Reaksiyon çarkı - Reaction wheel

Profilde görüntülenen küçük bir reaksiyon çarkı
Bir uydunun kesin konumunu korumak için yüksek hassasiyetli Konik Toprak Sensörünün bir parçasını içeren bir momentum/tepki çarkı

Bir tepki çarkı (RW), roketler veya harici tork uygulayıcıları gerektirmeyen, öncelikle uzay aracı tarafından üç eksenli tutum kontrolü için kullanılan bir volan türüdür . Yüksek bir işaretleme doğruluğu sağlarlar ve uzay aracının bir yıldıza dönük bir teleskop tutmak gibi çok küçük miktarlarda döndürülmesi gerektiğinde özellikle yararlıdırlar.

Bir tepki çarkı bazen , bir uyduyu büyük miktarda depolanmış açısal momentumla doldurmak için sabit (veya sabite yakın) bir dönüş hızında çalıştırarak bir momentum çarkı olarak çalıştırılır (ve olarak adlandırılır) . Bunu yapmak, uzay aracının dönme dinamiklerini değiştirir, böylece uydunun bir eksenine (tekerleğin dönüş eksenine paralel eksen) dik olan bozucu torklar, bozucu tork ile aynı eksen etrafında uzay aracı açısal hareketine doğrudan neden olmaz; bunun yerine, uzay aracı ekseninin dikey bir eksen etrafında (genellikle daha küçük) açısal hareketiyle ( devinim ) sonuçlanırlar. Bu, uzay aracı eksenini neredeyse sabit bir yöne işaret edecek şekilde stabilize etme eğiliminde olup, daha az karmaşık bir tutum kontrol sistemine izin verir. Bu "momentum-bias" stabilizasyon yaklaşımını kullanan uydular arasında SCISAT-1 ; momentum çarkının eksenini yörünge-normal vektöre paralel olacak şekilde yönlendirerek, bu uydu bir "adım momentumu sapması" konfigürasyonundadır.

Bir kontrol momenti jiroskopu (CMG), genellikle tek eksenli veya iki eksenli bir yalpaya monte edilmiş bir momentum çarkından oluşan, ilgili ancak farklı bir tutum aktüatörüdür . Sert bir uzay aracına monte edildiğinde, yalpalama motorlarından birini kullanarak tekerleğe sabit bir tork uygulamak, uzay aracının dikey bir eksen etrafında sabit bir açısal hız geliştirmesine neden olur, böylece uzay aracının işaret yönünün kontrolüne izin verir. CMG'ler genellikle daha az motor ısıtması olan RW'lerden daha büyük sürekli torklar üretebilir ve tercihen Skylab , Mir ve Uluslararası Uzay İstasyonu dahil olmak üzere daha büyük ve/veya daha çevik uzay araçlarında kullanılır .

teori

Reaksiyon çarkları, yakıt için gerekli kütle fraksiyonunu azaltan iticiler kullanılmadan bir uydunun tutumunu kontrol etmek için kullanılır.

Uzay aracını, dönüş hızı değiştiğinde, açısal momentumun korunumu yoluyla uzay aracının orantılı olarak ters yönde dönmeye başlamasına neden olan bir volana bağlı bir elektrik motoruyla donatarak çalışırlar . Tepki çarkları, bir uzay aracını yalnızca kütle merkezi etrafında döndürebilir (bkz. tork ); uzay aracını bir yerden başka bir yere hareket ettiremezler (bkz. öteleme kuvveti ).

uygulama

Üç eksenli kontrol için, tepki tekerlekleri, tutum kontrol sistemine fazlalık sağlayan ekstra tekerleklerle en az üç yön boyunca monte edilmelidir. Yedekli bir montaj konfigürasyonu, dört yüzlü eksenler boyunca dört tekerlekten veya üç eksenli bir konfigürasyona ek olarak taşınan bir stepneden oluşabilir. Hızdaki değişiklikler (her iki yönde) bilgisayar tarafından elektronik olarak kontrol edilir. Bir reaksiyon çarkında kullanılan malzemelerin gücü, çarkın parçalanma hızını ve dolayısıyla ne kadar açısal momentum depolayabileceğini belirler.

Tepki çarkı, uzay aracının toplam kütlesinin küçük bir kısmı olduğu için, kolayca kontrol edilen, hızındaki geçici değişiklikler, açıda küçük değişikliklere neden olur. Bu nedenle tekerlekler, bir uzay aracının tutumunda çok hassas değişikliklere izin verir . Bu nedenle reaksiyon çarkları genellikle kamera veya teleskop taşıyan uzay araçlarını hedeflemek için kullanılır.

Zamanla, reaksiyon çarkları, doygunluk adı verilen ve iptal edilmesi gereken çarkın maksimum hızını aşmaya yetecek kadar depolanmış momentum oluşturabilir. Tasarımcılar bu nedenle reaksiyon çarkı sistemlerini diğer tutum kontrol mekanizmalarıyla tamamlar. Bir manyetik alanın varlığında (düşük Dünya yörüngesinde olduğu gibi), bir uzay aracı , gezegensel manyetik alanı aracılığıyla Dünya'ya açısal momentum aktarmak için manyetorkörler (daha iyi tork çubukları olarak bilinir) kullanabilir. Bir manyetik alanın yokluğunda, en verimli uygulama, iyon iticiler gibi yüksek verimliliğe sahip tutum jetleri veya uzay aracının kütle merkezinden uzak yerlere, örneğin güneş pili dizileri veya benzeri yerlere yerleştirilmiş küçük, hafif güneş yelkenleri kullanmaktır. çıkıntılı direkler

Reaksiyon tekerlekleri kullanan uzay aracı örnekleri

Beresheet

Beresheet, 22 Şubat 2019 1:45 UTC'de aya inmek amacıyla bir Falcon 9 roketiyle fırlatıldı . Beresheet, yakıt tasarrufu sağlamak için düşük enerji transfer tekniğini kullanır . Eliptik yörüngesindeki dördüncü manevrasından bu yana, akaryakıt miktarı azaldığında sarsılmaları önlemek için bir reaksiyon çarkı kullanılmasına ihtiyaç duyulmuştur.

