Колесо реакции - Reaction wheel - Wikipedia

Небольшое реактивное колесо в профиль
Колесо импульса / реакции, входящее в состав высокоточного конического датчика Земли для поддержания точного положения спутника.

А колесо реакции (RW) - это тип маховик используется в основном космический корабль для трехосного контроль отношения, что не требует ракеты или внешние аппликаторы крутящего момента. Они обеспечивают высокую точность наведения,[1]:362 и особенно полезны, когда космический аппарат должен вращаться на очень малые значения, например, когда телескоп направлен на звезду.

Реактивное колесо иногда используется как (и называется) колесо импульса, работая с постоянной (или почти постоянной) скоростью вращения, чтобы наполнить спутник большим количеством сохраненных угловой момент. Это изменяет динамику вращения космического аппарата, так что возмущающие моменты, перпендикулярные одной оси спутника (ось, параллельная оси вращения колеса), не приводят непосредственно к угловому движению космического аппарата вокруг той же оси, что и возмущающий момент; вместо этого они приводят к (обычно меньшему) угловому движению (прецессия ) оси этого космического аппарата вокруг перпендикулярной оси. Это приводит к стабилизации этой оси космического корабля в почти фиксированном направлении,[1]:362 с учетом менее сложной системы ориентации. Спутники, использующие этот подход стабилизации смещения импульса, включают SCISAT-1; Благодаря ориентации оси колеса импульса параллельно вектору нормали к орбите, этот спутник находится в конфигурации "смещения импульса основного тона".

А гироскоп контрольного момента (CMG) - это родственный, но другой тип позиционного привода, обычно состоящий из импульсного колеса, установленного в одноосном или двухосном исполнении. подвес.[1]:362 При установке на жестком космическом корабле приложение постоянного крутящего момента к колесу с помощью одного из подвесных двигателей заставляет космический корабль развивать постоянную угловую скорость вокруг перпендикулярной оси, что позволяет управлять направлением наведения космического корабля. CMG, как правило, способны создавать больший устойчивый крутящий момент, чем RW с меньшим нагревом двигателя, и предпочтительно используются в более крупных и / или более маневренных космических аппаратах, включая Скайлаб, Мир, а Международная космическая станция.

Теория

Реактивные колеса используются для управления ориентацией спутника без использования двигателей, что снижает массовая доля нужен для топлива.

Они работают, оснащая космический корабль электродвигателем, прикрепленным к маховику, который, когда его скорость вращения изменяется, заставляет космический корабль начать пропорциональное противовращение через сохранение углового момента.[2] Реактивные колеса могут вращать космический корабль только вокруг центр массы (видеть крутящий момент ); они не способны перемещать космический корабль из одного места в другое (см. поступательная сила ).

Выполнение

Для трехосного управления опорные колеса должны быть установлены как минимум в трех направлениях, при этом дополнительные колеса должны обеспечивать дублирование системы ориентации. Резервная монтажная конфигурация может состоять из четырех колес по четырехгранным осям,[3] или запасное колесо в дополнение к трехосной конфигурации.[1]:369 Изменения скорости (в любом направлении) контролируются электронным способом с помощью компьютера. Прочность материалов, используемых в реактивном колесе, определяет скорость, с которой колесо развалится, и, следовательно, то, сколько углового момента оно может сохранить.

Поскольку реактивное колесо составляет небольшую часть общей массы космического корабля, его легко контролировать, временные изменения его скорости приводят к небольшим изменениям угла. Таким образом, колеса позволяют очень точно изменять параметры космического корабля. отношение. По этой причине реактивные колеса часто используются для прицеливания космических аппаратов с камерами или телескопами.

Со временем реактивные колеса могут набрать достаточно накопленного импульса, чтобы превысить максимальную скорость колеса, называемую насыщением, которую необходимо будет отменить. Поэтому конструкторы дополняют системы реактивных колес другими механизмами контроля ориентации. В присутствии магнитного поля (как на низкой околоземной орбите) космический корабль может использовать магниторез (более известные как стержни крутящего момента) для передачи углового момента на Землю через ее планетное магнитное поле.[1]:368 В отсутствие магнитного поля наиболее эффективной практикой является использование высокоэффективных форсунок, таких как ионные двигатели, или маленький, легкий солнечные паруса размещены в местах, удаленных от центра масс космического корабля, например, на батареях солнечных батарей или выступающих мачтах.

