Nuostabu manyti, kad dabar kosmose yra teleskopai, nukreipiantys jų žvilgsnį į tolimus objektus valandomis, dienomis ir net savaitėmis. Pateikite tokį stabilų ir tikslų požiūrio tašką, kad galėtume sužinoti daugiau apie galaktikas, egzoplanetas ir dar daugiau.
Ir tada, kai laikas pasibaigs, erdvėlaivis gali nukreipti žvilgsnį kita linkme. Viskas nenaudojant degalų.
Viskas dėl reakcijų ratų ir giroskopų technologijos. Pakalbėkime apie tai, kaip jie dirba, kuo jie skiriasi ir kaip jų nesėkmė praeityje baigė misijas.
Čia yra greitas atsakymas. Reakcijos ratai leidžia erdvėlaiviams pakeisti savo orientaciją erdvėje, o giroskopai teleskopą palaiko neįtikėtinai stabiliai, todėl jie gali tiksliai nukreipti į taikinį.
Jei esate išklausę pakankamai astronomijos aktorių epizodų, žinote, kad visada skundžiuosi dėl reakcijos ratų. Visada atrodo, kad misijos žlunga, nutraukdamos jas per anksti, kol dar nėra mokslo.
Anksčiau aš greičiausiai vartojau terminus „reakcijos ratai“ ir „giroskopai“, tačiau jie naudojami šiek tiek skirtingai.
Pirmiausia pakalbėkime apie reakcijos ratus. Tai yra smagračio tipas, naudojamas pakeisti erdvėlaivio orientaciją. Pagalvokite apie kosminį teleskopą, kuris turi persijungti iš tikslo į taikinį, arba apie kosminį laivą, kuriam reikia pasisukti atgal į Žemę, norint perduoti duomenis.
Jie taip pat žinomi kaip impulsiniai ratai.
Kosmose nėra oro pasipriešinimo. Kai ratas pasisuka viena kryptimi, visas teleskopas pasisuka priešinga kryptimi, dėka Niutono Trečiojo įstatymo - žinote, kad kiekvienam veiksmui yra lygi ir priešinga reakcija. Kai ratai sukasi visomis trimis kryptimis, teleskopą galite pasukti bet kuria jums patinkančia kryptimi.
Ratai yra pritvirtinti vietoje ir sukasi nuo 1 000 iki 4 000 apsisukimų per minutę, sukurdami erdvėlaivio kampinį impulsą. Norėdami pakeisti erdvėlaivio orientaciją, jie keičia ratų sukimosi greitį.
Tai sukuria sukimo momentą, dėl kurio erdvėlaivis gali pakeisti savo orientaciją arba prielaidą pasirinkta kryptimi.
Ši technologija veikia tik naudojant elektrą, o tai reiškia, kad jums nereikia naudoti raketinio kuro, norint pakeisti teleskopo kryptį. Kol sukasi pakankamai rotorių, galite toliau keisti savo kryptį naudodamiesi tik saulės energija.
Reakcijos ratai naudojami beveik kiekviename ten esančiame erdvėlaivyje, nuo mažyčių „Cubesats“ iki Hablo kosminio teleskopo.
Trimis ratais galite pakeisti savo orientaciją į bet kurią 3 matmenų vietą. Tačiau Planetų draugijos „LightSail 2“ turi tik vieną impulsą, kad saulės burės orientuotųsi nuo saulės krašto iki krašto, o po to pakeltų savo orbitą vien tik saulės spinduliais.
Be abejo, mes esame geriausiai susipažinę su reakcijos ratais dėl to, kad jie sugedo, išmesdami erdvėlaivius iš komisijos. Tokios misijos kaip FUSE ir JAXA's Hayabusa.
Keplerio reakcijos ratų praradimas ir išradingas sprendimas
Labiausiai žinomas, kad NASA Kepler kosminis teleskopas, paleistas 2009 m. Kovo 9 d., Siekiant surasti kitas žvaigždes skriejančias planetas. Kepleris buvo aprūpintas 4 reakcijos ratais. Trys buvo reikalingi, kad teleskopas būtų atsargiai nukreiptas į dangų, o paskui atsarginį.
Jis stebėjo, ar bet kuri jo regėjimo lauko žvaigždė keičiasi ryškumu 1 iš 10 000, ir tai rodo, kad planeta gali praeiti priekyje. Norėdami sutaupyti pralaidumo, „Kepler“ iš tikrųjų perdavė tik informaciją apie pačių žvaigždžių ryškumo pokyčius.
