Csodálatos azt gondolni, hogy jelenleg az űrben vannak teleszkópok, amelyek órákon, napokon vagy heteken keresztül a távoli tárgyakra irányítják a tekintetüket. Olyan stabil és pontos nézőpontot biztosítva, hogy részleteket tudjunk megtudni a galaxisokról, az exoplanetokról és még sok másról.
És akkor, amikor lejár az idő, az űrhajó a másik irányba mozgathatja a tekintetét. Mindent üzemanyag nélkül.
Mindez a reakciókerekek és giroszkópok technológiájának köszönhető. Beszéljünk arról, hogy miként működnek, hogyan különböznek egymástól, és hogy kudarcuk miként fejezte be a missziókat a múltban.
Íme a gyors válasz. A reakciókerekek lehetővé teszik az űrhajók számára, hogy megváltoztassák a térbeli tájolást, miközben a giroszkópok hihetetlenül stabilak tartják a távcsövet, így nagy pontossággal tudnak a célpontra mutatni.
Ha eleget hallottál a Csillagászat szereplőinek epizódjairól, tudod, hogy mindig panaszkodok a reakciókerekekre. Mindig úgy tűnik, hogy a missziók kudarcának a pontja, és idő előtt befejezik őket, még mielőtt a tudomány beindulna.
A múltban valószínűleg a reakciókerekek és a giroszkópok kifejezéseket használtam felcserélhetően, ám ezek kissé eltérő célokat szolgálnak.
Először beszéljünk a reakciókerekekről. Ezek egy olyan lendkerék, amelyet az űrhajó tájolásának megváltoztatására használnak. Gondolj egy űrteleszkópra, amelynek át kell állnia a célról a célra, vagy egy űrhajóra, amelynek vissza kell fordulnia a Föld felé az adatok továbbításához.
Ezeket impulzuskerekeknek is nevezik.
Az űrben nincs légállóság. Amikor egy kerék egy irányba forog, a teljes távcső ellentétes irányba fordul, köszönhetően Newton harmadik törvényének - tudod, minden műveletre egyenlő és ellentétes reakció van. Ha a kerekek mindhárom irányba forognak, akkor a távcsövet bármilyen irányba megfordíthatja.
A kerekek rögzítve vannak a helyükön, és percenként 1000 és 4000 fordulat között forognak, ami szögmozgást generál az űrhajóban. Az űrhajó tájolásának megváltoztatása érdekében megváltoztatják a kerekek forgási sebességét.
Ez olyan nyomatékot hoz létre, amely miatt az űrhajó elmozdul a tájolásában vagy előrejelzésében a választott irányba.
Ez a technológia csak elektromos árammal működik, ami azt jelenti, hogy nem kell haszonnövényt felhasználnia a távcső tájolásának megváltoztatására. Mindaddig, amíg elegendő forgórészed van, folytathatja az irány megváltoztatását, csak a Nap erejétől függően.
A reakciókerekeket szinte minden űrhajón használják, az apró Cubesats-tól a Hubble Űrtávcsőig.
Három kerékkel bármilyen helyre meg lehet változtatni a tájolást 3-dimenziós formában. A Planetary Society LightSail 2-nek azonban csak egy lendítőkereke van, hogy a vitorla tájolását az él felől a Nap felé irányítsa, majd az egész széle felé emelje pályáját csupán a napfény által.
Természetesen a reakciókerekeket a legjobban ismerjük annak az időnek köszönhetően, hogy kudarcot vallottak, az űrhajókat kiszállítva az üzembe. Olyan küldetések, mint a FUSE és a JAXA's Hayabusa.
Kepler elvesztette a reakciókerekeket és az ötletes megoldást
A legismertebb a NASA Kepler Űrtávcsöve, amelyet 2009. március 9-én indítottak más csillagok körüli bolygók keresésére. A Kepler-t 4 reakciókerékkel szereltük fel. Háromra volt szükség ahhoz, hogy a távcsövet óvatosan az ég egy régiójára irányítsák, majd egy tartalékot.
Figyelte, hogy a látómezőben lévő csillagok fényereje 10-szeres 1-szerese változjon, jelezve, hogy egy bolygó előrehaladhat. A sávszélesség megtakarítása érdekében a Kepler valójában csak a csillagok fényerejének változásáról adott információkat.