Космический корабль с помощью реактивных колес

Берешит

Beresheet был запущен на Сокол 9 ракета 22 февраля 2019 г., 1:45 UTC [4], с целью приземлиться на Луна. Берешит использует низкоэнергетический перенос техника в целях экономии топлива. С четвертого маневра [5] на его эллиптической орбите, чтобы предотвратить сотрясения из-за уменьшающегося жидкого топлива, было необходимо использовать реактивное колесо.

LightSail 2

LightSail 2 был запущен 25 июня 2019 года и сфокусирован на концепции солнечный парус. LightSail 2 использует систему реактивного колеса для изменения ориентации на очень небольшие количества, позволяя получать разное количество импульс от свет поперек паруса, что приводит к увеличению высоты. [6]

Неудачи и влияние миссии

Отказ одного или нескольких реактивных колес может привести к потере космическим аппаратом способности сохранять свое положение (ориентацию) и, таким образом, потенциально вызвать сбой миссии. Недавние исследования пришли к выводу, что эти неудачи могут быть связаны с космическая погода последствия. Эти события, вероятно, вызвали отказы из-за электростатического разряда в стали. шарикоподшипники колес Ithaco, что ставит под угрозу плавность хода механизма.[7]

Хаббл

Две сервисные миссии на Космический телескоп Хаббла заменили реактивное колесо. В феврале 1997 г. вторая миссия по обслуживанию (г.СТС-82 ) заменил один[8] после «электрических аномалий», а не какой-либо механической проблемы.[9] Изучение возвращенного механизма предоставило редкую возможность изучить оборудование, которое прошло длительную службу (7 лет) в космосе, особенно на предмет влияния вакуума на смазочные материалы. Смазочный состав был в «отличном состоянии».[9] В 2002 г. обслуживающая миссия 3B (СТС-109 ), космонавты с шаттла Колумбия заменил другое реактивное колесо.[8] Ни одно из этих колес не вышло из строя, и Хаббл был спроектирован с четырьмя дублирующими колесами и сохранял способность наведения до тех пор, пока три из них были в рабочем состоянии.[10]

Хаябуса

В 2004 году во время миссии Хаябуса В космическом корабле вышло из строя реактивное колесо оси X. Колесо оси Y вышло из строя в 2005 году, из-за чего корабль полагался на химические двигатели для поддержания контроля над ориентацией.[11]

Кеплер

С июля 2012 г. по 11 мая 2013 г. два из четырех опорных колес в Кеплер телескоп не удалось. Эта потеря сильно затруднилась Кеплерс способность сохранять достаточно точную ориентацию для продолжения своей первоначальной миссии.[12] 15 августа 2013 г. инженеры пришли к выводу, что КеплерРеагирующие колеса не могут быть восстановлены, и поиск этой планеты с использованием метода транзита (измерение изменений яркости звезд, вызванных вращением планет) не может продолжаться.[13][14][15][16] Хотя вышедшие из строя реактивные колеса все еще функционируют, они испытывают трение, превышающее допустимый уровень, и, следовательно, препятствуют способности телескопа правильно ориентироваться. В Кеплер телескоп был возвращен в его «состояние покоя», стабильную конфигурацию, которая использует небольшое количество топлива двигателя для компенсации неисправных реактивных колес, в то время как телескоп Кеплер команда рассмотрела альтернативные варианты использования Кеплер которые не требуют предельной точности ориентации, необходимой для первоначальной миссии.[17] 16 мая 2014 года НАСА продлило Кеплер миссия к новой миссии под названием K2, который использует Кеплер иначе, но позволяет продолжить поиск экзопланеты.[18] 30 октября 2018 года НАСА объявило о завершении миссии Кеплера после того, как было установлено, что запас топлива исчерпан.[19]

