Дивовижно думати, що у космосі зараз є телескопи, які годинами, днями і навіть тижнями дивляться на віддалені об’єкти. Надання точки зору настільки стабільною та точною, що ми можемо дізнатися деталі про галактики, екзопланети тощо.
І тоді, коли настає час, космічний апарат може перевести погляд в інший бік. Все без використання палива.
Все це завдяки технології реакційних коліс та гіроскопів. Поговоримо про те, як вони працюють, чим вони відрізняються, і як їх невдача закінчилася місіями в минулому.
Ось швидка відповідь. Реакційні колеса дозволяють космічним апаратам змінювати орієнтацію в просторі, тоді як гіроскопи тримають телескоп неймовірно стабільним, тому вони можуть націлювати на ціль з високою точністю.
Якщо ви прослухали достатньо епізодів ролі "Астрономія", ви знаєте, що я завжди нарікаю на реакційні колеса. Завжди це здається точкою невдач у місіях, закінчуючи їх передчасно, перш ніж наука все з'явиться.
Я, напевно, раніше використовував терміни реакційні колеса та гіроскопи, але вони служать дещо іншим цілям.
Спочатку поговоримо про реакційні колеса. Це тип маховика, який використовується для зміни орієнтації космічного корабля. Подумайте про космічний телескоп, якому потрібно переключитися з цілі на ціль, або космічний апарат, який повинен повернути себе на Землю для передачі даних.
Вони також відомі як імпульсні колеса.
Не існує опору повітря в космосі. Коли колесо повертається в одну сторону, весь телескоп повертається в зворотному напрямку, завдяки Третьому закону Ньютона - ви знаєте, на кожну дію виникає рівномірна і протилежна реакція. Коли колеса крутяться в усіх трьох напрямках, ви можете повернути телескоп у будь-якому напрямку.
Колеса закріплені на місці і крутяться між 1000 і 4000 обертами в хвилину, нарощуючи імпульс кута в космічному апараті. Щоб змінити орієнтацію космічного корабля, вони змінюють швидкість, з якою крутяться колеса.
Це створює крутний момент, який змушує космічний апарат зміщувати свою орієнтацію або прецедент у вибраному напрямку.
Ця технологія працює лише з електрикою, це означає, що вам не потрібно використовувати пальне для зміни орієнтації телескопа. Поки у вас обертається достатня кількість роторів, ви можете продовжувати змінювати свій напрямок, використовуючи лише потужність від Сонця.
Реакційні колеса використовуються майже на всіх космічних апаратах, від крихітних кубесатів до космічного телескопа Хаббла.
За допомогою трьох коліс ви можете змінити орієнтацію на будь-яке місце в 3-х вимірах. Але LightSail 2 Планетарного суспільства має лише одне імпульсне колесо, яке змінює орієнтацію свого сонячного вітрила - від краю до Сонця, а потім вбік, щоб підняти свою орбіту лише сонячним світлом.
Звичайно, ми найвідоміші з реакційними колесами через час, коли вони виходили з ладу, виводячи космічні кораблі з комісії. Такі місії, як FUSE та Hayabusa JAXA.
Втрата колеса реакції та винахідливе рішення Кеплера
Найвідоміше, що космічний телескоп Kepler NASA, запущений 9 березня 2009 року для пошуку планет на орбіті інших зірок. Кеплер був обладнаний 4-ма реакційними колесами. Три були необхідні, щоб телескоп ретельно вказував на область неба, а потім запасний.
Він спостерігав, як будь-яка зірка у своєму полі зору може змінити яскравість в 1 раз на 10000, що свідчить про те, що планета може проходити попереду. Щоб зберегти пропускну здатність, Кеплер фактично передав лише інформацію про зміну яскравості самих зірок.
У липні 2012 року одне з чотирьох реакційних коліс Кеплера вийшло з ладу. У нього було ще три, що було мінімумом, необхідним для того, щоб бути достатньо стабільним, щоб продовжувати свої спостереження. А потім у травні 2013 року NASA оголосила, що у Кеплера стався збій з іншим його колесом. Так було до двох.
Це припинило основні наукові операції Кеплера. Працюючи лише два колеса, він більше не міг підтримувати своє положення досить точно, щоб відстежувати яскравість зірки.
Хоча місія могла бути невдалою, інженери придумали геніальну стратегію, використовуючи світловий тиск Сонця, щоб діяти як сила в одній осі. Досконало врівноваживши космічний апарат на сонячному світлі, вони змогли продовжувати використовувати інші два реакційні колеса, щоб продовжувати робити спостереження.
Але Кеплер був змушений подивитися на крихітну пляму в небі, яка трапилася в руслі його нової орієнтації, і перенесла свою наукову місію на пошук планет, що обертаються навколо навколо червоних карликових зірок. Він використовував свій бортовий випар, повертаючись назад на Землю для передачі даних. Нарешті Кеплер закінчився паливом 30 жовтня 2018 року, і НАСА завершила свою місію.
У той же час, коли Кеплер боровся зі своїми реакційними колесами, у місії NASA «Світанок» виникли проблеми з точно такими ж реакційними колесами.
Світанок втрачає колеса реакції
Світанок був запущений 27 вересня 2007 року з метою вивчення двох найбільших астероїдів у Сонячній системі: Веста та Церера. Космічний корабель вийшов на орбіту навколо Вести в липні 2011 року і наступного року провів вивчення і складання карти світу.