HafifYelken 2

LightSail 2, 25 Haziran 2019'da bir güneş yelkeni konseptine odaklanarak piyasaya sürüldü . Bu farklı miktarlarda almaya sağlayan çok küçük miktarlarda 2 kullanımlar değişiklik yönelimine bir reaksiyon tekerlek sistemi, LightSail ivme gelen ışık daha yüksek bir irtifada sonuçlanan yelken üzerinde.

Başarısızlıklar ve görev etkisi

Bir veya daha fazla reaksiyon tekerleğinin arızalanması, bir uzay aracının tutum (yönlendirme) yeteneğini kaybetmesine ve dolayısıyla potansiyel olarak bir görev başarısızlığına neden olabilir. Son çalışmalar, bu başarısızlıkların uzay hava etkileri ile ilişkilendirilebileceği sonucuna varıyor . Bu olaylar, muhtemelen Ithaco tekerleklerinin çelik bilyalı yataklarında elektrostatik boşalmayı indükleyerek arızalara neden olarak mekanizmanın düzgünlüğünü tehlikeye attı.

Hubble

Hubble Uzay Teleskobu'na yapılan iki servis görevi, bir reaksiyon çarkının yerini aldı. Şubat 1997'de, İkinci Servis Misyonu ( STS-82 ) herhangi bir mekanik sorundan ziyade 'elektriksel anormalliklerden' sonra gelenin yerini aldı. İade edilen mekanizmanın incelenmesi, uzayda uzun süreli hizmet (7 yıl) geçirmiş ekipmanı, özellikle de vakumun yağlayıcılar üzerindeki etkileri için incelemek için nadir bir fırsat sağladı . Yağlama bileşiğinin 'mükemmel durumda' olduğu bulundu. 2002 yılında, Servis Misyonu 3B ( STS-109 ), Columbia mekiğinden gelen astronotlar başka bir reaksiyon çarkının yerini aldı. Bu tekerleklerin hiçbiri arızalanmamıştı ve Hubble dört yedek tekerlekle tasarlandı ve üçü işlevsel olduğu sürece işaret etme yeteneğini sürdürdü.

Hayabusa

2004 yılında, Hayabusa uzay aracının görevi sırasında , bir X ekseni reaksiyon tekerleği başarısız oldu. Y ekseni tekerleği 2005'te başarısız oldu ve geminin tutum kontrolünü sürdürmek için kimyasal iticilere güvenmesine neden oldu.

Kepler

Temmuz 2012'den 11 Mayıs 2013'e kadar, Kepler teleskopundaki dört reaksiyon çarkından ikisi başarısız oldu. Bu kayıp ciddi ölçüde engellendiği Kepler bireyin kendi özgün görevini sürdürmeye yeterli kesin yönünü korumak için yeteneği. 15 Ağustos 2013'te mühendisler, Kepler'in reaksiyon çarklarının kurtarılamayacağı ve transit yöntemi (yörüngedeki gezegenlerin neden olduğu yıldız parlaklığındaki değişiklikleri ölçen) kullanarak gezegen araştırmasının devam edemeyeceği sonucuna vardılar . Arızalı reaksiyon çarkları hala çalışıyor olsa da, kabul edilebilir seviyeleri aşan sürtünme yaşıyorlar ve sonuç olarak teleskopun kendisini doğru şekilde yönlendirmesini engelliyorlar. Kepler ise teleskop, onun "nokta dinlenme devlet", itici yakıtın kullanımları küçük miktarlarda başarısız reaksiyon tekerlekleri dengelemek için o kararlı bir yapılandırmaya döndürüldü Kepler takımı için alternatif kullanımları dikkate Kepler onun yönde aşırı hassasiyet gerektirmeyen orijinal görevin gerektirdiği şekilde. 16 Mayıs 2014'te NASA, Kepler misyonunu , Kepler'i farklı şekilde kullanan ancak ötegezegenleri aramaya devam etmesine izin veren K2 adlı yeni bir göreve genişletti . 30 Ekim 2018'de NASA, yakıt kaynağının tükendiğinin belirlenmesinin ardından Kepler görevinin sona erdiğini duyurdu.

Şafak

Dawn , Haziran 2010'da bir tepki tekerleğinde aşırı sürtünmeye sahipti ve başlangıçta Vesta'dan ayrılıp Ceres'e iki buçuk yıllık yolculuğuna 26 Ağustos 2012'de başlaması planlanıyordu. Ancak, uzay aracının tepki tekerleklerinden bir başkasıyla ilgili bir sorun, Dawn'ı zorladı. Vesta'nın yerçekiminden ayrılmasını 5 Eylül 2012'ye kadar kısa bir süre ertelemek ve Ceres'e üç yıllık yolculuk sırasında reaksiyon tekerlekleri yerine itici jetleri kullanmayı planladı. Reaksiyon çarklarının kaybı, Ceres'e yaklaşırken kamera gözlemlerini sınırladı.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar