'ta geri dönüşümlü bir artış sağlar; Bu etki, sıvıdaki hear stresleri aracılığıyla kontrol edilebilir bir tork aktarımı sağlar.

Bir reaksiyon tekerleği bağlamında, MR sıvıları, bir elektrikli motor ve uçlu arasında değişken bir darbe girişimi olarak kullanılabilir. Manyetik alanı modüle ederek, tork transferleri sağlam yüzeyler arasında gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir.Bu birkaç zorlayıcı avantaj sunar:

• Sürekli değişken baraj ve tork kontrolü 10 milisaniyenin altında yanıt süreleri ile.
• Mekanik aşınmanın kavraması, kavrama veya değişken hızlı sürücülerden oluşur.
• Akışkan kayması yoluyla aşırı tasarruf, eylemciye veya uzay aracına zarar vermek.
• Metalik alan olarak tork tutmak için düşük güç tüketimi, küçük elektromagnetler aracılığıyla alan modulation ile kalıcı mıknatıslar tarafından sağlanabilir.

Uzay dağıtım için kritik zorluklar, mikrogravity altında parçacığın yerleşmesini ve agglomerasyonu içerir, vizyumlu değişiklikler (MR sıvıları güçlü sıcaklık duyarlılığı sunar), ve taşıyıcı sıvının uzun vadeli stabilitesi, manyetik sıvıları veya kirlenmeyi sağlamadan önce sıvıyı azaltır. Son araştırma da MR akışkanlarını, dirençle birlikte, dirençle birlikte, dirençle ilişkili taşıyıcıları ve nanopartikülleri geliştirmeye odaklanmıştır.

[FONTA'nın Teknoloji Gösteri Misyonları[Dönetici:0) MR sıvı eylemcileri, küçük uydularda tutum kontrolü için değerlendirmeler dahil etti, tork yoğunluğu ve güvenilirlik için umut verici sonuçlarla, Orbital nitelik önemli bir dönüm noktası olmaya devam ediyor.

Elektromanyetik Mikroactuators

Mikrofabrikasyondaki ilerlemeler elektromanyetik aktüatörleri son derece kompakt form faktörlerle etkinleştirmiş, minyatür tırnakları, yüksek enerji kalıcı mıknatısları birleştirmiş ve uyumlu yapılar. Bu mikroactuators, düşük giriş gücü ile hassas torklar üretebilir, mikrosatellitler ve CubeSats her gram ve miliwatt meseleleri birleştiren reaksiyon tekerlekleri için cazip hale getirebilir.

Anahtar konfigürasyonları şunları içerir:

• [FONT:0]Planar elektromanyetik motorlar [Dönemli devreler ve manyetik rotorlar ile, wafer-thin reaksiyon tekerlek montajlarına izin veriyor.
• [FONT=0)Voice-Reptörler [Dönderlik veya radyyel güç uygulaması için, iyi dengeleme veya ikincil tork otoritesi için kullanılır.
• [FONTMS tabanlı elektromanyetik kompresyonlar[[Dönetici:0)MEMS tabanlı elektromanyetik kombin sürücüler[Dönetici:0) alt-millimeter ölçeklerde dönen estatik veya elektromanyetik kuvvetler aracılığıyla döner hareket üretenler.

Avantajları boyut azaltımının ötesine uzatıyor. Mikroactuators tek bir mikroactuatordan çok düşük kovalama tok ve yakın-zero sürtünmeye sahipken, jitter-free işlemine izin veren, modüler doğa, ölçeklenebilir tonlama için dizi konfigürasyonları sağlar. ancak, tek bir mikroactuatordan sınırlı toplam torklar küçük bir uzay aracı için en uygun veya küçük hibrit sistemlerde iyi noktaya sahip olan bir motor için en iyi şekilde uygun olduğu anlamına gelir.

Termal yönetim bu ölçeklerde endişe verici bir endişedir, mikro-parçalarda direnç gösteren ısıtma, kilogram vedash başına 0.1 Nm'e kadar kesintiye uğramak zor olabilir. Yüksek sıcaklık tel yalıtım ve ısıya hazır substratlar bunu ele alır. Birkaç ticari CubeSat tepki tekerleği ürünleri şimdi elektromanyetik mikroactuator teknolojisi dahil, tom per kilogram— daha büyük sistemlerle rekabet etmek.

