Удивительно думать, что прямо сейчас в космосе есть телескопы, направляющие их взгляд на удаленные объекты в течение нескольких часов, дней и даже недель. Предоставляя точку зрения настолько стабильную и точную, что мы можем узнать подробности о галактиках, экзопланетах и многом другом.
И затем, когда время истекло, космический корабль может перевести взгляд в другом направлении. Все без использования топлива.
Это все благодаря технологии реакции колес и гироскопов. Давайте поговорим о том, как они работают, чем они отличаются, и как их неудача закончила миссии в прошлом.
Вот быстрый ответ. Реакционные колеса позволяют космическому кораблю менять свою ориентацию в пространстве, а гироскопы поддерживают невероятно устойчивый телескоп, поэтому они могут указывать на цель с высокой точностью.
Если вы прослушали достаточно эпизодов Astronomy Cast, вы знаете, я всегда жалуюсь на колеса реакции. Кажется, что это всегда является точкой неудачи в миссиях, преждевременно заканчивая их до того, как наука все закончится.
Возможно, в прошлом я использовал термины «колеса реакции» и «гироскопы» взаимозаменяемо, но они служат немного другим целям.
Во-первых, давайте поговорим о колесах реакции. Это тип маховика, используемого для изменения ориентации космического корабля. Подумайте о космическом телескопе, который должен переключаться с цели на цель, или о космическом корабле, который должен повернуться обратно на Землю, чтобы передавать данные.
Они также известны как импульсные колеса.
В космосе нет сопротивления воздуха. Когда колесо вращается в одном направлении, весь телескоп поворачивается в противоположном направлении, благодаря Третьему Закону Ньютона - вы знаете, что для каждого действия есть равная и противоположная реакция. С помощью колес, вращающихся во всех трех направлениях, вы можете поворачивать телескоп в любом направлении, которое вам нравится.
Колеса зафиксированы на месте и вращаются от 1000 до 4000 оборотов в минуту, создавая угловой момент в космическом корабле. Чтобы изменить ориентацию космического корабля, они изменяют скорость вращения колес.
Это создает крутящий момент, который заставляет космический аппарат смещать свою ориентацию или прецессию в выбранном направлении.
Эта технология работает только с электричеством, что означает, что вам не нужно использовать топливо для изменения ориентации телескопа. Пока у вас достаточно вращающихся роторов, вы можете продолжать менять направление, используя только энергию Солнца.
Колеса реакции используются практически на каждом космическом корабле, от крошечных кубатсов до космического телескопа Хаббла.
С тремя колесами вы можете изменить свою ориентацию на любое место в 3-х измерениях. Но у LightSail 2 Планетарного общества есть только одно колесо импульса, чтобы сместить ориентацию своего солнечного паруса с ребра на Солнце, а затем на широкую сторону, чтобы поднять его орбиту только одним солнечным светом.
Конечно, мы больше всего знакомы с реактивными колесами из-за того, что они терпели неудачу, выводя космический корабль из строя. Миссии типа FUSE и JAXA's Hayabusa.
Кеплеровские колеса с потерей реакции и гениальное решение
Наиболее известный космический телескоп НАСА «Кеплер», запущенный 9 марта 2009 года для поиска планет, вращающихся вокруг других звезд. Кеплер был оснащен 4 реакционными колесами. Три были необходимы, чтобы держать телескоп направленным на область неба, а затем запасной.
Он наблюдал за изменением яркости любой звезды в ее поле зрения в 1 раз на 10000, что указывает на то, что планета может проходить впереди. Чтобы сохранить пропускную способность, Кеплер фактически только передавал информацию об изменении яркости самих звезд.
В июле 2012 года один из четырех реактивных колес Кеплера вышел из строя. У него все еще было три, что было минимумом, необходимым для того, чтобы быть достаточно стабильным, чтобы продолжить свои наблюдения. А затем в мае 2013 года НАСА объявило, что у Кеплера произошел сбой с другим колесом. Так было до двух.
Это остановило основные научные операции Кеплера. Работая только с двумя колесами, он больше не мог сохранять свое положение достаточно точно, чтобы отслеживать яркость звезды.
Хотя миссия могла быть неудачной, инженеры разработали оригинальную стратегию, используя световое давление Солнца, чтобы действовать как сила на одной оси. Прекрасно уравновесив космический корабль на солнце, они смогли продолжить использовать два других колеса реакции, чтобы продолжить делать наблюдения.
Но Кеплер был вынужден посмотреть на крошечное пятно на небе, которое, как оказалось, совпадает с его новой ориентацией, и переключил свою научную миссию на поиск планет, вращающихся вокруг звезд красных карликов. Он использовал свое бортовое топливо, возвращающееся на Землю, для передачи данных. 30 октября 2018 года у Кеплера закончились запасы топлива, и НАСА завершило свою миссию.
В то же время, когда Кеплер боролся со своими реакционными колесами, у миссии НАСА на рассвете были проблемы с точно такими же реакционными колесами.
Рассветные колеса потери
Рассвет был запущен 27 сентября 2007 года с целью изучения двух самых больших астероидов в Солнечной системе: Весты и Цереры. Космический аппарат вышел на орбиту вокруг Весты в июле 2011 года и провел следующий год, изучая и картируя мир.
