On hämmästyttävää ajatella, että avaruudessa on teleskooppeja juuri nyt, ja ne ohjaavat katseitaan kaukaisiin kohteisiin tuntien, päivien ja jopa viikkojen ajan. Tarjoamalla niin vakaan ja tarkan näkökulman, että voimme oppia yksityiskohtia galakseista, eksoplaneetoista ja muusta.
Ja sitten, kun aika on kulunut, avaruusalus voi siirtää katseensa toiseen suuntaan. Kaikki ilman polttoainetta.
Kaikki tämä johtuu reaktiopyörien ja gyroskooppien tekniikasta. Puhutaanpa siitä, kuinka he toimivat, miten he ovat erilaisia ja kuinka heidän epäonnistumisensa on päättänyt tehtävät menneisyydessä.
Tässä on nopea vastaus. Reaktiopyörien avulla avaruusalukset voivat muuttaa suuntaansa avaruudessa, kun taas gyroskoopit pitävät teleskoopin uskomattoman vakaana, jotta ne voivat osoittaa kohteeseen suurella tarkkuudella.
Jos olet kuunnellut tarpeeksi jaksoja tähtitieteen näyttelijöistä, tiedät aina valittavan reaktiopyöristä. Se näyttää aina olevan epäonnistumiskohta tehtävissä, lopettamalla ne ennenaikaisesti ennen kuin tiede on kaikki.
Olen aikaisemmin todennäköisesti käyttänyt termejä reaktiopyörät ja gyroskoopit vuorottelevasti, mutta ne palvelevat hieman eri tarkoituksia.
Ensin puhutaan reaktiopyöristä. Nämä ovat eräänlainen vauhtipyörä, jota käytetään avaruusaluksen suunnan muuttamiseen. Ajattele avaruusteleskooppia, jonka on vaihdettava kohteesta kohteeseen, tai avaruusalusta, jonka on käännettävä itsensä takaisin Maahan tiedon välittämiseksi.
Niitä tunnetaan myös nimellä vauhtipyörät.
Avaruudessa ei ole ilmanvastusta. Kun pyörä kääntyy yhteen suuntaan, koko kaukoputki kääntyy vastakkaiseen suuntaan Newtonin kolmannen lain ansiosta - tiedät, että jokaisessa toiminnassa on sama ja päinvastainen reaktio. Pyörien pyöriessä kaikkiin kolmeen suuntaan voit kääntää kaukoputkea mihin tahansa suuntaan haluat.
Pyörät on kiinnitetty paikoilleen ja pyörii välillä 1 000 - 4 000 kierrosta minuutissa, rakentaen avaruusaluksen kulmavirran. Avaruusaluksen suunnan muuttamiseksi he muuttavat pyörien pyörimisnopeutta.
Tämä luo vääntömomentin, joka saa avaruusaluksen siirtymään suuntaansa tai ennakkoonsa valittuun suuntaan.
Tämä tekniikka toimii pelkästään sähkön kanssa, mikä tarkoittaa, että sinun ei tarvitse käyttää potkuriainetta kaukoputken suunnan muuttamiseen. Niin kauan kuin sinulla on tarpeeksi roottoria pyörimään, voit jatkaa suunnan muuttamista käyttämällä vain aurinkovoimaa.
Reaktiopyöriä käytetään melkein jokaisessa siellä olevassa avaruusaluksessa, pienistä Cubesatista Hubble-avaruus teleskooppiin.
Kolmella pyörällä voit muuttaa suuntasi mihin tahansa 3-ulotteiseen pisteeseen. Mutta Planeettayhdistyksen LightSail 2: lla on vain yksi vauhtipyörä, joka muuttaa aurinkopurjeensa suuntaa reunaa kohti aurinkoon ja sitten leveälle nostaakseen kiertoradansa pelkästään auringonvalolla.
Tietysti olemme tunnetuimpia reaktiopyöriä, koska ne ovat epäonnistuneet, ottaen avaruusalukset pois käytöstä. Tehtävät kuten FUSE ja JAXA's Hayabusa.
Keplerin menetys reaktiopyörät ja nerokas ratkaisu
Tunnetuimmin NASA: n Keplerin avaruusteleskooppi, joka käynnistettiin 9. maaliskuuta 2009 etsimään planeettoja, jotka kiertävät muita tähtiä. Kepler varustettiin 4 reaktiopyörällä. Kolme oli välttämätöntä teleskoopin pitämiseksi varovasti osoittaen taivaan aluetta ja sitten varaosa.
Se tarkkaili minkä tahansa sen näkökentän tähden muuttuvan kirkkaudessa kertoimella 1: llä 10 000: sta, mikä osoittaa, että planeetta voi kulkea edessä. Kaistanleveyden säästämiseksi Kepler lähetti tosiasiallisesti vain tietoja itse tähten kirkkauden muutoksesta.
Heinäkuussa 2012 yksi Keplerin neljästä reaktiopyörästä epäonnistui. Sitä oli vielä kolme, mikä oli vähimmäisvaatimus, jonka se tarvitsi voidakseen olla riittävän vakaa jatkamaan havaintojaan. Ja sitten toukokuussa 2013 NASA ilmoitti, että Kepler oli epäonnistunut toisen pyöränsä kanssa. Joten se oli kaksi.
Tämä pysäytti Keplerin tärkeimmät tieteelliset toiminnot. Vain kahden pyörän ollessa toiminnassa, se ei pystynyt enää pitämään sijaintiaan riittävän tarkasti seurataksesi tähden kirkkautta ..
Vaikka operaatio olisi saattanut olla epäonnistuminen, insinöörit hahmottivat nerokkaan strategian käyttämällä Auringon valopainetta toimimaan voimana yhdellä akselilla. Tasapainottamalla avaruusalusta täydellisesti auringonvalossa, he pystyivät jatkamaan kahden muun reaktiopyörän käyttöä havaintojen tekemiseen.
Mutta Kepler pakotettiin katsomaan pieniä taivaan pisteitä, jotka sattuivat vastaamaan uutta suuntaustaan, ja siirtyi tiedeoperaatioonsa etsimään planeettoja, jotka kiertävät punaisia kääpiötähteitä. Se käytti koneessaan olevan potkurin kääntyessään takaisin Maahan tietojen lähettämiseksi. Keplerillä lopulta loppuu polttoaine 30. lokakuuta 2018, ja NASA päätti tehtävänsä.
Samanaikaisesti, kun Kepler kamppaili reaktiopyöriensä kanssa, NASAn Dawn-tehtävässä oli ongelmia täsmälleen samojen reaktiopyörien kanssa.
Dawnin reaktiopyörien menetys
Dawn käynnistettiin 27. syyskuuta 2007 tavoitteena tutkia aurinkojärjestelmän kahta suurimmasta asteroidista: Vesta ja Ceres. Avaruusalus lähti kiertoradalle Vestan ympärillä heinäkuussa 2011 ja vietti seuraavan vuoden tutkimalla ja kartoittamalla maailmaa.
Sen oli tarkoitus jättää Vesta ja suunnata Ceresiin elokuussa 2012, mutta lähtö viivästyi yli kuukauden sen reaktiopyörien ongelmien vuoksi. Vuodesta 2010 lähtien insinöörit havaitsivat yhä enemmän pyörän pyörää, joten avaruusalukset vaihtoivat kolmeen toimivaan pyörään.
Ja sitten vuonna 2012 toinen sen pyöristä alkoi myös hankkia kitkaa, ja avaruusaluksella oli vain kaksi jäljellä olevaa pyörää. Ei riitä pitämään se täysin suuntautuneena avaruudessa käyttämällä pelkästään sähköä. Tämä tarkoitti, että sen piti alkaa käyttää hydratsiinipolttoainetta säilyttääkseen suuntautumisensa koko operaation loppujakson ajan.
Dawn pääsi Ceresiin ja ponneaineen huolellisen käytön avulla se pystyi kartoittamaan tämän maailman ja sen omituiset pintaominaisuudet. Lopuksi, loppuvuodesta 2018, avaruusalusta ei ollut potkuriaineessa, eikä se enää pystynyt säilyttämään suuntaansa, karttaamaan Ceresiä tai lähettämään signaalejaan takaisin Maahan.
Avaruusalus jatkaa kiertääkseen Ceresä, pudoten avuttomasti.
Siellä on pitkä luettelo operaatioista, joiden reaktiopyörät ovat epäonnistuneet. Ja nyt tutkijat luulevat tietävänsä miksi. Vuonna 2017 julkaistiin paperi, joka määritteli, että ongelma on itse avaruusympäristö. Kun geomagneettiset myrskyt ohittavat avaruusaluksen, ne aiheuttavat reaktiopyörille varauksia, jotka lisäävät kitkaa ja saavat ne kulumaan nopeammin.
Laitan linkin Scott Manleyn upeaan videoon, joka menee yksityiskohtaisemmin.
Hubble-avaruusteleskooppi ja sen gyroskoopit
Hubble-avaruusteleskooppi on varustettu reaktiopyörillä kokonaissuunnan muuttamiseksi, pyörittäen koko kaukoputkea minuutin käden nopeudella kellolla - 90 astetta 15 minuutissa.
Mutta pysyäksesi osoittuneena yhdessä kohteessa, se käyttää toista tekniikkaa: gyroskooppeja.
Hubblessa on 6 gyroskooppia, jotka pyörittävät nopeudella 19 200 kierrosta minuutissa. Ne ovat suuria, massiivisia ja pyörivät niin nopeasti, että niiden hitaus kestää kaikkia teleskoopin suunnan muutoksia. Se toimii parhaiten kolmella - sovittamalla avaruuden kolme ulottuvuutta -, mutta voi toimia kahdella tai jopa yhdellä, vähemmän tarkkoilla tuloksilla.
Elokuussa 2005 Hubblen gyroskoopit olivat kuluneet, ja NASA siirtyi kahden gyroskoopin tilaan. Vuonna 2009, huolto-operaation 4 aikana, NASAn astronautit vierailivat avaruuskaukoputkessa ja korvasivat kaikki kuusi sen gyroskooppia.
Tämä on todennäköisesti viimeinen aika, jolloin astronautit käyvät koskaan Hubblessa, ja sen tulevaisuus riippuu siitä, kuinka kauan nämä gyroskoopit kestävät.
Entä James Webb?
Tiedän, että vain James Webbin avaruusteleskoopin mainitseminen saa kaikki hermostuneiksi. Tähän mennessä on sijoitettu yli 8 miljardia dollaria, ja se on tarkoitus julkaista markkinoille noin kahden vuoden kuluttua. Se lentää Earth-Sun L2 Lagrange -pisteeseen, joka sijaitsee noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä maapallosta.
Toisin kuin Hubble, James Webb ei ole mahdollista lentää korjaamaan sitä, jos jokin menee pieleen. Ja kun nähdä, kuinka usein gyroskoopit ovat epäonnistuneet, se todella näyttää olevan vaarallinen heikko kohta. Entä jos James Webbin gyroskoopit epäonnistuvat? Kuinka voimme korvata ne.
James Webbillä on reaktiopyörät aluksella. Ne ovat rakentaneet Rockwell Collins Deutschland ja ne ovat samanlaisia kuin NASA: n Chandra-, EOS Aqua- ja Aura-tehtävissä olevat reaktiopyörät - siis erilainen tekniikka kuin Dawnin ja Keplerin epäonnistuneisiin reaktiopyöriin. Aura-operaatio pelotti vuonna 2016, kun yksi sen reaktiopyöristä pyöri alas, mutta se toipui kymmenen päivän kuluttua.
James Webb ei käytä mekaanisia gyroskooppeja, kuten Hubble, pitääkseen sen kohdissa. Sen sijaan se käyttää erilaista tekniikkaa, jota kutsutaan puolipallomaisiksi resonaattorigeroskoopeiksi tai HRG: ksi.
Ne käyttävät kvartsipuoliskoa, joka on muotoiltu erittäin tarkasti siten, että se resonoi hyvin ennustettavalla tavalla. Puolipalloa ympäröivät elektrodit, jotka johtavat resonanssia, mutta havaitsevat myös mahdolliset pienet muutokset sen suunnassa.
Tiedän, että sellaiset kuulostavat kuin pilaantumiselta, kuin ne saavat aikaan yksisarvisia unia, mutta voit kokea tämän itse.
Pidä viinilasia ja pyyhkäise sitä sitten sormella niin, että se soi. Soittoääni on viinilasi, joka taipuu edestakaisin resonanssitaajuudellaan. Kun käännät lasia, myös taipuminen edestakaisin kääntyy, mutta se jää suunnalta taaksepäin hyvin ennustettavalla tavalla.
Kun nämä värähtelyt tapahtuvat tuhansia kertoja sekunnissa kvartsikiteessä, on mahdollista havaita pienet liikkeet ja ottaa ne huomioon.
Näin James Webb pysyy lukittuna tavoitteisiinsa.
Tämä tekniikka on lentänyt Cassini-operaatiossa Saturnuksessa ja toiminut täydellisesti. Itse asiassa NASA oli kesäkuusta 2011 lähtien ilmoittanut, että nämä instrumentit olivat kokeneet 18 miljoonaa tuntia jatkuvaa toimintaa avaruudessa yli 125 eri avaruusaluksessa ilman yhtä vikaa. Se on oikeastaan erittäin luotettava.
Toivon, että se selvittää asiat. Reaktio- tai vauhtipyöriä käytetään suunnistamaan avaruusaluksia avaruudessa, jotta ne voivat kohdata eri suuntiin ilman ponneketta.
Gyroskoopeja käytetään pitämään avaruusteleskooppi tarkasti osoitettuna kohteeseen, jotta saadaan paras tieteellinen tieto. Ne voivat olla mekaanisia kehruupyöriä tai ne käyttävät värisevien kiteiden resonanssia inertin muutosten havaitsemiseksi.