2012. júliusban a Kepler négy reakciókerékének egyike meghibásodott. Még mindig három volt, ami ahhoz szükséges volt, hogy elég stabil legyen ahhoz, hogy folytathassa megfigyeléseit. És akkor 2013 májusában a NASA bejelentette, hogy Kepler hibát okozott egy másik kerekénél. Tehát kettőre csökkent.
Ez megállította a Kepler fő tudományos műveleteit. Csak két kerék működtetése után nem tudta pontosan megőrizni helyzetét a csillagok fényerejének nyomon követése érdekében.
Bár a misszió kudarcot valósíthatott meg, a mérnökök ötletes stratégiát dolgoztak ki, felhasználva a Nap fénynyomását erőként az egyik tengelyen. Az űrhajó tökéletes kiegyensúlyozásával a napfényben képesek voltak folytatni a másik két reakciókereket a megfigyelések folytatására.
Kepler azonban arra kényszerült, hogy az ég apró pontjára nézzen, amely történt az új tájolással, és tudományos küldetését a vörös törpe csillagok körüli bolygók keresésére irányította. A fedélzeti hajtóanyagát visszaforgatta a Földre az adatok továbbításához. Kepler végül 2018. október 30-án kifogyott az üzemanyagból, és a NASA befejezte küldetését.
Ugyanakkor, amikor Kepler küzdött a reakciókerekeivel, a NASA Dawn küldetése ugyanolyan reakciókerekekkel küzdött.
A hajnali reakciókerekek elvesztése
A Dawn 2007. szeptember 27-én indult azzal a céllal, hogy feltárja a Naprendszer két legnagyobb aszteroidáját: Vesta és Ceres. Az űrhajó 2011 júliusában ment körül Vesta körüli pályára, és a következő évet a világ tanulmányozására és feltérképezésére töltötte.
Vesta-t el kellett hagynia, és 2012. augusztusában elindult Ceresbe, de az indulás több mint egy hónappal késleltette a reakciókerekek problémái miatt. 2010-től kezdve a mérnökök egyre több súrlódást észleltek annak egyik kerékében, így az űrhajó váltott a három működő kerékre.
És akkor 2012-ben a második kereke is súrlódni kezdett, és az űrhajóra csak két fennmaradó kerék maradt. Nem elég ahhoz, hogy teljes mértékben orientálódjon az űrben, csupán elektromos áram felhasználásával. Ez azt jelentette, hogy el kellett kezdenie a hidrazin-hajtóanyagot, hogy megőrizze orientációját missziójának hátralévő részében.
Dawn eljutott Cereshez, és a hajtóanyag gondos használata révén képes volt feltérképezni ezt a világot és annak bizarr felületét. Végül, 2018 végén az űrhajó nem volt hajtóanyagban, és már nem volt képes megtartani tájolását, térképezni Ceres-t vagy visszajelzéseket küldeni a Földre.
Az űrhajó tovább folytatja a Ceres körüli pályát, tehetetlenül zuhanva.
Van egy hosszú lista azokról a missziókról, amelyek reakciókerekei kudarcot vallottak. És most a tudósok azt hiszik, hogy tudják miért. Volt egy olyan kiadvány, amely 2017-ben jelent meg, amely meghatározta, hogy maga a világűr okozza a problémát. Ahogy a geomágneses viharok áthaladnak az űrhajón, olyan töltéseket generálnak a reakciókerekeken, amelyek növelik a súrlódást, és gyorsabb elhasználódást okoznak.
Helyezem egy linket egy Scott Manley nagyszerű videójához, amely részletesebben foglalkozik.
Hubble Űrtávcső és annak giroszkópjai
A Hubble űrteleszkóp reakciókerekekkel van felszerelve, hogy megváltoztassák az általános tájolást, és az egész távcsövet egy perc sebességgel az óra körül forgatva - 90 fok 15 perc alatt.
Annak érdekében, hogy egyetlen célpontra maradjon, egy másik technológiát használ: a giroszkópokat.