Он должен был покинуть Весту и отправиться в Цереру в августе 2012 года, но отъезд был задержан более чем на месяц из-за проблем с его реакционными колесами. Начиная с 2010 года, инженеры обнаруживали все большее и большее трение в одном из его колес, поэтому космический корабль переключился на три функционирующих колеса.
А затем в 2012 году второе колесо также начало набирать трение, и на космическом корабле остались только два оставшихся колеса. Недостаточно, чтобы он был полностью ориентирован в пространстве, используя только электричество. Это означало, что он должен был начать использовать свой гидразиновый пропеллент, чтобы сохранить свою ориентацию на протяжении оставшейся части миссии.
Рассвет добрался до Цереры, и благодаря тщательному использованию топлива он смог составить карту этого мира и его причудливых особенностей поверхности. Наконец, в конце 2018 года у космического корабля не было топлива, и он больше не мог сохранять ориентацию, наносить на карту Цереру или отправлять свои сигналы обратно на Землю.
Космический корабль продолжит вращаться вокруг Цереры, беспомощно падая.
Существует длинный список миссий, чьи колеса реакции не сработали. И теперь ученые думают, что знают почему. В 2017 году вышла статья, в которой определено, что проблема заключается в окружающей среде самого космоса. Когда геомагнитные бури проходят космический корабль, они генерируют заряды на реакционных колесах, которые вызывают увеличение трения и заставляют их быстрее изнашиваться.
Я поставлю ссылку на отличное видео Скотта Мэнли, которое будет более детальным.
Космический телескоп Хаббл и его гироскопы
Космический телескоп Хаббл оснащен реактивными колесами для изменения его общей ориентации, вращая весь телескоп со скоростью минутной стрелки на часах - 90 градусов за 15 минут.
Но чтобы оставаться нацеленным на одну цель, она использует другую технологию: гироскопы.
На Хаббле есть 6 гироскопов, которые вращаются со скоростью 19 200 оборотов в минуту. Они большие, массивные и вращаются настолько быстро, что их инерция противостоит любым изменениям ориентации телескопа. Лучше всего он работает с тремя - в соответствии с тремя измерениями пространства - но может работать с двумя или даже одним с менее точными результатами.
В августе 2005 года гироскопы Хаббла вышли из строя, и НАСА перешло в режим двух гироскопов. В 2009 году во время Обслуживающей миссии 4 астронавты НАСА посетили космический телескоп и заменили все шесть его гироскопов.
Вероятно, это последний раз, когда астронавты будут когда-либо посещать Хаббл, и его будущее зависит от того, как долго будут работать эти гироскопы.
Как насчет Джеймса Уэбба?
Я знаю, что простое упоминание о космическом телескопе Джеймса Вебба заставляет всех нервничать. На сегодняшний день инвестировано более 8 миллиардов долларов, которые должны быть запущены через два года. Он будет лететь к точке Лагранжа L2 Земля-Солнце, расположенной примерно в 1,5 миллиона километров от Земли.
В отличие от Хаббла, у Джеймса Вебба нет возможности отремонтировать его, если что-то пойдет не так. И видя, как часто гироскопы выходят из строя, это действительно кажется опасным слабым местом. Что если гироскопы Джеймса Вебба выйдут из строя? Как мы можем заменить их.
У Джеймса Уэбба на борту есть колеса реакции. Они построены Rockwell Collins Deutschland и похожи на колеса реакции на борту миссий NASA Chandra, EOS Aqua и Aura - поэтому они отличаются от отказавших колес реакции на Dawn и Kepler. Миссия Aura напугала в 2016 году, когда одно из ее реактивных колес затормозило, но оно было восстановлено через десять дней.
Джеймс Уэбб не использует механические гироскопы, такие как Хаббл, чтобы держать его на цели. Вместо этого он использует другую технологию, называемую полусферическими резонаторными гироскопами, или HRG.
В них используется кварцевое полушарие, которое имеет очень точную форму, поэтому оно очень предсказуемо резонирует. Полусфера окружена электродами, которые управляют резонансом, но также обнаруживают любые небольшие изменения в его ориентации.
Я знаю, что такие звуки похожи на тарабарщину, будто на них действуют мечты единорога, но вы можете испытать это на себе.
Держите рюмку, а затем щёлкните по ней пальцем, чтобы она зазвонила. Звон - это рюмка, изгибающаяся взад-вперед на резонансной частоте. Когда вы поворачиваете стекло, сгибание вперед-назад также поворачивается, но оно очень сильно отстает от ориентации.
Когда эти колебания происходят в кварцевом кристалле тысячи раз в секунду, можно обнаружить крошечные движения и затем учесть их.
Вот как Джеймс Уэбб будет держаться за свои цели.
Эта технология использовалась в миссии Кассини на Сатурне и отлично работала. Фактически, по состоянию на июнь 2011 года, НАСА сообщило, что эти приборы испытали 18 миллионов часов непрерывной работы в космосе на более чем 125 различных космических кораблях без единой неисправности. Это на самом деле очень надежно.
Я надеюсь, что это проясняет ситуацию. Колеса реакции или импульса используются для переориентации космического корабля в космосе, чтобы они могли смотреть в разные стороны без использования ракетного топлива.
Гироскопы используются для точного наведения космического телескопа на цель и получения наилучших научных данных. Это могут быть механические прядильные колеса или резонанс вибрирующих кристаллов для определения изменений инерции.
