To niesamowite, że w tej chwili w kosmosie znajdują się teleskopy, które kierują wzrok na odległe obiekty przez wiele godzin, dni, a nawet tygodni. Zapewniając punkt widzenia tak stabilny i dokładny, że możemy poznać szczegóły na temat galaktyk, egzoplanet i innych.
A potem, gdy czas minie, statek kosmiczny może skierować wzrok w innym kierunku. Wszystko bez użycia paliwa.
Wszystko dzięki technologii kół reakcyjnych i żyroskopów. Porozmawiajmy o tym, jak działają, czym się różnią i jak ich porażka zakończyła misje w przeszłości.
Oto szybka odpowiedź. Koła reakcyjne umożliwiają statkom kosmicznym zmianę ich orientacji w przestrzeni, podczas gdy żyroskopy utrzymują teleskop niezwykle stabilnie, dzięki czemu mogą wskazywać cel z dużą dokładnością.
Jeśli słuchałeś wystarczającej liczby odcinków Astronomy Cast, wiesz, że zawsze narzekam na koła reakcji. Wydaje się, że zawsze jest to porażka na misjach, kończąca je przedwcześnie, zanim cała nauka się skończy.
Prawdopodobnie w przeszłości używałem terminów koła reakcyjne i żyroskopy zamiennie, ale służą one nieco innym celom.
Najpierw porozmawiajmy o kołach reakcyjnych. Jest to rodzaj koła zamachowego używanego do zmiany orientacji statku kosmicznego. Pomyśl o teleskopie kosmicznym, który musi przełączyć się z celu na cel, lub statku kosmicznym, który musi się odwrócić na Ziemię, aby przesyłać dane.
Są one również znane jako koła pędu.
W kosmosie nie ma oporu powietrza. Kiedy koło obraca się w jednym kierunku, cały teleskop obraca się w przeciwnym kierunku, dzięki Trzeciemu Prawu Newtona - wiesz, że dla każdej akcji występuje równa i przeciwna reakcja. Koła obracają się we wszystkich trzech kierunkach, więc możesz obracać teleskop w dowolnym kierunku.
Koła są ustalone i obracają się między 1000 a 4000 obrotów na minutę, zwiększając moment pędu w statku kosmicznym. Aby zmienić orientację statku kosmicznego, zmieniają prędkość, z jaką obracają się koła.
Tworzy to moment obrotowy, który powoduje, że statek kosmiczny zmienia orientację lub precesję w wybranym kierunku.
Ta technologia działa tylko z elektrycznością, co oznacza, że nie trzeba zużywać gazu pędnego, aby zmienić orientację teleskopu. Dopóki masz wystarczającą liczbę wirujących wirników, możesz zmieniać kierunek, używając tylko energii słonecznej.
Koła reakcyjne są stosowane w prawie każdym statku kosmicznym, od małych Cubesatów po Kosmiczny Teleskop Hubble'a.
Za pomocą trzech kół możesz zmienić orientację w dowolnym miejscu w 3 wymiarach. Ale LightSail 2 Planetary Society ma tylko jedno koło pędu, aby zmienić orientację żagla słonecznego, z krawędzi na Słońce, a następnie na boki, aby wznieść swoją orbitę tylko przez światło słoneczne.
Oczywiście, najbardziej znamy koła reakcyjne, ponieważ zawiodły, zabierając statek kosmiczny z eksploatacji. Misje takie jak FUSE i Hayabusa JAXY.
Utrata kół reakcyjnych Keplera i genialne rozwiązanie
Najsłynniejszy z nich to kosmiczny teleskop Kepler NASA, wystrzelony 9 marca 2009 roku w celu znalezienia planet krążących wokół innych gwiazd. Kepler został wyposażony w 4 koła reakcyjne. Trzy były konieczne, aby utrzymać teleskop dokładnie wycelowany w obszar nieba, a następnie zapasowy.
Obserwował, czy jakaś gwiazda w polu widzenia zmienia jasność o współczynnik 1 na 10 000, co wskazuje, że planeta może przelecieć przed nią. Aby zaoszczędzić przepustowość, Kepler faktycznie przesyłał tylko informacje o zmianie jasności samych gwiazd.
