On hämmastav arvata, et praegu on kosmoses teleskoobid, mis suunavad nende pilku kaugetele objektidele tundide, päevade ja isegi nädalate jooksul. Pakkudes vaatepunkti, mis on nii stabiilne ja täpne, et saame teada üksikasju galaktikate, eksoplaneetide ja muu kohta.
Ja siis, kui aeg käes, võib kosmoselaev pilku teises suunas suunata. Kõik ilma kütust kasutamata.
See kõik on tänu reageerimisrataste ja güroskoopide tehnoloogiale. Räägime sellest, kuidas nad töötavad, kuidas nad on erinevad ja kuidas nende ebaõnnestumine on missioonid minevikus lõpetanud.
Siit leiate kiire vastuse. Reaktsioonirattad võimaldavad kosmoselaevadel oma orientatsiooni ruumis muuta, samal ajal kui güroskoobid hoiavad teleskoobi uskumatult stabiilsena, et nad saaksid suure täpsusega sihtpunkti suunata.
Kui olete kuulanud piisavalt astronoomialavastuste episoode, siis teate, et kurdan alati reageerimisrataste üle. Tundub, et missioonidel on alati läbikukkumise punkt, lõpetades need enneaegselt enne, kui teadus on kõik käes.
Olen ilmselt varem kasutanud termineid reaktsioonrattad ja güroskoobid vaheldumisi, kuid neil on veidi erinevad eesmärgid.
Kõigepealt räägime reageerimisratastest. Need on teatud tüüpi hooratas, mida kasutatakse kosmoselaeva suuna muutmiseks. Mõelge kosmoseteleskoobile, mis peab lülituma sihtmärgilt teisele, või kosmoselaevale, mis peab andmete edastamiseks end Maale tagasi pöörama.
Neid tuntakse ka impulssratastena.
Kosmoses puudub õhutakistus. Kui ratas pöördub ühes suunas, pöördub kogu teleskoop tänu Newtoni kolmandale seadusele vastupidises suunas - teate, et iga toimingu korral on võrdne ja vastupidine reaktsioon. Kui rattad pöörlevad kõigis kolmes suunas, saate teleskoobi pöörata mis tahes suunas.
Rattad on fikseeritud oma kohal ja pöörlevad vahemikus 1000 kuni 4000 pööret minutis, luues kosmoselaevas nurkkiirust. Kosmoseaparaadi orientatsiooni muutmiseks muudavad nad rataste pöörlemiskiirust.
See loob pöördemomendi, mille tõttu kosmoselaev suunab oma suuna või pretsessi valitud suunas.
See tehnoloogia töötab ainult elektrienergiaga, mis tähendab, et teleskoobi suuna muutmiseks ei pea te raketikütust kasutama. Kuni teil on piisavalt pöörlevaid rootoreid, saate oma suunda muuta, kasutades ainult Päikese jõudu.
Reaktsioonirattaid kasutatakse peaaegu kõigil kosmoselaevadel, alates pisikestest Cubesatitest kuni Hubble'i kosmoseteleskoobini.
Kolme rattaga saate muuta oma orientatsiooni mis tahes koha suhtes 3-mõõtmeliselt. Kuid Planetaarühingu LightSail 2-l on ainult üks hooratas, mis võimaldab päikesepurje orientatsiooni nihutada servast Päikese poole ja seejärel laiendada oma orbiiti ainult päikesevalguse mõjul.
Muidugi tunneme reaktsioonirattaid kõige paremini nende ebaõnnestunud aja tõttu, võttes kosmoseaparaadid kasutusest välja. Missioonid nagu FUSE ja JAXA’s Hayabusa.
Kepleri reageerimisrataste kaotus ja leidlik lahendus
Kõige kuulsam on NASA Kepleri kosmoseteleskoop, mis käivitati 9. märtsil 2009 teiste tähtedega tiirlevate planeetide leidmiseks. Kepler oli varustatud 4 reaktsioonirattaga. Kolm oli vajalik, et hoida teleskoop ettevaatlikult taevapiirkonna poole ja seejärel varuosa.
See jälgis, kas kõik tema vaateväljal olevad tähed muutuvad heleduses korda 1: 10 000-st, mis näitab, et planeet võib ees liikuda. Ribalaiuse säästmiseks edastas Kepler tegelikult ainult tähtede heleduse muutuse kohta käivat teavet.
