Ir pārsteidzoši domāt, ka šobrīd kosmosā ir teleskopi, kas stundām, dienām un pat nedēļām virza viņu skatienu uz tālu objektiem. Nodrošināt tik stabilu un precīzu skata punktu, lai mēs varētu uzzināt sīkāku informāciju par galaktikām, eksoplanetām un daudz ko citu.
Un tad, kad laiks ir beidzies, kosmosa kuģis var novirzīt savu skatienu citā virzienā. Viss bez degvielas izmantošanas.
Tas viss pateicoties reakcijas riteņu un žiroskopu tehnoloģijai. Parunāsim par to, kā viņi strādā, kā viņi atšķiras un kā viņu neveiksmes ir beigušas misijas pagātnē.
Šeit ir ātrā atbilde. Reakcijas riteņi ļauj kosmosa kuģiem mainīt savu orientāciju telpā, savukārt žiroskopi teleskopu notur neticami stabilu, tāpēc tie ar lielu precizitāti var norādīt uz mērķi.
Ja esat noklausījies pietiekami daudz Astronomy Cast epizožu, jūs zināt, ka es vienmēr sūdzos par reakcijas riteņiem. Vienmēr šķiet, ka misijās tiek piedzīvots neveiksmju punkts, pārtraucot tās priekšlaicīgi, pirms zinātnē viss ir iesākumā.
Iespējams, ka agrāk es esmu savstarpēji aizvietojis terminus reakcijas riteņi un žiroskopus, taču tie kalpo nedaudz atšķirīgiem mērķiem.
Pirmkārt, parunāsim par reakcijas riteņiem. Tie ir spararata tips, ko izmanto, lai mainītu kosmosa kuģa orientāciju. Padomājiet par kosmosa teleskopu, kam jāpārslēdzas no mērķa uz mērķi, vai kosmosa kuģi, kuram jāgriežas atpakaļ uz Zemi, lai pārraidītu datus.
Tos sauc arī par impulsu riteņiem.
Kosmosā nav gaisa pretestības. Kad ritenis pagriežas vienā virzienā, viss teleskops pagriežas pretējā virzienā, pateicoties Ņūtona trešajam likumam - jūs zināt, ka katrai darbībai ir vienāda un pretēja reakcija. Kad riteņi griežas visos trīs virzienos, jūs varat pagriezt teleskopu jebkurā vēlamajā virzienā.
Riteņi ir fiksēti vietā un griežas no 1000 līdz 4000 apgriezieniem minūtē, veidojot kosmosa kuģa leņķisko impulsu. Lai mainītu kosmosa kuģa orientāciju, tie maina ātrumu, ar kādu riteņi griežas.
Tas rada griezes momentu, kas liek kosmosa kuģim mainīt tā orientāciju vai precesi izvēlētajā virzienā.
Šī tehnoloģija darbojas tikai ar elektrību, kas nozīmē, ka jums nav jāizmanto degviela, lai mainītu teleskopa orientāciju. Kamēr jums ir pietiekami daudz rotoru, jūs varat mainīt savu virzienu, izmantojot tikai saules enerģiju.
Reakcijas riteņi tiek izmantoti gandrīz katrā kosmosa kuģī, sākot no sīkiem Cubesats līdz Habla kosmiskajam teleskopam.
Izmantojot trīs riteņus, jūs varat mainīt savu orientāciju uz jebkuru 3 dimensiju vietu. Bet Planētu biedrības LightSail 2 ir tikai viens impulsa ritenis, lai pārvietotu savas saules buras orientāciju no malas uz Sauli un pēc tam pa labi, lai paceltu savu orbītu tikai ar saules stariem.
Protams, mēs esam vislabāk pazīstami ar reakcijas riteņiem, ņemot vērā to neizdošanās laiku, paņemot kosmosa kuģus ārpus komisijas. Tādas misijas kā FUSE un JAXA’s Hayabusa.
Keplera reakcijas riteņu zaudējums un ģeniālais risinājums
Visslavenākais ir NASA Keplera kosmiskais teleskops, kas tika palaists 2009. gada 9. martā, lai atrastu planētas, kas riņķo ap citām zvaigznēm. Keplers bija aprīkots ar 4 reakcijas riteņiem. Trīs bija nepieciešami, lai teleskops būtu uzmanīgi vērsts uz debesu reģionu, un pēc tam rezerves.
Tas vēroja, kā jebkura zvaigzne sava redzamības laukā mainās spilgtumā ar koeficientu 1 no 10 000, norādot, ka priekšā varētu iet planēta. Lai ietaupītu joslas platumu, Keplers faktiski pārsūtīja tikai informāciju par pašu zvaigžņu spilgtuma izmaiņām.