W lipcu 2012 r. Jedno z czterech kół reakcyjnych Keplera uległo awarii. Wciąż miał trzy, co stanowiło minimum, które było potrzebne, aby być wystarczająco stabilnym, aby kontynuować obserwacje. A potem w maju 2013 r. NASA ogłosiła, że Kepler miał awarię innego koła. Więc było tylko dwa.
Spowodowało to zatrzymanie głównych operacji naukowych Keplera. Działając tylko z dwoma kołami, nie mógł dłużej utrzymywać swojej pozycji wystarczająco dokładnie, aby śledzić jasność gwiazdy.
Chociaż misja mogła zakończyć się niepowodzeniem, inżynierowie wymyślili genialną strategię, wykorzystując lekki nacisk Słońca do działania jako siła w jednej osi. Dzięki doskonałemu wyważeniu statku kosmicznego w świetle słonecznym byli w stanie nadal używać dwóch pozostałych kół reakcyjnych do kontynuowania obserwacji.
Ale Kepler był zmuszony spojrzeć na maleńki punkt na niebie, który akurat zrównał się z jego nową orientacją, i przesunął swoją misję naukową na poszukiwanie planet krążących wokół czerwonych karłów. Zużył swój pokładowy materiał pędny zawracając na Ziemię, aby przesyłać dane. Kepler ostatecznie skończył się 30 października 2018 r., A NASA zakończyła swoją misję.
W tym samym czasie, gdy Kepler walczył z kołami reakcyjnymi, misja NASA Dawn miała problemy z dokładnie tymi samymi kołami reakcyjnymi.
Dawn's Loss of Reaction Wheels
Dawn został wydany 27 września 2007 roku w celu zbadania dwóch największych planetoid w Układzie Słonecznym: Westy i Ceres. Statek kosmiczny wszedł na orbitę wokół Westy w lipcu 2011 roku i spędził następny rok studiując i mapując świat.
Miał opuścić Westę i udać się do Ceres w sierpniu 2012 r., Ale wyjazd był opóźniony o ponad miesiąc z powodu problemów z kołami reakcyjnymi. Począwszy od 2010 roku, inżynierowie wykrywali coraz większe tarcie w jednym z kół, więc statek kosmiczny przełączył się na trzy działające koła.
W 2012 r. Drugie z kół również zaczęło zyskiwać na sile, a statek kosmiczny został tylko z dwoma pozostałymi kołami. Nie wystarczy, aby utrzymać pełną orientację w przestrzeni za pomocą samego prądu. Oznaczało to, że musiał zacząć stosować hydrazynowy gaz pędny, aby utrzymać orientację przez pozostałą część swojej misji.
Świt dotarł do Ceres, a dzięki starannemu użyciu gazu pędnego mógł zmapować ten świat i jego dziwaczne rysy powierzchni. Wreszcie pod koniec 2018 r. Statek kosmiczny nie był w stanie wystrzelić paliwa i nie był już w stanie utrzymać swojej orientacji, odwzorować Ceres ani wysłać sygnałów z powrotem na Ziemię.
Sonda będzie nadal krążyć po Ceres, bezradnie upadając.
Istnieje długa lista misji, których koła reakcyjne zawiodły. A teraz naukowcy myślą, że wiedzą dlaczego. W 2017 r. Wydano artykuł, w którym ustalono, że przyczyną problemu jest samo środowisko kosmiczne. Gdy burze geomagnetyczne przechodzą przez statek kosmiczny, generują one ładunki na kołach reakcyjnych, które powodują wzrost tarcia i przyspieszają ich zużycie.
Umieszczę link do świetnego filmu Scotta Manleya, który jest bardziej szczegółowy.
Kosmiczny Teleskop Hubble'a i jego żyroskopy
Kosmiczny Teleskop Hubble'a jest wyposażony w koła reakcyjne, które zmieniają jego ogólną orientację, obracając cały teleskop o prędkość minutowej wskazówki na zegarze - 90 stopni w 15 minut.
Aby jednak celować w jeden cel, wykorzystuje inną technologię: żyroskopy.