2012. aasta juulis ebaõnnestus üks Kepleri neljast reageerimisrattast. Sellel oli veel kolm, mis oli miinimum, mida ta vajas vaatluste jätkamiseks piisavalt stabiilseks. Ja siis 2013. aasta mais teatas NASA, et Kepler sai teise rattaga tõrke. Nii et see jäi alla kahele.
See peatus Kepleri peamised teadustegevused. Ainult kahe rattaga töötades ei suutnud see enam oma positsiooni tähe heleduse jälgimiseks piisavalt täpselt säilitada.
Ehkki missioon võis osutuda ebaõnnestumiseks, töötasid insenerid välja leidliku strateegia, kasutades Päikeselt tulevat rõhku ühe telje jõuna. Tasakaalustades kosmoselaeva päikesevalguses ideaalselt, suutsid nad vaatluste tegemise jätkamiseks kasutada ülejäänud kahte reageerimisratast.
Kuid Kepler oli sunnitud vaatama taeva pisikest kohta, mis juhtus kooskõlas uue orientatsiooniga, ja nihutas oma teadusülesande punaste kääbustähtede ümber tiirlevate planeetide otsimisele. Ta kasutas oma pardal oleva raketikütuse andmete edastamiseks Maa poole tagasi. Kepleril lõppes kütus lõpuks 30. oktoobril 2018 ja NASA lõpetas oma missiooni.
Samal ajal, kui Kepler oli hädas oma reageerimisratastega, oli NASA Dawn-missioonil probleeme täpselt samade reageerimisratastega.
Koidiku reageerimise rataste kadumine
Dawn käivitati 27. septembril 2007 eesmärgiga uurida päikesesüsteemi kahte suurimat asteroidi: Vesta ja Ceres. Kosmoselaev läks Vesta ümbruses orbiidile 2011. aasta juulis ja veetis järgmise aasta maailma uurides ja kaardistades.
See pidi lahkuma Vesta juurest ja suunduma Ceressi 2012. aasta augustis, kuid lahkumine viibis reaktsioonirataste probleemide tõttu rohkem kui kuu võrra. Alates 2010. aastast tuvastasid insenerid ühes rattas üha suuremat hõõrdumist, nii et kosmoselaev läks kolme töötava ratta vastu.
Ja siis, 2012. aastal, hakkas ka teine selle ratastest hõõrduma ja kosmoselaevale jäeti ainult kaks allesjäänud ratast. Pole piisavalt, et hoida see täielikult kosmoses orienteeritud, kasutades ainult elektrit. See tähendas, et ta pidi kogu oma missiooni vältel oma orientatsiooni säilitamiseks kasutama oma hüdrasiinkütust.
Dawn jõudis selle Cerese juurde ja propellendi hoolika kasutamise abil suutis ta selle maailma ja selle veidrad pinnaomadused kaardistada. Lõpuks, 2018. aasta lõpus, oli kosmoseaparaat raketiküttest väljas ja ta ei suutnud enam säilitada oma orientatsiooni, Cerese kaardistada ega signaale Maale saata.
Kosmoseaparaat jätkab Cerese orbiiti, kallutades abitult.
Seal on pikk nimekiri missioone, mille reageerimise rattad pole läbi kukkunud. Ja nüüd arvavad teadlased, et nad teavad, miks. 2017. aastal ilmus paber, mis tegi kindlaks, et probleemi põhjustab kosmose keskkond ise. Kui geomagnetilised tormid läbivad kosmoselaeva, tekitavad need reageerimisratastele laengu, mis suurendab hõõrdumist ja paneb need kiiremini kuluma.
Panen lingi Scott Manley suurepärasele videole, mis läheb lähemalt.
Hubble'i kosmoseteleskoop ja selle güroskoobid
Hubble'i kosmoseteleskoop on varustatud üldrattatsiooni muutmiseks reageerimisratastega, pöörates kogu teleskoobi kella minuti jooksul kiirusel - 90 kraadi 15 minutiga.
Kuid selleks, et jääda tähelepanu ühele sihtmärgile, kasutab see teist tehnoloogiat: güroskoope.
