ยานอวกาศลูกข่างและล้อปฏิกิริยา คุณไม่สามารถมีเพียงพอ

เป็นเรื่องน่าอัศจรรย์ที่คิดว่ามีกล้องโทรทรรศน์อยู่ในอวกาศตอนนี้ผู้กำกับมองไปที่วัตถุที่อยู่ไกลออกไปเป็นชั่วโมงวันและสัปดาห์ ให้มุมมองที่มั่นคงและแม่นยำซึ่งเราสามารถเรียนรู้รายละเอียดเกี่ยวกับกาแลคซีดาวเคราะห์นอกระบบและอีกมากมาย

จากนั้นเมื่อถึงเวลายานอวกาศสามารถเปลี่ยนการจ้องมองไปในทิศทางอื่น ทั้งหมดโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิง

ทุกอย่างต้องขอบคุณเทคโนโลยีของล้อปฏิกิริยาและลูกข่าง มาพูดคุยกันถึงวิธีการทำงานความแตกต่างและความล้มเหลวของพวกเขาได้สิ้นสุดภารกิจในอดีต

นี่คือคำตอบด่วน ล้อปฏิกิริยาอนุญาตให้ยานอวกาศเปลี่ยนทิศทางในอวกาศในขณะที่ลูกข่างเก็บกล้องโทรทรรศน์ไว้อย่างไม่น่าเชื่อดังนั้นพวกเขาจึงสามารถเล็งไปที่เป้าหมายด้วยความแม่นยำสูง

หากคุณฟัง Astronomy Cast มากพอคุณรู้ว่าฉันมักจะบ่นเกี่ยวกับวงล้อตอบโต้ ดูเหมือนว่าจะเป็นจุดล้มเหลวในการปฏิบัติภารกิจซึ่งจะสิ้นสุดก่อนกำหนดก่อนที่วิทยาศาสตร์จะเข้ามา

ฉันอาจเคยใช้วงล้อตอบโต้และไจโรสโคปสลับกันได้ในอดีต แต่มันมีจุดประสงค์ที่แตกต่างกันเล็กน้อย

ก่อนอื่นให้พูดถึงวงล้อตอบโต้ เหล่านี้เป็นประเภทของมู่เล่ใช้ในการเปลี่ยนทิศทางของยานอวกาศ คิดเกี่ยวกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ต้องเปลี่ยนจากเป้าหมายเป็นเป้าหมายหรือยานอวกาศที่ต้องหันตัวเองกลับสู่โลกเพื่อสื่อสารข้อมูล

พวกเขายังเป็นที่รู้จักกันในนามโมเมนตัมล้อ

ไม่มีความต้านทานอากาศในอวกาศ เมื่อล้อหมุนในทิศทางเดียวกล้องทั้งตัวจะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามขอบคุณกฎข้อที่สามของนิวตัน - คุณรู้ว่าสำหรับทุก ๆ การกระทำมันมีปฏิกิริยาที่เท่าเทียมและตรงกันข้าม ด้วยล้อหมุนได้ทั้งสามทิศทางคุณสามารถหมุนกล้องโทรทรรศน์ไปในทิศทางใดก็ได้ที่คุณต้องการ

ล้อได้รับการแก้ไขในสถานที่และหมุนระหว่าง 1,000 และ 4,000 รอบต่อนาทีสร้างโมเมนตัมเชิงมุมในยานอวกาศ เพื่อเปลี่ยนทิศทางของยานอวกาศพวกเขาเปลี่ยนอัตราการหมุนของล้อ

สิ่งนี้สร้างแรงบิดที่ทำให้ยานอวกาศเปลี่ยนทิศทางหรือ precess ในทิศทางที่เลือก

เทคโนโลยีนี้ทำงานร่วมกับไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวซึ่งหมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องใช้ตัวขับเคลื่อนในการเปลี่ยนทิศทางของกล้องโทรทรรศน์ ตราบใดที่คุณมีใบพัดหมุนมากพอคุณสามารถเปลี่ยนทิศทางได้โดยใช้พลังจากดวงอาทิตย์เท่านั้น

ล้อปฏิกิริยาถูกใช้กับยานอวกาศทุกชนิดที่อยู่ในนั้นตั้งแต่ก้อนเล็ก ๆ ไปจนถึงกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