2012. gada jūlijā viens no četriem Keplera reakcijas riteņiem neizdevās. Tam joprojām bija trīs, kas bija minimums, kas nepieciešams, lai spētu būt pietiekami stabils, lai turpinātu novērojumus. Un tad 2013. gada maijā NASA paziņoja, ka Kepleram bija neveiksme ar citu no tā riteņiem. Tātad tas bija līdz diviem.
Tas apturēja Keplera galvenās zinātniskās operācijas. Darbojoties tikai diviem riteņiem, tas vairs nevarēja pietiekami precīzi saglabāt savu stāvokli, lai izsekotu zvaigznes spilgtumu.
Lai arī misija varēja būt neveiksme, inženieri izdomāja ģeniālu stratēģiju, izmantojot Saules gaismas spiedienu, lai darbotos kā spēks vienā asī. Perfekti līdzsvarojot kosmosa kuģi saules gaismā, viņi varēja turpināt izmantot pārējos divus reakcijas riteņus, lai turpinātu veikt novērojumus.
Bet Keplers bija spiests palūkoties uz niecīgo vietu debesīs, kas notika pēc jaunās orientācijas, un savu zinātnisko misiju pārcēla uz planētu meklēšanu, kas riņķo ap sarkanām punduru zvaigznēm. Datu pārraidei tas izmantoja savu borta degvielu, pagriežoties atpakaļ uz Zemi. Kepleram beidzot beidzās degviela 2018. gada 30. oktobrī, un NASA noslēdza savu misiju.
Tajā pašā laikā, kad Keplers cīnījās ar saviem reakcijas riteņiem, NASA misijai Dawn bija problēmas ar tieši tādiem pašiem reakcijas riteņiem.
Rītausmas zaudētie reakcijas riteņi
Rītausma tika palaista 2007. gada 27. septembrī ar mērķi izpētīt divus lielākos Saules sistēmas asteroīdus: Vesta un Ceres. Kosmosa kuģis devās orbītā ap Vesta 2011. gada jūlijā un nākamo gadu pavadīja, pētot un kartējot pasauli.
Bija paredzēts atstāt Vesta un doties uz Ceresu 2012. gada augustā, taču izbraukšana aizkavējās par vairāk nekā mēnesi, jo bija problēmas ar tā reakcijas riteņiem. Sākot ar 2010. gadu, inženieri konstatēja arvien lielāku berzi vienā no tā riteņiem, tāpēc kosmosa kuģis pārslēdzās uz trim funkcionējošajiem riteņiem.
Un tad 2012. gadā otrais no tā riteņiem sāka iegūt berzi, un kosmosa kuģim tika atstāti tikai divi atlikušie riteņi. Nepietiek, lai pilnībā orientētos kosmosā, izmantojot tikai elektrību. Tas nozīmēja, ka tai bija jāsāk izmantot hidrazīna propelents, lai saglabātu orientāciju visā atlikušajā misijas laikā.
Rītausma to panāca Ceresam, un, uzmanīgi lietojot propelentu, tā spēja kartēt šo pasauli un tās dīvainās virsmas īpašības. Visbeidzot, 2018. gada beigās kosmosa kuģis vairs nebija darbināms, un tas vairs nespēja saglabāt savu orientāciju, kartēt Ceres vai nosūtīt savus signālus atpakaļ uz Zemi.
Kosmosa kuģis turpinās riņķot pa Cēresu, bezpalīdzīgi noslīdot.
Pastāv garš saraksts ar misijām, kuru reakcija nav izdevusies. Un tagad zinātnieki domā, ka zina, kāpēc. 2017. gadā tika izdots dokuments, kas noteica, ka problēmu rada pati kosmosa vide. Kad ģeomagnētiskās vētras šķērso kosmosa kuģi, tās rada lādiņus uz reakcijas riteņiem, kas palielina berzi un liek tiem ātrāk nolietoties.
Es ievietošu saiti uz lielisku Skota Manlija videoklipu, kurā sniegta sīkāka informācija.
Habla kosmiskais teleskops un tā žiroskopi
Habla kosmiskais teleskops ir aprīkots ar reakcijas riteņiem, lai mainītu tā kopējo orientāciju, visu teleskopu pagriežot apmēram minūtes ātrumu pulkstenī - 90 grādus 15 minūtēs.
Lai paliktu norādīts uz vienu mērķi, tas izmanto citu tehnoloģiju: žiroskopus.