Şekil Memory Alloy (SMA) Akışkanlar

Nitinol (nickel-titanyum) gibi hafıza alaşımları, geçiş sıcaklığının üzerinde ısıtıldığında önceden tanımlanmış şekilleri kurtarmalarına izin veren bir martensitik aşama dönüşümüne tabi tutulur. Bu etki önemli güçler ve yerindenler üretebilir, SMAs'lar reaksiyon tekerlek davranışı mekanizmaları için bir aday haline getirir.

Olası uygulamalar şunları içerir:

• [FONT:0]SMA telleri veya ilkbaharlar[Dönemli ısıtıldığında veya torklar arası bir dönüşüm mekanizması sağlayarak.
• [0]SMA tok tüpler [Dönderlik altında çarpık, doğrudan reaksiyon tekerlekli rotoru kullanıyor.
• [FONT=0]Hybrid SMA-motor sistemleri[Döneticiler bir latching veya kavrama işlevi sağlar, sürekli güç talepleri azaltır.

SMA'ların birincil yerleri yüksek enerji yoğunluğu ( sağlam devlet paketinde hidrolik sistemler için uygun) ve sürekli güç olmadan pozisyon tutma yeteneği (malzemelerin düşük sıcaklık fazında katılaşması).

Önemli zorluklar mevcut kabul limiti sınırlamaktadır. SMA durum, elektromanyetik veya pastazoelektrik yöntemlerinden daha yavaştır; sıcaklık ortamları milisaniyelerden ziyade saniyeler sıralanır. faz dönüşümü de histerileri ve yorgunlukları periyodik olarak tekrarlanırsa, özellikle de uzaydaki iki taraflı bir kılıçtır.

Avrupa Uzay Ajansı[Dönetici:0) tarafından yapılan araştırma programları, SMA'ları dağıtılabilir yapılar için araştırmış ve şimdi SMA'nın iyi elektromanyetik kesme ile ilgili birimleri kullanan reaksiyon tekerleği konseptlerini de içerecek şekilde genişletmiştir. Teknoloji, ilk olarak ikincil eylemci veya enerji verimliliğinden daha az kritik olan mekanizmalarda ortaya çıkmaktadır.

Elektroaktif polimerler ve Gelişen Malzemeler

Dört birincil teknoloji ötesinde, elektroaktif polimerler (EAPs) ve magnetostrik malzemeler gelecekteki hareket değerlendirmesi için ek bir avenular sunar.EAPs elektrik alanı uyarıları altında şekillenir, büyük sular ve düşük kütle ile uyumlu hareket eder.Mevcut gerginlik ve güç yetenekleri mütevazı olsa da, son zamanlarda dielektrik elastomer hareketleyiciler hafif reaksiyon tekerleği için potansiyel sunuyor.

Bu malzemeler, diğerleriyle kıyaslanmış olan daha düşük teknoloji hazırlığı seviyelerindedir, ancak benzersiz özellikleri ve adash;özellikle radyasyon toleransı ve vakum uyumluluk ve adash; uzun vadeli uzay uygulamaları için onları takip etmeye değer.

Sonraki-Generation Agents'ın Karşılaştırmalı Avantajları

Her ortaya çıkan teknoloji, geleneksel reaksiyon tekerleğinin belirli zayıflıklarını ele alan farklı bir avantaj sağlar. Anahtar misyon ölçümlerinde değerlendirildiğinde, aşağıdaki eğilimler ortaya çıkıyor:

• [FONT:0)Mechanical aşınma ve güvenilirlik: Piezoelektrik ve elektromanyetik mikroactuatörler minimum veya sıfır temasla çalışabilirler, aşınma ve yağlanma bozulmalarını ortadan kaldırırlar. MR sıvı kavramalar da sağlam-solid temaslarından kaçınır.
• [FONT:0)Power tüketimi:[Döneticiler) Piezoelektrik hareketleri yalnızca devlet değişiklikleri sırasında güç alır, elektromanyetik mikroactuatörler yüksek verimli küçük ölçekli tasarımları kilitleyebilirler. SMA aksiyoncular pozisyona pasif olarak katılabilirler.For CubeSat ve derin uzay görevleri sınırlı güneş dizileri için, bu efficilikler daha büyük operasyonel kapasiteye veya batarya kütleli kütleye dönüşür.
• [FONT:0]Mass and volume:[Dönetici:[Dönetici:0)Masss and volume:[Döneticiler ve hacimler için yeni olasılıklar açıyorlar.
• [FONT=0]Vibration ve jitter: Ücretsiz, küçük boyutlu görüntüleme ve hassaslık için, bu bir oyun değiştiricisi, MR sıvılarının doğal barajlarıyla birlikte, mekanik yataklarla kıyaslanamaz DC motorlarını azaltır.
• [FONT:0)Environmental tolerans: Piezoelektrik ve SMA eylemciler, krigen koşulları da dahil olmak üzere geniş sıcaklık aralıklarında çalışabilirler. Elektromanyetik mikroactuatörler birçok katı devlet elektronikinden daha az sıcaklık duyarsızdır.