Він повинен був покинути Весту і вирушити до Церери в серпні 2012 року, але виїзд затримався більш ніж на місяць через проблеми з його реакційними колесами. Починаючи з 2010 року, інженери виявляли все більше і більше тертя в одному з його коліс, тому космічний апарат перейшов на три функціонуючих колеса.
А потім у 2012 році друге колесо почало також отримувати тертя, і у космічного корабля залишилися лише два колеса, що залишилися. Недостатньо для того, щоб повністю орієнтуватися у просторі, використовуючи електроенергію. Це означало, що він повинен почати використовувати свій гідразиновий паливо, щоб підтримувати свою орієнтацію протягом усієї частини своєї місії.
Світанок перейшов до Церери, і завдяки ретельному використанню пального він зміг скласти карту цього світу та його химерних особливостей поверхні. Нарешті, наприкінці 2018 року космічний корабель вийшов з ракетного палива, і він більше не міг підтримувати свою орієнтацію, складати карту Церери або відправляти її сигнали назад на Землю.
Космічний апарат буде продовжувати орбіту Церери, безпомічно тупаючи.
Існує довгий список місій, реакційні колеса яких вийшли з ладу. І зараз вчені думають, що знають, чому. У 2017 році вийшов документ, який визначив, що саме середовище космосу викликає проблему. Коли геомагнітні бурі проходять космічний корабель, вони створюють заряди на реакційних колесах, які викликають збільшення тертя і змушують їх швидше зношуватися.
Я покладу посилання на чудове відео Скотта Менлі, що детальніше.
Космічний телескоп Хаббл та його гіроскопи
Космічний телескоп Хаббл оснащений реакційними колесами для зміни своєї загальної орієнтації, обертаючи весь телескоп приблизно швидкістю хвилинної руки на годиннику - 90 градусів за 15 хвилин.
Але для того, щоб залишати вказівку на одну ціль, вона використовує іншу технологію: гіроскопи.
На Хабблі є 6 гіроскопів, які обертаються зі швидкістю 19200 обертів в хвилину. Вони великі, масивні і крутяться так швидко, що їх інерція чинить опір будь-яким змінам орієнтації телескопа. Він найкраще працює з трьома - відповідними трьома вимірами простору - але може працювати з двома, а то й одним, з менш точними результатами.
У серпні 2005 року гіроскопи Хаббла були зношені, і НАСА перейшло в режим двох гіроскопів. У 2009 році, під час обслуговування 4-ї місії, космонавти NASA відвідали космічний телескоп і замінили всі шість його гіроскопів.
Це, ймовірно, останній раз, коли астронавти коли-небудь відвідають Хаббл, і його майбутнє залежить від того, як довго триватимуть ці гіроскопи.
Що про Джеймса Вебба?
Я знаю, що саме згадка про космічний телескоп Джеймса Вебба робить всіх нервуючих. Понад 8 мільярдів доларів, вкладених до цього часу, належить запустити приблизно через два роки. Він летить до точки Лагранж Земля-Сонце, розташованої приблизно за 1,5 мільйона кілометрів від Землі.
На відміну від Хаббла, немає можливості вилетіти на Джеймса Вебба, щоб відремонтувати його, якщо щось піде не так. І бачити, як часто гіроскопи виходять з ладу, це насправді здається небезпечним слабким місцем. Що робити, якщо гіроскопи Джеймса Вебба не виходять? Як ми можемо їх замінити.
У Джеймса Вебба на борту є реакційні колеса. Вони побудовані компанією Rockwell Collins Deutschland, і вони схожі на колеса з реакціями на борту місій NASA Chandra, EOS Aqua і Aura NASA - настільки інша технологія від невдало реактивних коліс на світанку та Kepler. Місія «Аура» спричинила страх у 2016 році, коли одне його реакційне колесо відкинулося, але воно було відновлено через десять днів.
Джеймс Вебб не використовує механічні гіроскопи, як Хаббл, щоб тримати його в цілі. Натомість вона використовує іншу технологію, яку називають гіроскопом напівсферичного резонатора, або HRG.
Вони використовують кварцову півсферу, яка була сформована дуже точно, щоб вона резонувала дуже передбачувано. Півсфера оточена електродами, які рухають резонанс, але також виявляють будь-які незначні зміни в його орієнтації.
Я знаю, що подібні звуки нагадують гріш, на кшталт того, що живлять мрії єдинорога, але ви можете переконатись у цьому самі.
Тримайте чарку, а потім натискайте пальцем, щоб вона дзвонила. Дзвін - це скло, що згинається вперед і назад на своїй резонансній частоті. Коли ви обертаєте склянку, згинання назад і назад повертається також, але воно відстає від орієнтації дуже передбачувано.
Коли в кристалі кварцу ці коливання відбуваються тисячі разів на секунду, можна виявити крихітні рухи, а потім врахувати їх.
Ось так Джеймс Вебб залишатиметься замкненим у своїх цілях.
Ця технологія летіла під час місії Кассіні в Сатурні і працювала чудово. Насправді, станом на червень 2011 року NASA повідомляло, що ці інструменти пережили 18 мільйонів годин безперервної роботи в космосі на більш ніж 125 різних космічних апаратах без жодного поломки. Це насправді дуже надійно.
Я сподіваюся, що все прояснить. Колеса реакції або імпульсу використовуються для переорієнтації космічних апаратів у космосі, тому вони можуть стикатися в різних напрямках, не використовуючи пальне.
Гіроскопи використовуються для того, щоб космічний телескоп точно вказував на ціль, щоб забезпечити найкращі наукові дані. Вони можуть бути механічними прядилами, або вони використовують резонанс вібраційних кристалів для виявлення змін інерції.