Рассвет

Рассвет В июне 2010 года у него было избыточное трение в одном реактивном колесе, и изначально планировалось, что он вылетит из Весты и начнет свой двух с половиной год путешествия на Цереру 26 августа 2012 года.[20] Однако проблема с другим реактивным колесом космического корабля вынудила Dawn ненадолго отложить свой отъезд из зоны притяжения Весты до 5 сентября 2012 года, и она планировала использовать реактивные двигатели вместо реактивных колес во время трехлетнего путешествия на Цереру.[20] Потеря реактивных колес ограничила возможности камер наблюдения на подходе к Церере.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Уайли Дж. Ларсон и Джеймс Р. Верц (январь 1999 г.). Анализ и проектирование космических миссий (3-е изд.). Microcosm Press. ISBN  1-881883-10-8.
  2. ^ "Колесо реакции / импульса". НАСА. Получено 15 июн 2018.
  3. ^ «Контроль настроения». Universität Stuttgart Institut für Raumfahrtsysteme. Получено 12 августа 2016.
  4. ^ "Израиль-луна-миссия-успешно запущена".
  5. ^ "spaceil-проводит-другой-успешный-маневр".
  6. ^ "Краудфандинг-космический корабль-световой парус-2-готовится к отплытию на солнечном свете".
  7. ^ В. Бялке, Э. Ханселл "Недавно обнаруженная ветвь дерева отказов, объясняющая системные отказы и аномалии колеса реакции ", 2017
  8. ^ а б "Команда Хаббла: Миссии обслуживания - Миссия обслуживания 3B". Астронавты заменили один из четырех узлов реактивного колеса, которые составляют систему управления наведением Хаббла.
  9. ^ а б Карре, Д. Дж .; Бертран, П. А. (1999). "Анализ смазки реактивного колеса космического телескопа Хаббл". Журнал космических аппаратов и ракет. 36 (1): 109–113. Bibcode:1999JSpRo..36..109C. Дои:10.2514/2.3422.
  10. ^ «Гироскопы». ЕКА. Получено 8 апреля 2016.
  11. ^ «Хаябуса». НАСА. Архивировано из оригинал 1 июня 2013 г.. Получено 15 мая, 2013.
  12. ^ Майк Уолл (15 мая 2013 г.). «Охотящийся за планетой космический корабль« Кеплер »потерпел серьезную неудачу, - заявляет НАСА». Space.com. Получено 15 мая, 2013.
  13. ^ «НАСА прекращает попытки полностью восстановить космический корабль Кеплер, рассматриваются возможные новые миссии». 15 августа 2013 г.. Получено 15 августа, 2013.
  14. ^ Прощай, Деннис (15 августа 2013 г.). «Кеплер НАСА исправлен, но не может полностью восстановиться». Нью-Йорк Таймс. Получено 15 августа, 2013.
  15. ^ Уолл, Майк (15 августа 2013 г.). "Дни охоты за планетами космического корабля НАСА" Кеплер, вероятно, закончились ". Space.com. Получено 15 августа, 2013.
  16. ^ «Кеплер: НАСА снимает с охоты за планетами большой телескоп».
  17. ^ Хантер, Роджер. «Обновление диспетчера миссий Кеплера: результаты тестов». NASA.gov. НАСА. Получено 24 сентября 2013.
  18. ^ Собек, Чарли (16 мая 2014 г.). Джонсон, Мишель (ред.). "Обновление менеджера миссии Кеплера: К2 одобрен!". nasa.gov. Официальный представитель НАСА: Брайан Данбар; Изображение предоставлено: NASA Ames / W. Stenzel. НАСА. В архиве из оригинала 17 мая 2014 г.. Получено 17 мая, 2014.
  19. ^ Чоу, Фелиция (30.10.2018). «НАСА прекращает использование космического телескопа Кеплера, отказывается от факела для поиска планет». НАСА. Получено 2018-11-16.
  20. ^ а б Кук, Цзя-Руи С. (18 августа 2012 г.). «Инженеры рассвета оценивают колесо реакции». НАСА / Лаборатория реактивного движения. Архивировано из оригинал 15 марта 2015 г.. Получено 22 января, 2015.

внешняя ссылка