Uz Habla ir 6 žiroskopi, kas griežas ar ātrumu 19 200 apgriezieniem minūtē. Tie ir lieli, masīvi un griežas tik ātri, ka to inerce ir pretestīga jebkurām izmaiņām teleskopa orientācijā. Vislabāk tas darbojas ar trim - saskaņojot telpas trīs dimensijas -, bet var darboties ar diviem vai pat vienu, ar mazāk precīziem rezultātiem.
2005. gada augustā Habla žiroskopi nolietojās, un NASA pārslēdzās uz divu žiroskopu režīmu. 2009. gadā 4. apkalpošanas misijas laikā NASA astronauti apmeklēja kosmosa teleskopu un nomainīja visus sešus tā giroskopus.
Visticamāk, ka pēdējais laiks astronauti kādreiz apmeklēs Hablu, un tā nākotne ir atkarīga no tā, cik ilgi šie žiroskopi ilgs.
Kā ir ar Džeimsu Vebu?
Es zinu, ka tikai Džeimsa Veba kosmiskā teleskopa pieminēšana dara visus nervozus. Līdz šim ir ieguldīti vairāk nekā 8 miljardi dolāru, un to laišana tirgū būs paredzēta aptuveni divu gadu laikā. Tas lidos uz punktu Zeme-Saule L2 Lagrange, kas atrodas apmēram 1,5 miljonu kilometru attālumā no Zemes.
Atšķirībā no Habla, ja kaut kas noiet greizi, nav iespējas lidot ārā Džeimsu Vebu, lai to labotu. Un, redzot, cik bieži žiroskopi ir izgāzušies, tas tiešām šķiet bīstams vājais punkts. Ko darīt, ja Džeimsa Veba žiroskopi neizdodas? Kā mēs varam tos aizstāt?
Džeimsam Vebam ir reakcijas diski uz klāja. Tos ir veidojis Rokvels Kolinss Deutschland, un tie ir līdzīgi reakcijas riteņiem, kas atrodas NASA Chandra, EOS Aqua un Aura misijās - tātad atšķirīga tehnoloģija nekā neveiksmīgi reakcijas riteņi Dawn un Kepler. Misija “Aura” sniedza skandālu 2016. gadā, kad viens no tās reakcijas riteņiem sagriezās uz leju, bet pēc desmit dienām tā tika atgūta.
Džeimss Vebs neizmanto mehāniskos žiroskopus, piemēram, Habls, lai saglabātu to mērķī. Tā vietā tiek izmantota cita tehnoloģija, ko sauc par puslodes rezonatoru žiroskopiem jeb HRG.
Tie izmanto kvarca puslodi, kas ir veidota ļoti precīzi, lai tā rezonētu ļoti paredzamā veidā. Puslodi ieskauj elektrodi, kas virza rezonansi, bet arī atklāj nelielas tā orientācijas izmaiņas.
Es zinu, ka šāda veida izklausās kā juceklis, piemēram, to darbina vienradža sapņi, bet jūs varat to izjust pats.
Turiet vīna glāzi un pēc tam švīkājiet to ar pirkstu, lai tā zvana. Zvana ir vīna glāze, kas ar rezonanses frekvenci lokās uz priekšu un atpakaļ. Griežot stiklu, pagriežas arī uz priekšu un atpakaļ, taču tas ļoti paredzami atpaliek no orientācijas.
Kad šīs svārstības kvarca kristālā notiek tūkstošiem reižu sekundē, ir iespējams noteikt sīkas kustības un pēc tam tās ņemt vērā.
Tādā veidā Džeimss Vebs paliks pie sava mērķa.
Šī tehnoloģija ir lidojusi Cassini misijā Saturnā un lieliski darbojās. Faktiski kopš 2011. gada jūnija NASA bija ziņojusi, ka šie instrumenti ir piedzīvojuši 18 miljonu stundu nepārtrauktu darbību kosmosā vairāk nekā 125 dažādos kosmosa kuģos bez vienas kļūmes. Tas patiesībā ir ļoti uzticams.
Es ceru, ka tas izdosies. Lai pārorientētu kosmosa kuģi kosmosā, tiek izmantoti reakcijas vai impulsa riteņi, tāpēc tie var saskarties dažādos virzienos, neizmantojot propelentu.
Lai nodrošinātu vislabāko zinātnisko informāciju, giroskopus izmanto, lai kosmiskais teleskops būtu precīzi norādīts uz mērķi. Tie var būt mehāniski vērpšanas riteņi vai arī tie izmanto vibrējošu kristālu rezonansi, lai noteiktu inerces izmaiņas.