ด้วยสามล้อคุณสามารถเปลี่ยนทิศทางของคุณไปยังจุดใดก็ได้ในแบบ 3 มิติ แต่ LightSail 2 ของ Planetary Society มีเพียงวงล้อเดียวที่จะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของใบเรือสุริยะจากขอบสู่ดวงอาทิตย์และจากนั้นก็โจมตีเพื่อเพิ่มวงโคจรด้วยแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว

แน่นอนว่าเราคุ้นเคยกับล้อปฏิกิริยามากที่สุดเพราะบางครั้งที่พวกเขาล้มเหลวทำให้ยานอวกาศหลุดออกจากตำแหน่ง ภารกิจเช่น FUSE และ Hayabusa ของ JAXA

การสูญเสียล้อปฏิกิริยาของเคปเลอร์และวิธีการอันชาญฉลาด

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์ของนาซ่าที่โด่งดังที่สุดได้เปิดตัวเมื่อวันที่ 9 มีนาคม 2552 เพื่อค้นหาดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่น เคปเลอร์ติดตั้งล้อทำปฏิกิริยา 4 ล้อ สามคนจำเป็นต้องให้กล้องโทรทรรศน์ชี้ไปที่บริเวณท้องฟ้าอย่างระมัดระวังแล้วก็ว่าง

มันกำลังเฝ้าดูดาวฤกษ์ทุกดวงในมุมมองของมันเพื่อเปลี่ยนความสว่างโดยมีค่า 1 ใน 10,000 ซึ่งบ่งบอกว่าดาวเคราะห์สามารถผ่านหน้าไปได้ เพื่อประหยัดแบนด์วิดท์เคปเลอร์ส่งข้อมูลเฉพาะเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความสว่างของดาวเองเท่านั้น

ในเดือนกรกฎาคม 2012 หนึ่งในสี่ล้อปฏิกิริยาของเคปเลอร์ล้มเหลว มันยังมีสามซึ่งเป็นขั้นต่ำที่จำเป็นเพื่อให้สามารถมีเสถียรภาพเพียงพอที่จะดำเนินการสังเกตต่อไป จากนั้นในเดือนพฤษภาคม 2013 NASA ประกาศว่าเคปเลอร์มีล้อเลื่อนอีกครั้ง ดังนั้นมันจึงลดเหลือสอง

สิ่งนี้ทำให้การปฏิบัติการวิทยาศาสตร์หลักของเคปเลอร์หยุดชะงัก ด้วยการใช้งานเพียงสองล้อเท่านั้นจึงไม่สามารถรักษาตำแหน่งได้อย่างถูกต้องเพียงพอเพื่อติดตามความสว่างของดาว ...

แม้ว่าภารกิจอาจล้มเหลว แต่วิศวกรก็ค้นพบกลยุทธ์ที่แยบยลโดยใช้แรงกดเบา ๆ จากดวงอาทิตย์เพื่อทำหน้าที่เป็นกำลังในแกนเดียว ด้วยการทำให้ยานอวกาศสมดุลกับแสงอาทิตย์อย่างสมบูรณ์พวกเขาสามารถใช้ล้อปฏิกิริยาสองวงต่อไปเพื่อทำการสำรวจต่อไป

แต่เคปเลอร์ถูกบังคับให้มองที่จุดเล็ก ๆ บนท้องฟ้าที่เกิดขึ้นเพื่อให้สอดคล้องกับทิศทางใหม่และเปลี่ยนภารกิจทางวิทยาศาสตร์เพื่อมองหาดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวแคระแดง มันใช้แรงขับเคลื่อนของออนบอร์ดเปลี่ยนเป็น Earth เพื่อส่งข้อมูล ในที่สุดเคปเลอร์ก็หมดเชื้อเพลิงลงในวันที่ 30 ตุลาคม 2018 และ NASA ได้ทำภารกิจเสร็จสิ้น

ในขณะเดียวกันที่เคปเลอร์กำลังดิ้นรนกับวงล้อตอบโต้ภารกิจรุ่งอรุณของนาซ่าก็กำลังมีปัญหากับวงล้อตอบสนองที่เหมือนกัน

การสูญเสียล้อปฏิกิริยาของ Dawn

รุ่งอรุณเปิดตัวเมื่อวันที่ 27 กันยายน 2550 โดยมีเป้าหมายในการสำรวจดาวเคราะห์น้อยทั้งสองที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ: เวสต้าและเซเรส ยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบเวสต้าในเดือนกรกฎาคม 2554 และใช้เวลาในปีหน้าเพื่อศึกษาและทำแผนที่โลก

มันควรจะออกจากเวสต้าและมุ่งหน้าไปที่เซเรสในเดือนสิงหาคม 2012 แต่การเดินทางนั้นล่าช้ากว่าหนึ่งเดือนเพราะปัญหาเกี่ยวกับวงล้อตอบโต้ เริ่มตั้งแต่ปี 2010 วิศวกรกำลังตรวจจับแรงเสียดทานในล้อหนึ่งล้อมากขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นยานอวกาศจึงเปลี่ยนเป็นล้อที่ใช้งานได้สามล้อ

จากนั้นในปี 2012 ล้อที่สองเริ่มมีแรงเสียดทานเช่นกันและยานอวกาศก็เหลือเพียงสองล้อที่เหลืออยู่ ไม่เพียงพอที่จะทำให้มันเต็มพื้นที่ในการใช้ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว นี่หมายความว่ามันจะต้องเริ่มต้นใช้จรวดไฮดราซีนเพื่อรักษาทิศทางของมันตลอดภารกิจที่เหลือ

รุ่งเช้าทำให้เซเรสและด้วยการใช้จรวดอย่างระมัดระวังมันสามารถทำแผนที่โลกนี้และพื้นผิวที่แปลกประหลาด ในที่สุดในช่วงปลายปี 2018 ยานอวกาศก็ออกจากจรวดและมันก็ไม่สามารถที่จะรักษาทิศทางได้อีกต่อไปเพื่อทำแผนที่เซเรสหรือส่งสัญญาณกลับสู่โลก

ยานอวกาศจะโคจรรอบเซเรสต่อไปอย่างไม่มีจุดหมาย

มีรายการภารกิจมากมายที่วงล้อตอบโต้ล้มเหลว และตอนนี้นักวิทยาศาสตร์คิดว่าพวกเขารู้ว่าทำไม มีกระดาษออกในปี 2560 ที่ระบุว่าสภาพแวดล้อมของพื้นที่ตัวเองเป็นสาเหตุของปัญหา เมื่อพายุ geomagnetic ผ่านยานอวกาศพวกมันสร้างประจุบนล้อปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดแรงเสียดทานเพิ่มขึ้นและทำให้มันสึกหรอเร็วขึ้น

ฉันจะใส่ลิงค์ไปยังวิดีโอที่ยอดเยี่ยมโดย Scott Manley ที่ให้รายละเอียดเพิ่มเติม

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและลูกหมุน

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลมีล้อหมุนตอบสนองเพื่อเปลี่ยนทิศทางโดยรวมหมุนกล้องโทรทรรศน์ทั้งหมดด้วยความเร็วเข็มนาทีบนนาฬิกา - 90 องศาใน 15 นาที

แต่เพื่อให้อยู่ในเป้าหมายเดียวมันใช้เทคโนโลยีอื่น: ไจโรสโคป

ฮับเบิลมี 6 ลูกหมุนที่หมุน 19,200 รอบต่อนาที พวกมันมีขนาดใหญ่ใหญ่และหมุนเร็วจนความเฉื่อยต่อต้านการเปลี่ยนแปลงทิศทางของกล้องโทรทรรศน์ มันทำงานได้ดีที่สุดกับสาม - จับคู่สามมิติของพื้นที่ - แต่สามารถทำงานกับสองหรือแม้แต่หนึ่งด้วยผลลัพธ์ที่แม่นยำน้อยกว่า

ในเดือนสิงหาคมปี 2005 ไจโรสโคปของฮับเบิลสวมใส่ลงและนาซ่าเปลี่ยนเป็นโหมดไจโรสโคป ในปี 2009 ในระหว่างการให้บริการภารกิจ 4 นักบินอวกาศของนาซ่าได้เยี่ยมชมกล้องโทรทรรศน์อวกาศและแทนที่ไจโรสโคปทั้งหกตัว

นี่น่าจะเป็นครั้งสุดท้ายที่นักบินอวกาศจะไปเยี่ยมฮับเบิลและอนาคตของมันขึ้นอยู่กับว่าลูกข่างเหล่านี้มีอายุการใช้งานนานเท่าใด

อะไรคือเจมส์เวบบ์?

ฉันรู้เพียงการกล่าวถึงกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ทำให้ทุกคนกังวล มากกว่า 8 พันล้านดอลลาร์ลงทุนไปแล้วและกำหนดเปิดตัวในอีกประมาณสองปีนับจากนี้ มันกำลังจะบินไปยังจุด Earth-Sun L2 Lagrange ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร

แตกต่างจากฮับเบิลไม่มีทางที่จะบินออกจากเจมส์เวบบ์เพื่อซ่อมมันหากมีอะไรผิดปกติ และเห็นว่าบ่อยครั้งที่ไจโรสโคปล้มเหลวนี่เป็นจุดอ่อนที่อันตรายจริงๆ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าไจโรของเจมส์เวบบ์ล้มเหลว เราจะเปลี่ยนมันอย่างไร

James Webb มีวงล้อปฏิกิริยาบนกระดาน พวกเขาสร้างโดย Rockwell Collins Deutschland และพวกเขาก็คล้ายกับล้อปฏิกิริยาบนภารกิจจันทรา, EOS Aqua และ Aura ของ NASA ดังนั้นเทคโนโลยีที่แตกต่างจากล้อปฏิกิริยาที่ล้มเหลวใน Dawn และ Kepler ภารกิจออร่าให้ความหวาดกลัวในปี 2559 เมื่อหนึ่งในวงล้อปฎิกริยาของมันหมุนตัวลง แต่มันก็กลับคืนมาหลังจากผ่านไปสิบวัน

James Webb ไม่ได้ใช้ลูกเล่นเชิงกลเช่นฮับเบิลเพื่อรักษาเป้าหมาย แต่ใช้เทคโนโลยีอื่นที่เรียกว่า gyos resonator gyros หรือ HRG

สิ่งเหล่านี้ใช้ซีกโลกควอทซ์ที่มีรูปร่างที่แม่นยำมากเพื่อให้สะท้อนได้อย่างที่คาดการณ์ได้ ซีกโลกนั้นล้อมรอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่ขับเสียงสะท้อน แต่ยังตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในทิศทางของมัน

ฉันรู้ว่าเสียงแบบนี้พูดพล่อยๆเหมือนถูกขับเคลื่อนโดยความฝันของยูนิคอร์น แต่คุณสามารถสัมผัสได้ด้วยตัวเอง

ถือแก้วไวน์แล้วสะบัดนิ้วของคุณเพื่อให้ดังขึ้น เสียงกริ่งดังกล่าวเป็นแก้วไวน์ที่โค้งงอไปมาที่ความถี่เรโซแนนซ์ ในขณะที่คุณหมุนกระจกการโค้งงอกลับไปกลับมาก็เช่นกัน แต่ก็ล่าช้าไปในทิศทางที่ทำนายได้

เมื่อความผันผวนเหล่านี้กำลังเกิดขึ้นหลายพันครั้งต่อวินาทีในผลึกควอทซ์มันเป็นไปได้ที่จะตรวจจับการเคลื่อนไหวเล็ก ๆ น้อย ๆ แล้วจึงพิจารณาหาสิ่งเหล่านี้

นั่นคือวิธีที่ James Webb จะล็อคเป้าหมายของตนไว้

เทคโนโลยีนี้บินผ่านภารกิจของแคสสินีที่ดาวเสาร์และทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ ในความเป็นจริง ณ เดือนมิถุนายน 2554 องค์การนาซ่าได้รายงานว่าเครื่องมือเหล่านี้มีประสบการณ์การทำงานอย่างต่อเนื่อง 18 ล้านชั่วโมงในอวกาศบนยานอวกาศมากกว่า 125 ชนิดโดยไม่มีการล้มเหลวเพียงครั้งเดียว จริงๆแล้วมันน่าเชื่อถือมาก

ฉันหวังว่าจะล้างสิ่งต่างๆ ล้อปฏิกิริยาหรือโมเมนตัมถูกนำมาใช้เพื่อปรับทิศทางยานอวกาศในอวกาศอีกครั้งดังนั้นพวกเขาจึงสามารถเผชิญหน้าในทิศทางต่าง ๆ โดยไม่ต้องใช้ตัวขับเคลื่อน

Gyroscopes ใช้เพื่อให้กล้องโทรทรรศน์อวกาศชี้ไปที่เป้าหมายอย่างแม่นยำเพื่อให้ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่ดีที่สุด พวกเขาสามารถล้อหมุนเชิงกลหรือพวกเขาใช้เสียงสะท้อนของผลึกสั่นสะเทือนเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในความเฉื่อย