Невероятно е да се мисли, че в космоса има телескопи в момента, които насочват погледа си към отдалечени обекти с часове, дни и дори седмици. Осигуряване на толкова стабилна и точна гледна точка, че можем да научим подробности за галактики, екзопланети и др.
И тогава, когато времето изтече, космическият кораб може да премести погледа си в друга посока. Всичко без използването на гориво.
Всичко е благодарение на технологията на реакционните колела и жироскопите. Нека да поговорим за това как работят, как са различни и как техният провал е приключил с мисии в миналото.
Ето бързия отговор. Реакционните колела позволяват на космическите кораби да променят ориентацията си в пространството, докато жироскопите поддържат телескопа невероятно стабилен, така че те могат да насочват към цел с висока точност.
Ако сте слушали достатъчно епизоди на Astronomy Cast, знаете, че винаги се оплаквам от реакционни колела. Винаги изглежда, че това е смисълът на провал в мисиите, който ги прекратява преждевременно, преди да се научи всичко.
Вероятно съм използвал термините реакционни колела и жироскопи взаимозаменяемо в миналото, но те служат малко по-различно.
Първо, нека да поговорим за реакционните колела. Това са вид маховик, използван за промяна на ориентацията на космически кораб. Помислете за космически телескоп, който трябва да премине от цел към цел или космически кораб, който трябва да се върне обратно на Земята, за да предаде данни.
Те също са известни като импулсни колела.
Няма въздушно съпротивление в космоса. Когато колелото се завърти в една посока, целият телескоп се обръща в обратна посока, благодарение на Третия закон на Нютон - знаете, че при всяко действие има еднаква и обратна реакция. С въртящи се колела и в трите посоки можете да завъртите телескопа във всяка посока, която желаете.
Колелата са фиксирани на място и се въртят между 1000 и 4000 оборота в минута, изграждайки ъглов импулс в космическия кораб. За да променят ориентацията на космическия кораб, те променят скоростта, с която се въртят колелата.
Това създава въртящ момент, който кара космическият апарат да измести ориентацията или прецеса си в избрана посока.
Тази технология работи само с електричество, което означава, че не е необходимо да използвате гориво, за да промените ориентацията на телескопа. Докато имате достатъчно въртели ротори, можете да продължите да променяте посоката си, като използвате само силата на Слънцето.
Реакционните колела се използват на почти всеки космически кораб, от малки кубзати до космическия телескоп Хъбъл.
С три колела можете да промените ориентацията си към всяко място в 3-измерения. Но LightSail 2 на Планетарното общество има само едно инерционно колело, което да измести ориентацията на слънчевото си платно, от ръба към Слънцето и след това встрани, за да издигне орбитата си само от слънчевата светлина.
Разбира се, най-добре сме запознати с реакционните колела поради времената, в които са се провалили, като извеждаме космически кораби от комисионна. Мисии като FUSE и Hayabusa на JAXA.
Загубата на реакционните колела на Kepler и гениалното решение
Най-известният е, че космическият телескоп Kepler на НАСА, пуснат на 9 март 2009 г., за да открие планети, които обикалят около други звезди. Kepler беше оборудван с 4 реакционни колела. Три бяха необходими, за да поддържа внимателно телескопът към небесното пространство, а след това и резервен.
Наблюдаваше каквато и да е звезда в нейното зрително поле да се промени в яркостта с коефициент 1 на 10 000, което показва, че една планета може да преминава отпред. За да спести честотна лента, Kepler всъщност предава само информация за промяната в яркостта на самите звезди.
През юли 2012 г. едно от четирите реакционни колела на Kepler се повреди. Все още имаше три, което беше минимумът, необходим, за да може да бъде достатъчно стабилен, за да продължи наблюденията си. И тогава през май 2013 г. НАСА обяви, че Kepler е имал повреда с друго от колелата си. Значи беше до две.
Това спря основните научни операции на Кеплер. С работещи само две колела, той вече не можеше да поддържа позицията си достатъчно точно, за да следи яркостта на звездите.
Въпреки че мисията може да е провал, инженерите измислиха гениална стратегия, използвайки светлинното налягане от Слънцето, за да действа като сила в една ос. Чрез перфектно балансиране на космическия кораб на слънчевата светлина, те успяха да продължат да използват другите две реакционни колела, за да продължат да правят наблюдения.
Но Кеплер беше принуден да погледне на мъничкото място в небето, което се случи да се приведе в съответствие с новата му ориентация, и пренасочи научната си мисия към търсене на планети в орбита на червени звезди джуджета. Той използва бордовото си гориво, като се обръща обратно към Земята, за да предава данни. Най-накрая Кеплер изчерпа горивото на 30 октомври 2018 г., а НАСА приключи своята мисия.
В същото време, когато Kepler се бореше със своите реакционни колела, мисията на НАСА на зората имаше проблеми със същите реакционни колела.
Зората е загуба на колела за реакция
„Зората“ бе пусната на 27 септември 2007 г. с цел да се изследват двата от най-големите астероиди в Слънчевата система: Веста и Церера. Космическият кораб излезе на орбита около Веста през юли 2011 г. и прекара следващата година в проучване и картиране на света.