Quantitative Karşılaştırmalar, tork yoğunluğu (Nm/kg) gelişmiş eylemciler henüz en iyi fırçasız DC tekerlekleri, vibrasyondaki ticaret-offları, yaşam boyu ve boyut esnekliği özellikle küçük uzay aracı ve hassas platformlar için cazip bir sistem seviyesi avantajları yaratabileceğini gösteriyor.

Uçuş Kazanılan Yoldaki Zorluklar

Onların sözlerine rağmen, sonraki nesil davranış yöntemleri, operasyonel görevlerde geleneksel reaksiyon tekerleklerini değiştirebilmeden önce karşı karşıya kalmaktadır. Uzay ortamı, kara testlerde çoğaltmak zor olan koşulları yaratır:

• [FONT:0] ⁇ bisiklet ve vakum: Piezoelektrik hareketleyiciler hızlı sıcaklık salakları altında depolarizasyon ve mekanik yorgunluk çekebilir. MR sıvıları viskolite sürüklenebilir ve partikül mikrogravity'de yerleşmelidir. SMA dönüşüm sıcaklıkları görev termal profiline dikkatle eşleştirilir ve uzun süreli vakum hızla kaybolabilir.
• [FONT=0)Radiation sertlik: [DÜDÜT:1] Yüksek enerjili parçacık radyasyonu, MR sıvı taşıyıcı sıvılarının özelliklerini değiştirebilir ve EAP'larda kullanılan polimer materyallerin özelliklerini değiştirir.
• [FONT:0)Mechanical yorgunluk ve dayanıklılık: SMA eylemciler işlevsel yorgunluk ( dönüşüm davranışında değişim) ve yapısal yorgunluk (kahkahaç başlangıç) binlerce döngüden fazla Piezoelektrik yığınları yüksek saha çalışması altında delaminasyon veya elektrot göçü tarafından başarısız olabilir.
• [FONT=0) Kontrol sistemi entegrasyonu: [Dönetici: [Döneticiler ve bu tür kontrol için yazılım ve donanımlar, SMA'larda ve pastazoelektriklerde zaman alıcı vizoloji; ileri kontrol algoritmaları, genellikle uyarlanabilir veya modellemek için yazılım ve donanımlar, bu tür kontrol için bazı güç ve kitle avantajları dengelemek olabilir.
• [FONT=0)Hızlıleştirme standartları ve mirası: Uzay misyon yöneticileri doğal olarak muhafazakardır, uçuş mirası ile bileşenleri tercih eder. Yeni eylem değerlendirme teknolojilerine güven sağlamak, ilerici olarak yüksek TRLs, bileşen seviyesindeki karakterizasyondan ECSS-Q-ST-810 gibi alt sistemlere kadar sistematik test gerektirir.

Devam eden araştırma programları bu zorlukların radyasyon test kampanyaları aracılığıyla ele alınmaktadır, ısıtılmış vakum odalarında yaşam döngüsü testi ve radyasyona bağlı materyal formülasyonlarının geliştirilmesi. Hibrit yaklaşımlar, geleneksel bir motorla birlikte koarse toklama için daha düşük riskli bir yol sunar.

