Колесо реакции - Reaction wheel

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

Реакция колесо (RW) , представляет собой тип маховика используется в основном космическими аппаратами на три оси управления ориентацией , которая не требует ракет или внешних аппликаторов крутящего момента. Они обеспечивают высокую точность наведения и особенно полезны, когда космический аппарат должен вращаться на очень малые значения, например, когда телескоп должен быть направлен на звезду.

Реактивное колесо иногда используется как (и упоминается как) импульсное колесо , приводя его в действие с постоянной (или почти постоянной) скоростью вращения, чтобы наделить спутник большим количеством сохраненного углового момента . 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 ( прецессии ) этой оси космического аппарата вокруг перпендикулярной оси. Это приводит к стабилизации этой оси космического корабля в почти фиксированном направлении, что позволяет использовать менее сложную систему управления ориентацией. 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".

Гиродин (CMG) является связанным , но другим типом ориентации привода, как правило , состоящий из импульсного колеса установлен в одной оси или две осей карданные . При установке на жесткий космический корабль приложение постоянного крутящего момента к колесу с помощью одного из подвесных двигателей заставляет космический корабль развивать постоянную угловую скорость вокруг перпендикулярной оси, что позволяет контролировать направление 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 Skylab , Mir и Международную космическую станцию .

Теория

Реактивные колеса используются для управления ориентацией спутника без использования двигателей, что снижает массовую долю, необходимую для топлива.

Они работают, оснащая космический корабль электродвигателем, прикрепленным к маховику, который, когда его скорость вращения изменяется, заставляет космический корабль начать пропорциональное противовращение за счет сохранения углового момента . Реактивные колеса могут вращать космический корабль только вокруг его центра масс (см. Крутящий момент ); они не способны перемещать космический корабль из одного места в другое (см. трансляционная сила ).

Выполнение

Для трехосного управления опорные колеса должны быть установлены по крайней мере в трех направлениях, при этом дополнительные колеса должны обеспечивать дублирование системы ориентации. Резервная монтажная конфигурация может состоять из четырех колес по четырехгранной оси или запасного колеса, переносимого в дополнение к трехосной конфигурации. 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. Поэтому колеса позволяют очень точные изменения в КА отношения . 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 отменить. Поэтому конструкторы дополняют системы реактивных колес другими механизмами контроля ориентации. В присутствии магнитного поля (как на низкой околоземной орбите) космический корабль может использовать магниторегулирующие устройства (более известные как стержни крутящего момента) для передачи углового момента на Землю через ее планетарное магнитное поле. В отсутствие магнитного поля наиболее эффективной практикой является использование либо высокоэффективных реактивных двигателей, таких как ионные двигатели , либо небольших легких солнечных парусов, размещаемых в местах, удаленных от центра масс космического корабля, например, на батареях солнечных элементов или выступающие мачты.

Примеры космических аппаратов с реактивными колесами

Берешит

Beresheet был запущен на ракете Falcon 9 22 февраля 2019 года в 1:45 UTC с целью приземления на Луну . Beresheet использует технику передачи с низким энергопотреблением для экономии топлива. После четвертого маневра на эллиптической орбите, чтобы предотвратить сотрясения, когда количество жидкого топлива заканчивается, возникла необходимость в использовании реактивного колеса.

LightSail 2

LightSail 2 был запущен 25 июня 2019 года и посвящен концепции солнечного паруса . LightSail 2 использует систему реактивного колеса для изменения ориентации на очень небольшие количества, позволяя ему получать различное количество импульса от света через парус, что приводит к большей высоте.

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 сбои могут быть связаны с эффектами космической погоды . Эти события, вероятно, вызвали отказы, вызвав электростатический разряд в стальных шарикоподшипниках колес Ithaco, что поставило под угрозу плавность механизма.

Хаббл

Две миссии по обслуживанию космического телескопа Хаббл заменили реактивное колесо. В феврале 1997 года вторая миссия по обслуживанию ( STS-82 ) заменила одну после «электрических аномалий», а не каких-либо механических проблем. Изучение возвращенного механизма предоставило редкую возможность изучить оборудование, которое прошло долгую службу (7 лет) в космосе, в частности, на предмет воздействия вакуума на смазочные материалы . Смазочный состав был в «отличном состоянии». В 2002 году в рамках обслуживания миссии 3B ( STS-109 ) астронавты с шаттла « Колумбия» заменили другое реактивное колесо. 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 работали три.

Хаябуса

В 2004 году во время полета космического корабля « Хаябуса» вышло из строя реактивное колесо оси Х. Колесо оси Y вышло из строя в 2005 году, из-за чего корабль полагался на химические двигатели для поддержания контроля над ориентацией.

Кеплер

С июля 2012 года по 11 мая 2013 года два из четырех опорных колес телескопа Кеплера вышли из строя. Эта потеря сильно мешает Kepler «S способность поддерживать достаточно точную ориентацию , чтобы продолжить свою первоначальную миссию. 15 августа 2013 года инженеры пришли к выводу, что колеса реакции Кеплера не могут быть восстановлены и что поиск планет с использованием метода транзита (измерение изменений яркости звезд, вызванных вращением планет) не может продолжаться. Хотя вышедшие из строя реактивные колеса все еще функционируют, они испытывают трение, превышающее допустимые уровни, и, следовательно, затрудняют способность телескопа правильно ориентироваться. Кеплер телескоп был возвращен к его «точке состоянию покоя», конфигурации стабильной , который использует небольшое количество подруливающего топлива , чтобы компенсировать отказавшие колеса реакции, в то время как Кеплер команда рассматривать альтернативные способы применения Kepler , которые не требуют точностей экстремальных в своей ориентации по мере необходимости исходной миссии. 16 мая 2014 года НАСА расширило миссию Кеплера до новой миссии под названием K2 , которая использует Кеплер по- другому, но позволяет продолжить поиск экзопланет . 30 октября 2018 года НАСА объявило об окончании миссии Кеплера после того, как было установлено, что запас топлива исчерпан.

Рассвет

В июне 2010 года у Dawn было избыточное трение в одном реактивном колесе, и изначально планировалось, что он вылетит из Весты и начнет свое двух с половиной летнее путешествие на Цереру 26 августа 2012 года. Однако проблема с другим реактивным колесом космического корабля вынудила Dawn чтобы ненадолго отложить свой отъезд из гравитационного поля Весты до 5 сентября 2012 года, и он планировал использовать двигатели подруливающих устройств вместо реактивных колес во время трехлетнего путешествия на Цереру. Потеря реактивных колес ограничила возможности камер наблюдения на подходе к Церере.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки