Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 [1] : 362 и особенно полезны, когда космический аппарат должен вращаться на очень малые значения, например, когда телескоп направлен на звезду.

Реакционное колесо иногда используется как (и называется) импульсным колесом , 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 (как правило, меньшему) угловому движению ( прецессии ) этой оси космического корабля вокруг перпендикулярной оси. Это приводит к стабилизации этой оси космического корабля в почти фиксированном направлении [1] : 362с 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".

Гиродин (CMG) является связанным , но другим типом ориентации привода, как правило , состоящий из импульсного колеса установлен в одной оси или две осей карданные . [1] : 362 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 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 Skylab , Mir и Международную космическую станцию .

Теория [ править ]

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 . [2] 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. поступательная сила ).

Реализация [ править ]

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 четырехгранной оси [3] или запасного колеса, переносимого в дополнение к трехосной конфигурации. [1] : 369 Изменениями скорости (в любом направлении) управляет компьютер. 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 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 магниторегулирующие устройства (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 либо высокоэффективных реактивных двигателей, таких как ионные двигатели , либо небольших легких солнечных парусов. размещены в местах, удаленных от центра масс космического корабля, например, на батареях солнечных батарей или выступающих мачтах.

Космический корабль с реактивными колесами [ править ]

Берешит [ править ]

Beresheet был запущен на ракете Falcon 9 22 февраля 2019 года в 1:45 UTC [4] с целью приземления на Луну . Beresheet использует технику передачи энергии с низким энергопотреблением для экономии топлива. Начиная с его четвертого маневра [5] на эллиптической орбите, чтобы предотвратить сотрясения, когда количество жидкого топлива заканчивается, возникла необходимость в использовании реактивного колеса.

LightSail 2 [ править ]

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, проходящего через парус, что приводит к большей высоте. [6]

Неудачи и влияние миссии [ править ]

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 отказы 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. [7]

Хаббл [ править ]

Две миссии по обслуживанию космического телескопа Хаббл заменили реактивное колесо. В феврале 1997 года вторая миссия по обслуживанию ( STS-82 ) заменила одну [8] после «электрических аномалий», а не каких-либо механических проблем. [9] Изучение возвращенного механизма предоставило редкую возможность изучить оборудование, прошедшее долгую службу (7 лет) в космосе, в частности, на предмет воздействия вакуума на смазочные материалы . Смазочный состав был в «отличном состоянии». [9] В 2002 году, в миссии обслуживания 3B ( STS-109 ), астронавты с шаттла « Колумбия» заменили 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, пока три из них работали. [10]

Хаябуса [ править ]

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. [11]

Кеплер [ править ]

С июля 2012 г. по 11 мая 2013 г. вышло из строя два из четырех реактивных колес телескопа Кеплера . Эта потеря сильно мешает Kepler «S способность поддерживать достаточно точную ориентацию , чтобы продолжить свою первоначальную миссию. [12] 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. [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. 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. [17] 16 мая 2014 года НАСА расширило миссию Кеплера до новой миссии под названием K2 , в которой используется Кеплер.иначе, но позволяет продолжить поиск экзопланет . [18] 30 октября 2018 года НАСА объявило об окончании миссии «Кеплер» после того, как было установлено, что запас топлива исчерпан. [19]

Рассвет [ править ]

В июне 2010 года у Dawn было избыточное трение в одном реактивном колесе, и первоначально планировалось, что он вылетит из Весты и начнет свое двух с половиной летнее путешествие к Церере 26 августа 2012 года. [20] Однако проблема с реакцией другого космического корабля колеса вынудили Dawn ненадолго отложить свой отъезд из гравитации Весты до 5 сентября 2012 года, и он планировал использовать двигатели подруливающих устройств вместо реактивных колес во время трехлетнего путешествия на Цереру. [20] Потеря реактивных колес ограничила возможности камеры наблюдения на подходе к Церере.

