Nevjerojatno je pomisliti da postoje teleskopi u svemiru, upravo sada, koji satima, danima, pa čak i tjednima usmjeravaju svoj pogled na udaljene objekte. Pružajući točku gledišta tako stabilnu i točnu da možemo naučiti pojedinosti o galaksijama, egzoplanetima i još mnogo toga.
A onda, kada vrijeme istekne, letjelica može pomaknuti pogled u drugom smjeru. Sve bez upotrebe goriva.
Sve je to zahvaljujući tehnologiji reakcijskih kotača i žiroskopa. Razgovarajmo o tome kako rade, kako su drugačiji i kako je njihov neuspjeh završio misije u prošlosti.
Evo brzog odgovora. Reakcijski kotači omogućuju svemirskim letjelicama promjenu orijentacije u prostoru, dok žiroskopi drže teleskop nevjerojatno stabilnim, tako da mogu usmjeriti na metu s visokom preciznošću.
Ako ste slušali dovoljno epizoda Astronomy Casta, znate da se uvijek žalim na reakcijske kotače. Čini se da je to uvijek točka neuspjeha na misijama, prerano ih okončati prije nego što znanost uđe.
Vjerojatno sam u prošlosti koristio izraze reakcijski kotači i žiroskopi naizmjenično, ali oni služe malo drugačijim svrhama.
Jedan od visokoučinkovitih reakcijskih kotača koje nose Kepler, Dawn i nekoliko drugih NASA misija. Zasluge: Ball Aerospace
Prvo, razgovarajmo o kotačima za reakciju. To su vrsta zamašnjaka koji se koristi za promjenu orijentacije svemirske letjelice. Razmislite o svemirskom teleskopu koji se treba prebaciti s mete na metu ili o letjelici koja se mora vratiti na Zemlju kako bi prenijela podatke.
Oni su također poznati kao momentum kotači.
U svemiru nema otpora zraka. Kada se kotač okreće u jednom smjeru, cijeli se teleskop okreće u suprotnom smjeru, zahvaljujući Newtonovom trećem zakonu - znate, za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija. S kotačima koji se okreću u sva tri smjera, možete okretati teleskop u bilo kojem smjeru.
Kotači su fiksirani na mjestu i vrte se između njih 1.000 i 4.000 okretaja u minuti, povećavajući kutni moment u letjelici. Kako bi promijenili orijentaciju letjelice, mijenjaju brzinu kojom se kotači vrte.
Izgled svemirskog teleskopa Kepler, uključujući njegova 4 reakcijska kotača. Zasluge: NASA Ames / Ball Aerospace
To stvara zakretni moment koji uzrokuje da letjelica pomakne svoju orijentaciju, ili precesu, u odabranom smjeru.
Ova tehnologija radi samo s električnom energijom, što znači da ne morate trošiti pogonsko gorivo da biste promijenili orijentaciju teleskopa. Sve dok imate dovoljno rotora koji se okreću, možete nastaviti mijenjati svoj smjer, koristeći samo energiju Sunca.
Reakcijski kotači se koriste na gotovo svim svemirskim letjelicama vani, od malenih Cubesata do svemirskog teleskopa Hubble.
S tri kotača možete promijeniti svoju orijentaciju na bilo koju točku u 3-dimenzionalnoj verziji. Ali LightSail 2 Planetary Society ima samo jedan kotač zamaha da pomakne orijentaciju svog solarnog jedra, s ruba na Sunce, a zatim na stranu da podigne svoju orbitu samo sunčevom svjetlošću.
Fotografija postavljanja jedara LightSaila 2. Zasluge: The Planetary Society
Naravno, najpoznatiji smo s reakcijskim kotačima zbog vremena kada su zatajili, povlačeći letjelice iz pogona. Misije poput FUSE i JAXA's Hayabusa.
Keplerov gubitak kotača reakcije i genijalno rješenje
Najpoznatije, NASA-in svemirski teleskop Kepler , lansiran 9. ožujka 2009. kako bi pronašao planete koji kruže oko drugih zvijezda. Kepler je bio opremljen s 4 reakcijska kotača. Tri su bila potrebna kako bi teleskop bio pažljivo usmjeren na područje neba, a zatim i rezervni.
Umjetnička ilustracija NASA-ine svemirske letjelice Kepler. Keplerova misija je skoro gotova, a zadnje gorivo je rezervirano kako bi se osiguralo da se njegovi podaci vrate kući. Slika: NASA/Kepler
Promatrao je da se bilo koja zvijezda u svom vidnom polju promijeni u sjaju za faktor 1 prema 10 000, što ukazuje da bi ispred mogao prolaziti planet. Kako bi uštedio propusnost, Kepler je zapravo samo prenosio informacije o promjeni sjaja samih zvijezda.
U srpnju 2012. otkazao je jedan od četiri Keplerova kotača za reakciju. Još uvijek je imao tri, što je bio minimum koji mu je trebao da bude dovoljno stabilan da nastavi svoja opažanja. A onda je u svibnju 2013. NASA objavila da je Kepler pokvario još jedan kotač. Dakle, svelo se na dva.
To je dovelo do zaustavljanja glavnih Keplerovih znanstvenih operacija. Sa samo dva kotača koji rade, više nije mogao održavati svoju poziciju dovoljno precizno da prati sjaj zvijezde.
Iako je misija mogla biti neuspješna, inženjeri su smislili genijalnu strategiju, koristeći svjetlosni pritisak Sunca da djeluje kao sila u jednoj osi. Savršeno balansirajući letjelicu na sunčevoj svjetlosti, uspjeli su nastaviti koristiti druga dva reakcijska kotača za nastavak promatranja.
Infografika koja pokazuje kako je svemirski teleskop Kepler nastavio tražiti planete unatoč dva slomljena reakcijska kotača. Zasluge: NASA Ames/W Stenzel
Ali Kepler je bio prisiljen pogledati malu točku na nebu koja se slučajno uskladila s njegovom novom orijentacijom, te je svoju znanstvenu misiju prebacio na traženje planeta koji kruže oko zvijezda crvenih patuljaka. Potrošio je svoje pogonsko gorivo na brodu vraćajući se na Zemlju za prijenos podataka. Kepler je konačno ostao bez goriva 30. listopada 2018., a NASA je završila svoju misiju.
U isto vrijeme kada se Kepler borio sa svojim reakcijskim kotačima, NASA-ina misija Dawn imala je problema s potpuno istim reakcijskim kotačima.
Dawn's Loss of Reaction Wheels
Dawn je lansiran 27. rujna 2007. s ciljem istraživanja dva najveća asteroida u Sunčevom sustavu: Vesta i Ceres. Letjelica je otišla u orbitu oko Veste u srpnju 2011. i sljedeću godinu provela proučavajući i mapirajući svijet.
Umjetnička ilustracija NASA-ine svemirske letjelice Dawn sa svojim ionskim pogonskim sustavom koji se približava Ceresu. Slika: NASA/JPL-Caltech.
Trebalo je ostaviti Vestu i krenuti prema Ceres u kolovozu 2012 , ali je polazak kasnio više od mjesec dana zbog problemi s njegovim reakcijskim kotačima . Počevši od 2010. godine, inženjeri su otkrivali sve više trenja u jednom od njegovih kotača, pa se letjelica prebacila na tri kotača koja rade.
A onda je 2012. i drugi njezin kotač počeo dobivati trenje, a letjelici su ostala samo dva preostala kotača. Nedovoljno da bi bio potpuno orijentiran u prostoru koristeći samo električnu energiju. To je značilo da je morao početi koristiti svoj hidrazinski pogonski pogon kako bi održao svoju orijentaciju tijekom ostatka svoje misije.
Tri pogleda na ledeni vulkan Ahuna Mons. Vrh je rekonstrukcija vulkana iz topografskih podataka, slika s lijeve strane snimljena je Dawninom kamerom za kadriranje, a slika u lažnoj boji s desne strane pokazuje prisutnost natrijevog karbonata u crvenoj i zelenoj boji. Slika: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/ASI/INAF
Zora je stigla do Ceresa i pažljivom upotrebom pogonskog goriva uspjela je zacrtati ovaj svijet i njegove bizarne površinske značajke. Konačno, krajem 2018. godine, letjelica je ostala bez pogonskog goriva i više nije mogla održavati svoju orijentaciju, mapirati Ceres ili slati svoje signale natrag na Zemlju.
Svemirska će letjelica nastaviti kružiti oko Ceresa, bespomoćno se prevrćući.
Dugačak je popis misija čiji su kotači za reakciju zakazali. A sada znanstvenici misle da znaju zašto. Bilo Rad objavljen 2017 što je utvrdilo da sam okoliš prostora uzrokuje problem. Dok geomagnetske oluje prolaze letjelicu, one stvaraju naboje na reakcijskim kotačima koji uzrokuju povećanje trenja i brže se troše.
Stavit ću link na a odličan video Scotta Manleya to ide u detaljnije.
Svemirski teleskop Hubble i njegovi žiroskopi
Svemirski teleskop Hubble opremljen je kotačićima za reakciju za promjenu cjelokupne orijentacije, rotirajući cijeli teleskop brzinom jedne minute kazaljke na satu – 90 stupnjeva u 15 minuta.
Ali kako bi ostao usmjeren na jednu metu, koristi drugu tehnologiju: žiroskope.
NASA-in svemirski teleskop Hubble. Zasluge: NASA
Tamo su 6 žiroskopa na Hubbleu koji se vrte 19.200 okretaja u minuti. Veliki su, masivni i vrte se tako brzo da se njihova inercija odupire bilo kakvim promjenama u orijentaciji teleskopa. Najbolje radi s tri – što odgovara trima dimenzijama prostora – ali može raditi s dvije, ili čak jednom, s manje točnim rezultatima.
U kolovozu 2005. Hubbleovi žiroskopi su se istrošili, a NASA je prešla u način rada s dva žiroskopa. Godine 2009., tijekom servisne misije 4, NASA-ini astronauti posjetili su svemirski teleskop i zamijenili svih šest njegovih žiroskopa.
STS61 je bila prva servisna misija svemirskog teleskopa Hubble. Zasluge: NASA
Ovo je vjerojatno posljednji put da će astronauti ikada posjetiti Hubble, a njegova budućnost ovisi o tome koliko dugo ti žiroskopi traju.
Što je s Jamesom Webbom?
Znam da samo spominjanje svemirskog teleskopa James Webb čini sve nervoznima. Do sada je uloženo više od 8 milijardi dolara, a lansiranje je predviđeno za otprilike dvije godine. Letjet će do točke Zemlja-Sunce L2 Lagrange, koja se nalazi oko 1,5 milijuna kilometara od Zemlje.
Ilustracija NASA-inog svemirskog teleskopa James Webb. Zasluge: NASA
Za razliku od Hubblea, nema načina da odletite iz Jamesa Webba da ga popravite ako nešto pođe po zlu. A gledajući koliko često žiroskopi pokvare, ovo se doista čini kao opasna slaba točka. Što ako žiroskopi Jamesa Webba pokvare? Kako ih možemo zamijeniti.
James Webb ima kotače za reakciju na brodu. Izgrađeni su od strane Rockwell Collins Njemačka , i slični su kotačićima za reakcije na NASA-inim misijama Chandra, EOS Aqua i Aura – dakle drugačija tehnologija od neuspjelih kotačića za reakciju na Dawn i Kepleru. Misija Aura zastrašila je 2016. kada se jedan od njezinih kotača za reakciju okrenuo prema dolje, ali je pronađen nakon deset dana.
Hemisferični rezonatorski žiroskop (HRG), koji se također naziva žiroskop za čaše za vino ili žiroskop s gljivama, koristi tanku polusfernu školjku u čvrstom stanju, usidrenu debelom stabljikom. Zasluga: Sagem CC BY 4.0
James Webb ne koristi mehaničke žiroskope kao što je Hubble da bi ga držao na meti. Umjesto toga, koristi drugačiju tehnologiju koja se zove hemisferični rezonatorski žiroskop ili HRG.
Oni koriste kvarcnu hemisferu koja je vrlo precizno oblikovana tako da rezonira na vrlo predvidljiv način. Hemisfera je okružena elektrodama koje pokreću rezonanciju, ali također detektiraju sve male promjene u njezinoj orijentaciji.
Znam da to zvuči kao brbljanje, kao da ga pokreću snovi jednoroga, ali ovo možete iskusiti i sami.
Držite čašu za vino, a zatim je udarite prstom tako da zazvoni. Zvonjenje je čaša koja se savija naprijed-natrag rezonantna frekvencija . Kako rotirate staklo, savijanje naprijed-natrag također se okreće, ali zaostaje za orijentacijom na vrlo predvidljiv način.
Kada se te oscilacije događaju tisuće puta u sekundi u kristalu kvarca, moguće je detektirati sićušne kretnje i zatim ih uračunati.
Tako će James Webb ostati zaključan na svojim ciljevima.
Umjetnikov dojam orbitera Cassini koji ulazi u Saturnovu atmosferu. Zasluge: NASA/JPL
Ova tehnologija je letjela u misiji Cassini na Saturnu i savršeno je radila. Zapravo, od lipnja 2011. NASA je izvijestila da su ti instrumenti doživjeli 18 milijuna sati neprekidnog rada u svemiru na više od 125 različitih letjelica bez ijednog kvara. Zapravo je vrlo pouzdan.
Nadam se da će to razjasniti stvari. Reakcijski ili impulsni kotači se koriste za preusmjeravanje letjelica u prostoru, tako da se mogu okrenuti u različitim smjerovima bez upotrebe pogonskog goriva.
Žiroskopi se koriste kako bi svemirski teleskop bio točno usmjeren na metu, kako bi se pružili najbolji znanstveni podaci. To mogu biti mehanički kotači ili koriste rezonanciju vibrirajućih kristala za otkrivanje promjena inercije.