2012 m. Liepos mėn. Sugedo vienas iš keturių Keplerio reakcijos ratų. Jis vis dar turėjo tris, o tai buvo minimalus skaičius, kurio reikia norint būti pakankamai stabiliam, kad būtų galima tęsti stebėjimus. O tada 2013 m. Gegužę NASA paskelbė, kad Kepleris susidūrė su kitu savo ratu. Taigi buvo iki dviejų.
Tai sustabdė pagrindines Keplerio mokslo operacijas. Važiuojant tik dviem ratais, jis nebegalėjo pakankamai tiksliai išlaikyti savo padėties, kad galėtų stebėti žvaigždės ryškumą.
Nors misija galėjo būti nesėkmė, inžinieriai sugalvojo išradingą strategiją, naudodami saulės šviesos slėgį, kad veiktų kaip jėga vienoje ašyje. Puikiai subalansuodami erdvėlaivį saulės šviesoje, jie galėjo tęsti stebėjimą naudodami kitus du reakcijos ratus.
Tačiau Kepleris buvo priverstas pažvelgti į mažą vietą danguje, kuri atsitiko su savo nauja orientacija, ir savo mokslinę misiją perkėlė į planetų, skriejančių aplink raudonąsias nykštukines žvaigždes, paieškas. Duomenims perduoti jis sunaudojo savo bortą. Kepleriui pagaliau baigėsi kuras 2018 m. Spalio 30 d., Ir NASA įvykdė savo misiją.
Tuo pat metu, kai Kepleris kovojo su savo reakcijos ratais, NASA „Aušros“ misija turėjo problemų su tais pačiais reakcijos ratais.
Aušros prarasti reakcijos ratai
Aušra buvo paleista 2007 m. Rugsėjo 27 d., Siekiant ištirti du didžiausius Saulės sistemos asteroidus: Vestą ir Ceresą. Erdvėlaivis skriejo į orbitą aplink Vestą 2011 m. Liepą ir kitus metus praleido tyrinėdamas ir kartografuodamas pasaulį.
Ji turėjo palikti Vestą ir išvykti į Ceresą 2012 m. Rugpjūčio mėn., Tačiau išvykimas buvo atidėtas daugiau nei mėnesiu dėl problemų, susijusių su jos reakcijos ratais. Nuo 2010 m. Inžinieriai aptiko vis didesnę trintį viename iš jo ratų, todėl erdvėlaivis perėjo į tris veikiančius ratus.
Ir tada 2012 m. Antrasis jo ratas taip pat pradėjo įbrėžti, o erdvėlaiviui liko tik du likę ratai. Nepakanka, kad jis būtų visiškai orientuotas į kosmosą, naudojant tik elektrą. Tai reiškė, kad ji turėjo pradėti naudoti savo hidrazino raketinį kurą, kad išlaikytų savo orientaciją per likusią misijos dalį.
Aušra pateko į Ceresą, o kruopščiai naudodama svaidomąją medžiagą sugebėjo išaiškinti šį pasaulį ir jo keistus paviršiaus bruožus. Galiausiai, 2018 m. Pabaigoje, erdvėlaivis nebebuvo propelento ir nebegalėjo išlaikyti savo orientacijos, planuoti Cereso ar siųsti savo signalų atgal į Žemę.
Erdvėlaivis toliau skrieja aplink Ceresą, bejėgiškai pasileisdamas.
Yra ilgas sąrašas misijų, kurių reakcijos ratai nepavyko. Ir dabar mokslininkai mano, kad žino kodėl. 2017 m. Buvo išleistas dokumentas, kuris nustatė, kad problemą kelia pati kosmoso aplinka. Geomagnetinėms audroms praplaukus erdvėlaivį, ant reakcijos ratų susidaro krūviai, dėl kurių padidėja trintis ir jie greičiau susidėvi.
Įdėsiu nuorodą į puikų Scotto Manley vaizdo įrašą, kuriame išsamiau aprašyta.
Hablo kosminis teleskopas ir jo giroskopai
Hablo kosminis teleskopas yra aprūpintas reakcijos ratais, kad pakeistų jo bendrą orientaciją, visą teleskopą pasukdamas maždaug minutės greičiu ant laikrodžio - 90 laipsnių per 15 minučių.
Tačiau norėdamas išlikti nukreiptas į vieną taikinį, jis naudoja kitą technologiją: giroskopus.