A Hubble-on 6 giroszkóp található, amelyek percenként 19 200 fordulattal forognak. Nagyok, hatalmasak és olyan gyorsan forognak, hogy tehetetlenségük ellenáll a távcső tájolásának bármilyen változásának. A három módszerrel a legjobban működik - egyeztetve a tér három dimenzióját -, de kettővel vagy akár egyvel is működhet kevésbé pontos eredményekkel.
2005. augusztusban a Hubble giroszkópjai lemerültek, és a NASA két giroszkóp üzemmódba váltott. 2009-ben, a 4. szolgálat során a NASA űrhajósai meglátogatták az űrtávcsövet és kicserélték mind a hat giroszkópot.
Valószínűleg ez az utolsó alkalom, hogy az űrhajósok valaha meglátogatják a Hubble-t, és jövője attól függ, hogy meddig tartanak ezek a giroszkópok.
Mi a helyzet James Webb-kel?
Tudom, hogy a James Webb Űrtávcső egyszerű említése mindenkit idegesít. Eddig több mint 8 milliárd dollárt fektetett be, és kb. Két év múlva várhatóan bevezetésre kerül. A Föld-Nap L2 Lagrange pontba repül, amely körülbelül 1,5 millió kilométerre fekszik a Földtől.
A Hubble-lel ellentétben nincs mód repülni a James Webbre, hogy javítsa, ha valami rosszul fordul elő. És látva, hogy a giroszkópok milyen gyakran kudarcot vallottak, ez valójában veszélyes gyengeségnek tűnik. Mi van, ha James Webb giroszkópjai kudarcot vallnak? Hogyan tudjuk kicserélni őket?
James Webbnek van reakciókerekei a fedélzeten. Ezeket a Rockwell Collins Deutschland építette, és hasonlóak a NASA Chandra, EOS Aqua és Aura missziók fedélzetén lévõ reakciókerekekhez - tehát különbözik a Dawn és Kepler nem sikerült reakciókerekektõl. Az Aura küldetés 2016-ban félelmet nyújtott, amikor egyik reakciókereke lecsapódott, de tíz nap múlva helyreállt.
James Webb nem használ olyan mechanikus giroszkópokat, mint a Hubble, hogy tartsa a célján. Ehelyett egy másik technológiát használ, amelyet félgömb alakú rezonátor giroszkópnak vagy HRG-nek hívnak.
Ezek egy olyan kvarc félgömböt használnak, amelyet nagyon pontosan alakítottak úgy, hogy egy nagyon kiszámítható módon rezonáljon. A félgömböt olyan elektródák veszik körül, amelyek meghatározzák a rezonanciát, de észlelik az orientáció esetleges kisebb változásait is.
Tudom, hogy ilyen hangok zavargók, mint például az egyszarvú álmok által táplált hangok, de ezt magadnak is megtapasztalhatja.
Fogjon borospoharat, majd pöccintse az ujjával, hogy csengjen. A csengetés a borospohár rezonancia frekvenciáján előre-hátra hajlító. Az üveg forgatásakor a hajlítás előre és hátra is fordul, de nagyon kiszámítható módon elmarad a tájolástól.
Amikor ezek az oszcillációk másodpercenként több ezer alkalommal történnek egy kvarckristályban, akkor apró mozgásokat lehet észlelni, és ezek után számolni.
Így fog maradni James Webb a célpontjain.
Ez a technológia a Cassini missziójában repült a Saturnban, és tökéletesen működött. Valójában 2011 júniusától a NASA arról számolt be, hogy ezek a műszerek 18 millió órás folyamatos működést tapasztaltak több mint 125 különböző űrhajón, egyetlen meghibásodás nélkül. Valójában nagyon megbízható.
Remélem, hogy ez megoldja a dolgokat. A reakció- vagy lendítőkerékkel az űrhajót az űrben újraorientálják, így a hajtóanyag használata nélkül különböző irányokba tudnak nézni.
A giroszkópokat arra használják, hogy az űrteleszkópot pontosan a cél felé mutatják, hogy a legjobb tudományos adatokat nyújtsák. Lehetnek mechanikus forgókerekek, vagy a rezgő kristályok rezonanciáját használják a tehetetlenség változásának észlelésére.