Hubble'il on 6 güroskoopi, mis pöörlevad 19200 pöörde juures minutis. Need on suured, massiivsed ja keerlevad nii kiiresti, et nende inerts peab vastu teleskoobi suuna muutustele. See töötab kõige paremini kolmega - vastates ruumi kolmele mõõtmele -, kuid võib töötada ka kahe või isegi ühega, vähem täpsed tulemused.
2005. aasta augustis olid Hubble'i güroskoobid seljas ja NASA lülitas kahe güroskoobi režiimi. 2009. aastal külastasid 4. missiooni teenindamise ajal NASA astronaudid kosmoseteleskoopi ja asendasid kõik selle kuus güroskoopi.
See on tõenäoliselt viimane aeg, mil astronaudid kunagi Hubble'i külastavad, ja selle tulevik sõltub sellest, kui kaua need güroskoobid püsivad.
Mis saab James Webbist?
Ma tean, et pelgalt James Webbi kosmoseteleskoobi mainimine ajab kõik närvi. Siiani on investeeritud enam kui 8 miljardit dollarit ja selle turuletoomise tähtaeg on umbes kaks aastat pärast seda. See lendab Maa-Päike L2 Lagrange'i punkti, mis asub Maast umbes 1,5 miljoni kilomeetri kaugusel.
Erinevalt Hubble'ist pole James Webbist mingit võimalust lendamiseks välja lennata, kui midagi valesti läheb. Ja nähes, kui sageli güroskoobid on ebaõnnestunud, tundub see tõesti ohtlik nõrk koht. Mis saab siis, kui James Webbi güroskoobid ebaõnnestuvad? Kuidas saaksime neid asendada?
James Webbil on pardal reageerimisrattad. Need on ehitanud Rockwell Collins Deutschland ja need sarnanevad NASA Chandra, EOS Aqua ja Aura missioonide pardal olevate reaktsioonirehvidega - seega erinev tehnoloogia kui Dawnil ja Kepleril nurjunud reageerimisrattad. Aura missioon pakkus 2016. aastal hirmu, kui üks selle reaktsiooniratastest keerles alla, kuid kümne päeva pärast taastus ta.
James Webb ei kasuta mehhaanilisi güroskoope nagu Hubble, et seda sihtmärgil hoida. Selle asemel kasutab see erinevat tehnoloogiat, mida nimetatakse poolkerakujuliste resonaatorgüroskoopideks ehk HRG-deks.
Need kasutavad kvartsist poolkera, mis on kujundatud väga täpselt, nii et see resoneerub väga etteaimataval viisil. Poolkera ümbritsevad elektroodid, mis juhivad resonantsi, kuid tuvastavad ka selle orientatsiooni väikesed muutused.
Ma tean, et sellised helid kõlavad nagu gibberish, nagu neid saaksid ükssarvikunenäod, kuid saate seda ise kogeda.
Hoidke veiniklaasi ja libistage seda sõrmega, nii et see heliseb. Helinaks on veiniklaas, mis paindub resonantssagedusel edasi-tagasi. Klaasi pöörates pöördub ka edasi-tagasi painutamine, kuid see jääb orienteeritusest väga ettearvataval viisil maha.
Kui need võnkumised toimuvad kvartskristallides tuhandeid kordi sekundis, on võimalik tuvastada pisikesi liikumisi ja need siis arvesse võtta.
Nii jääb James Webb oma eesmärkidest lukku.
See tehnoloogia on lennanud Saturnil Cassini missioonil ja töötas suurepäraselt. Tegelikult oli NASA 2011. aasta juuni seisuga teatanud, et need instrumendid on kogenud 18 miljonit tundi pidevat kosmoseaega enam kui 125 erineval kosmoseaparaadil ilma ühegi rikketa. See on tegelikult väga usaldusväärne.
Loodan, et see lahendab asjad. Kosmosesõidukite ümberorienteerimiseks kasutatakse reaktsiooni- või impulssrattaid, nii et need saavad raketikütuse kasutamist suunata eri suundades.
Parimate teaduslike andmete saamiseks kasutatakse güroskoope, et hoida kosmoseteleskoop täpselt sihtpunkti suunatud. Need võivad olla mehaanilised pöörlevad rattad või kasutavad inertsimuutuste tuvastamiseks vibreerivate kristallide resonantsi.