Той трябваше да напусне Веста и да тръгне към Церес през август 2012 г., но заминаването се забави с повече от месец заради проблеми с реакционните му колела. От 2010 г. инженерите откриват все повече и повече триене в едно от колелата му, така че космическият апарат премина към трите функциониращи колела.
И тогава през 2012 г. второто от колелата му също започна да натрупва триене, а космическият кораб остана само с две останали колела. Не е достатъчно, за да бъде напълно ориентиран в пространството, използвайки само електричество. Това означаваше, че трябва да започне да използва хидразиновото си гориво, за да поддържа ориентацията си през останалата част от мисията си.
Зората стигна до Церера и чрез внимателно използване на гориво успя да очертае този свят и неговите причудливи повърхностни характеристики. И накрая, в края на 2018 г. космическият кораб изчезна от гориво и вече не беше в състояние да поддържа ориентацията си, да картографира Церера или да изпраща сигналите си обратно на Земята.
Космическият кораб ще продължи да орбитира Церера, като се безпомощно се спуска.
Има дълъг списък от мисии, чиито реакционни колела са се провалили. И сега учените смятат, че знаят защо. През 2017 г. беше публикувана книга, която определи, че самата среда на космоса причинява проблема. Докато геомагнитните бури преминават космическия кораб, те генерират заряди върху реакционните колела, които причиняват увеличаване на триенето и ги карат да се износват по-бързо.
Ще сложа линк към страхотно видео от Скот Манли, което ще излезе по-подробно.
Космически телескоп Хъбъл и неговите жироскопи
Космическият телескоп Хъбъл е оборудван с реакционни колела, за да промени цялостната си ориентация, завъртяйки целия телескоп около скоростта на минутна ръка на часовник - 90 градуса за 15 минути.
Но за да остане насочена към една единствена цел, тя използва друга технология: жироскопи.
На Хъбъл има 6 жироскопа, които се въртят с 19 200 оборота в минута. Те са големи, масивни и се въртят толкова бързо, че инерцията им устоява на всякакви промени в ориентацията на телескопа. Работи най-добре с три - съответстващи на трите измерения на пространството - но може да работи с две или дори една с по-малко точни резултати.
През август 2005 г. жироскопите на Хъбъл бяха износени и НАСА премина в режим на два гироскопа. През 2009 г., по време на обслужваща мисия 4, астронавтите на НАСА посетиха космическия телескоп и замениха всичките шест негови жироскопа.
Това е вероятно последният път, когато астронавтите някога ще посетят Хъбъл, а бъдещето му зависи от това колко дълго ще продължат тези жироскопи.
Какво ще кажеш за Джеймс Уеб?
Знам, че самото споменаване на космическия телескоп James Webb прави всички нервни. Над 8 милиарда долара инвестирани досега и предстои да стартират след около две години. Той ще лети до точката Lagrange Earth-Sun L2, разположена на около 1,5 милиона километра от Земята.
За разлика от Хъбъл, няма начин да излетите от Джеймс Уеб, за да го поправите, ако нещо се обърка. И виждайки колко често жироскопите се провалят, това наистина изглежда като опасна слаба точка. Ами ако жироскопите на Джеймс Уеб не успеят? Как можем да ги заменим.
Джеймс Уеб има на борда си реакционни колела. Те са построени от Rockwell Collins Deutschland и приличат на реакционните колела на борда на мисиите Chandra, EOS Aqua и Aura на НАСА - толкова различна технология от провалилите се реакционни колела на зори и Kepler. Мисията Aura осигури страх през 2016 г., когато едно от реакционните й колела се завъртя, но след десет дни то бе възстановено.
Джеймс Уеб не използва механични жироскопи като Хъбъл, за да го държи на прицел. Вместо това използва различна технология, наречена полусферични резонаторни жироскопи или HRG.
Те използват кварцово полукълбо, което е оформено много точно, така че да резонира по много предвидим начин. Полукълбото е заобиколено от електроди, които задвижват резонанса, но също така откриват някакви леки промени в неговата ориентация.
Знам, че този вид звучи като трептене, като задвижван от еднорог сънища, но можете да изпитате това сами.
Задръжте чаша и след това я пъхнете с пръст, така че да звъни. Звъненето е чаша за вино, която се огъва напред и назад със своята резонансна честота. Докато въртите стъклото, огъването напред и назад се завърта също, но то изостава от ориентацията по много предвидим начин.
Когато тези трептения се случват хиляди пъти в секунда в кварцов кристал, е възможно да се открият малки движения и след това да се отчитат.
Ето как Джеймс Уеб ще остане заключен в целите си.
Тази технология лети в мисията Касини в Сатурн и работи перфектно. Всъщност от юни 2011 г. НАСА съобщи, че тези инструменти са преживели 18 милиона часа непрекъсната работа в космоса на повече от 125 различни космически кораба без нито един отказ. Всъщност е много надежден.
Надявам се това да изчисти нещата. Колелата за реакция или инерция се използват за преориентиране на космически кораби в космоса, така че те могат да се изправят в различни посоки, без да използват гориво.
Жироскопите се използват за поддържане на космически телескоп, точно насочен към целта, за предоставяне на най-добрите научни данни. Те могат да бъдат механични въртящи се колела или използват резонанса на вибриращите кристали, за да открият промените в инерцията.