Misyon Profilleri ve Uygulama Senaryoları

Farklı davranışlama teknolojileri farklı görev arşivleri için en uygun olanıdır:

• [FONT:0) Yüksek çözünürlükte gözlemleyiciler (e.g., uzay teleskopları, interferometreler) düşük çözünürlükten en çok faydalanıyor, yüksek çözünürlüklü motor veya elektromanyetik mikroactuatörlerin yüksek çözünürlüklü kapasitesi.
• [FONT=0]Uzun vadeli Dünya gözlem platformları[[Dönetici:0) genişletilmiş operasyonel yaşam ve yüksek güvenilirlik gerektirir. MR sıvı kavramalar ve temassız elektromanyetik davranış, belirlenen bakım olmadan 10-15 yıllık görevlerin azaltılmasını sağlar.
• [FONT:0)CubeSats ve küçük uydular[DÜT:1] Kitleye, hacime ve güç verimliliğine öncelik vermektedir. Elektroactuatorlar ve miniaturized pastazoelektrik sürücüleri, daha önce magnetorquers veya yerçekimi gradientizasyona dayanan uzay aracına reaksiyon yeteneği kazandırmak.
• [FONT:0) Deep-space probes ve toprakçılar[Dönetici] aşırı termal ortamlar ve uzun seyir aşamaları ile karşı karşıyadır. SMA eylemciler başarısız güvenli tutma yeteneği ve pasif konum tutma sağlarken, pastazo motorlar dış gezegen misyonları için krigen sıcaklıklarında çalışır.
• [FONT:0]Konstellations ve swarms[DÜT:1) düşük ünite maliyeti ve yenidenroducible performans talep eder. Microfabricated elektromanyetik aktüatörler kendilerini toplu üretime ödünç verir, potansiyel olarak büyük ölçekli dağıtım maliyeti azaltır ve büyük ölçekli dağıtım sağlar.

Her durumda, seçilen davranışlama teknolojisi uygun güç elektronik, kontrol algoritmaları ve termal yönetim ile görev seviyesindeki performans sunmak için eşleştirilir. Sistem seviyesi optimizasyonu vemdash; bileşen seviyesindeki karşılaştırma vemdash; başarılı bir kabul anahtarı.

Future Yol ve Araştırma Önceliği

Sonraki nesil reaksiyon tekerleğinin davranışı için yol birkaç paralel itki içerir:

• [FONT:0)Maliye inovasyonu:[Dönetici: [Dönetici:0)Maliye inovasyonu:[Dönetici: [Döneticileri yüksek Curie sıcaklıkları ve radyasyon toleransı ile donatmak, MR sıvıları, stabil parçacık süspansiyonları ve geniş sıcaklık işletim aralıkları ve SMAlar ve özel dönüşüm sıcaklıkları ile çalışır ve gelişmiş yorgunluk hayatı yüksek önceliklerdir.
• [FONT:0) İleri kontrol yöntemleri:[Döneticiler:0) Sağlama, uyarlayıcı yemleme ve modelleme kontrolleri SMA ve pastazoelektrik sistemlerinin yanıtını lineerize etmek için elektronik olarak entegre edilir.
• [FONT:0)Magnetic koitasyon entegrasyonu: Aktif manyetik yataklar ile rezonansa sahip elektromanyetik mikroactuatörler mekanik olmayan bir reaksiyon tekerleğini mekanik aşınma, sıfır titreşim ve sürtünmesiz operasyonla tamamen temassız hale getirirler.
• [FONT:0]Modular ve ölçeklenebilir mimarlıklar: Tüm tekerlek sistemini yeniden tasarlamadan gerekli toklama veya dizilenebilecek hareket modülleri geliştirmek, birçok platformda dağıtım maliyetlerini azaltacaktır.
• [FONT:0]In-orbit gösterisi:[Dönetici:[Dönetici:0) Kabule doğru en önemli adım uçuş gösterisidir. Birkaç ajans ve ticari varlık, özellikle yeni reaksiyon tekerleği eylemlerine yönelik teknoloji gösteri misyonlarını planlamaktadır, önümüzdeki üç ila beş yıl içinde beklenen yörünge verileriyle.

Bu teknolojiler laboratuvar curiositylarından nitelikli uçuş bileşenlerine olgun olarak, uzay aracı tutum kontrolü için ticaret alanını temel olarak değiştirecekler. azaltılmış aşınma, daha düşük güç, kompakt form faktörlerinin kombinasyonu ve üstün hassaslık şu anda geleneksel reaksiyon tekerlekleri ile pratik veya imkansız olan görevleri sağlayacaktır. megaconstellations'dan interplanetary probes, bir sonraki nesil eylem değerlendirme yöntemleri yeni yetenekleri ve uzay keşfine söz verir.

Geçiş bir gecede gerçekleşmeyecektir, ancak yörünge açık: Geleceğin tepki tekerlekleri geçmişten çok farklı görünecek ve burada açıklanan yenilikler bu dönüşümün kalbinde olacak.