„Hubble“ yra 6 giroskopai, kurie sukasi per 19 200 apsisukimų per minutę. Jie yra dideli, masyvūs ir sukasi taip greitai, kad jų inercija neatsparūs bet kokiems teleskopo orientacijos pokyčiams. Jis geriausiai veikia su trimis - suderina tris erdvės matmenis -, tačiau gali veikti ir su dviem, arba net su vienu, gaudamas mažiau tikslius rezultatus.
2005 m. Rugpjūčio mėn. Hablo giroskopai nusidėvėjo, o NASA perėjo į dviejų giroskopų režimą. 2009 m. Vykdant 4-ąją misiją NASA astronautai aplankė kosminį teleskopą ir pakeitė visus šešis jo giroskopus.
Tikėtina, kad paskutinis kartas, kai astronautai kada nors lankysis Hablyje, o jo ateitis priklauso nuo to, kiek truks šie giroskopai.
O kaip Jamesas Webbas?
Aš žinau, kad paprasčiausias Džeimso Webbo kosminio teleskopo paminėjimas visus nervina. Iki šiol investuota daugiau nei 8 milijardai dolerių, kurie turėtų būti išleisti maždaug po dvejų metų. Jis skris į žemę-saulę L2 Lagrange tašką, esantį maždaug už 1,5 milijono kilometrų nuo Žemės.
Kitaip nei Hablas, nėra galimybės išskraidinti Jamesą Webbą, kad jis būtų pataisytas, jei kas nors nutinka. Ir matant, kaip dažnai giroskopai sugenda, tai iš tiesų atrodo kaip pavojinga silpnoji vieta. O kas, jei Džeimso Webbo giroskopai sugenda? Kaip mes galime juos pakeisti.
Jamesas Webbas turi reakcijos ratus. Juos sukūrė „Rockwell Collins Deutschland“ ir jie yra panašūs į reakcijos ratus NASA „Chandra“, „EOS Aqua“ ir „Aura“ misijose - taigi kitokia technologija nei nepavykusių „Dawn“ ir „Kepler“ reakcijų ratai. „Aura“ misija gąsdino 2016 m., Kai vienas iš jos reakcijos ratų sukosi žemyn, tačiau po dešimties dienų ji buvo atgauta.
Jamesas Webbas nenaudoja mechaninių giroskopų, tokių kaip „Hubble“, kad išlaikytų jį ant tikslo. Vietoje to, naudojama kita technologija, vadinama pusrutulio rezonatoriaus giroskopu arba HRG.
Jie naudoja kvarco pusrutulį, kuris suformuotas labai tiksliai, kad jis rezonuotų labai nuspėjamai. Pusrutulį supa elektrodai, kurie varo rezonansą, bet taip pat nustato bet kokius nežymius jo orientacijos pokyčius.
Aš žinau, kad tokie garsai, kaip niūrus garsas, patinka vienaragio svajonėms, bet jūs galite tai patirti.
Laikykite vyno taurę ir pirštu brūkštelėkite, kad ji suskambėtų. Skambėjimas yra taurė, kurios rezonanso dažnis lankstosi pirmyn ir atgal. Kai pasukate stiklą, pasisukimas taip pat pasisuka ir atgal, tačiau jis labai nuspėjamai atsilieka nuo orientacijos.
Kai šie virpesiai kvarco kristaluose vyksta tūkstančius kartų per sekundę, galima aptikti mažus judesius ir tada juos įvertinti.
Štai kaip Jamesas Webbas bus uždarytas į savo taikinius.
Ši technologija skraidė „Cassini“ misijos metu Saturne ir puikiai veikė. Tiesą sakant, nuo 2011 m. Birželio mėn. NASA pranešė, kad šie prietaisai patyrė 18 milijonų valandų nepertraukiamą kosmoso naudojimą daugiau nei 125 skirtinguose erdvėlaiviuose be jokio gedimo. Tai iš tikrųjų labai patikima.
Tikiuosi, kad tai išspręs. Erdvėlaiviui perorientuoti į kosmosą naudojami reakcijos arba impulsų ratai, todėl jie gali susidurti įvairiomis kryptimis nenaudodami raketinio kuro.
Giroskopai naudojami tam, kad kosminis teleskopas būtų tiksliai nukreiptas į taikinį, siekiant pateikti geriausius mokslinius duomenis. Tai gali būti mechaniniai besisukantys ratai arba jie naudoja vibruojančių kristalų rezonansą inercijos pokyčiams nustatyti.