Hubble ma 6 żyroskopów, które obracają się z prędkością 19 200 obrotów na minutę. Są duże, masywne i obracają się tak szybko, że ich bezwładność jest odporna na wszelkie zmiany orientacji teleskopu. Działa najlepiej z trzema - pasującymi do trzech wymiarów przestrzeni - ale może działać z dwoma, a nawet jednym, z mniej dokładnymi wynikami.
W sierpniu 2005 r. Żyroskopy Hubble'a ulegały zużyciu, a NASA przeszedł w tryb dwóch żyroskopów. W 2009 r. Podczas misji serwisowej 4 astronauci NASA odwiedzili teleskop kosmiczny i wymienili wszystkie sześć żyroskopów.
Jest to prawdopodobnie ostatni raz, kiedy astronauci kiedykolwiek odwiedzą Hubble'a, a jego przyszłość zależy od tego, jak długo potrwają te żyroskopy.
Co z Jamesem Webbem?
Wiem, że sama wzmianka o Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba denerwuje wszystkich. Do tej pory zainwestowano ponad 8 miliardów dolarów, które zostaną uruchomione za około dwa lata. Będzie leciał do punktu Lrange Lagrange'a Ziemia-Słońce L2, oddalonego o około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi.
W przeciwieństwie do Hubble'a, nie ma sposobu, aby wylecieć z Jamesa Webba, aby go naprawić, jeśli coś pójdzie nie tak. Widząc, jak często zawiodły żyroskopy, wydaje się to naprawdę niebezpiecznym słabym punktem. Co jeśli żyroskopy Jamesa Webba zawiodą? Jak możemy je wymienić?
James Webb ma na pokładzie koła reakcyjne. Są zbudowane przez Rockwell Collins Deutschland i są podobne do kół reakcyjnych na pokładzie misji NASA Chandra, EOS Aqua i Aura - więc inna technologia niż nieudane koła reakcyjne w Dawn i Kepler. Misja Aury wywołała przerażenie w 2016 r., Gdy jedno z kół reakcyjnych opadło, ale zostało odzyskane po dziesięciu dniach.
James Webb nie używa mechanicznych żyroskopów, takich jak Hubble, aby utrzymać cel. Zamiast tego korzysta z innej technologii zwanej żyroskopami rezonatora półkulistego lub HRG.
Wykorzystują one kwarcową półkulę, która została ukształtowana bardzo dokładnie, dzięki czemu rezonuje w bardzo przewidywalny sposób. Półkula jest otoczona elektrodami, które sterują rezonansem, ale wykrywają również niewielkie zmiany jego orientacji.
Wiem, że to brzmi jak bełkot, jakby napędzane snami jednorożca, ale możesz tego doświadczyć sam.
Przytrzymaj kieliszek do wina, a następnie przesuń go palcem, aby zadzwonił. Dzwonienie to kieliszek wina wyginający się do przodu i do tyłu z częstotliwością rezonansową. Podczas obracania szkła zginanie do przodu i do tyłu również się obraca, ale pozostaje w tyle za orientacją w bardzo przewidywalny sposób.
Gdy te oscylacje zachodzą tysiące razy na sekundę w krysztale kwarcu, można wykryć drobne ruchy, a następnie je uwzględnić.
W ten sposób James Webb pozostanie zamknięty na swoich celach.
Ta technologia latała w misji Cassini na Saturnie i działała idealnie. W rzeczywistości, według stanu na czerwiec 2011 r., NASA poinformowała, że instrumenty te przeżyły 18 milionów godzin ciągłej pracy w przestrzeni kosmicznej na ponad 125 różnych statkach kosmicznych bez żadnej awarii. W rzeczywistości jest bardzo niezawodny.
Mam nadzieję, że to wszystko wyjaśni. Koła reakcyjne lub pędne służą do zmiany orientacji statku kosmicznego w przestrzeni, dzięki czemu mogą być zwrócone w różnych kierunkach bez użycia paliwa.
Żyroskopy są używane do utrzymywania teleskopu kosmicznego dokładnie skierowanego na cel, aby zapewnić najlepsze dane naukowe. Mogą to być mechaniczne kołowrotki lub wykorzystują rezonans wibrujących kryształów do wykrywania zmian bezwładności.