См. Также [ править ]

  • Гироскоп контрольного момента
  • Система контроля реакции
  • Движение космического корабля
  • ROSAT , спутник потерян, когда были превышены ограничения в его контрольной зоне
  • UTC Aerospace Systems , владелец компании Ithaco Space Systems, Inc., которая построила злополучные реактивные колеса (среди прочего) для космических кораблей Kepler, Dawn и Hayabusa.

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г д 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 . Проверено 15 июня 2018 .
  3. ^ «Контроль отношения» . Universität Stuttgart Institut für Raumfahrtsysteme . Проверено 12 августа +2016 .
  4. ^ "Израиль-луна-миссия-запущена-успешно" .
  5. ^ "Spaceil-проводит-другой-успешный-маневр" .
  6. ^ "Краудфандинг-космический корабль-световой парус-2-готовится к плаванию на солнечном свете" .
  7. ^ В. Бялке, Э. Ханселл « Недавно обнаруженная ветвь дерева отказов, объясняющая системные отказы и аномалии колеса реакции », 2017
  8. ^ a b «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, DJ; Бертран, Пенсильвания (1999). "Анализ смазки реактивного колеса космического телескопа Хаббл". Журнал космических аппаратов и ракет . 36 (1): 109–113. Bibcode : 1999JSpRo..36..109C . DOI : 10.2514 / 2.3422 .
  10. ^ «Гироскопы» . ЕКА . Проверено 8 апреля 2016 года .
  11. ^ "Хаябуса" . НАСА . Архивировано из оригинала на 1 июня 2013 года . Проверено 15 мая 2013 года .
  12. ↑ Майк Уолл (15 мая 2013 г.). «Космический корабль Кеплера для охоты за планетами потерпел серьезную неудачу, - сообщает НАСА» . Space.com . Проверено 15 мая 2013 года .
  13. ^ «НАСА прекращает попытки полностью восстановить космический корабль Кеплера, рассматриваются возможные новые миссии» . 15 августа 2013 . Проверено 15 августа 2013 года .
  14. ^ Overbye, Dennis (15 августа 2013). «Кеплер НАСА исправлен, но не может полностью восстановиться» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 15 августа 2013 года .
  15. Перейти ↑ Wall, Mike (15 августа 2013 г.). "Дни охоты за планетами космического корабля НАСА Кеплер, вероятно, закончились" . Space.com . Проверено 15 августа 2013 года .
  16. ^ "Кеплер: НАСА снимает с охоты за планетами большой телескоп" .
  17. ^ Хантер, Роджер. «Обновление диспетчера миссии Кеплера: результаты тестов» . NASA.gov . НАСА . Проверено 24 сентября 2013 года .
  18. ^ Sobeck, Чарли (16 мая 2014). Джонсон, Мишель (ред.). "Обновление менеджера миссии Кеплера: К2 одобрен!" . nasa.gov . Официальный представитель НАСА: Брайан Данбар; Изображение предоставлено: NASA Ames / W. Stenzel. НАСА . Архивировано 17 мая 2014 года . Проверено 17 мая 2014 года .
  19. ^ Чжоу, Фелиция (2018-10-30). «НАСА снимает с производства космический телескоп Кеплера, пропустив факел для охоты за планетами» . НАСА . Проверено 16 ноября 2018 .
  20. ^ a b Кук, Цзя-Жуй С. (18 августа 2012 г.). «Инженеры рассвета оценивают колесо реакции» . НАСА / Лаборатория реактивного движения. Архивировано из оригинала 15 марта 2015 года . Проверено 22 января 2015 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Синклер, Дуг; Грант, К. Корделл; Зи, Роберт Э. (2007). «Включение технологии колеса реакции для высокопроизводительного управления ориентацией наноспутников» (PDF) .
  • «Колесо реакции в Wolfram Research» . Июнь 2008 г.
  • Маркли, Ф. Лэндис; Рид Г. Рейнольдс; Фрэнк X. Лю; Кеннет Л. Лебсок (2009). "Максимальные значения крутящего момента и импульса для опорных колесных решеток" (PDF) .