Este uimitor să crezi că există telescoape în spațiu, chiar acum, îndreptându-și privirea spre obiecte îndepărtate timp de ore, zile și chiar săptămâni. Oferind un punct de vedere atât de stabil și de exact încât putem afla detalii despre galaxii, exoplanete și multe altele.
Și apoi, când timpul s-a terminat, nava spațială își poate muta privirea într-o altă direcție. Toate fără utilizarea combustibilului.
Este totul datorită tehnologiei roților de reacție și a giroscopilor. Să vorbim despre modul în care funcționează, despre cum sunt diferite și despre cum eșecul lor a pus capăt misiunilor din trecut.
Iată răspunsul rapid. Roțile de reacție permit navei spațiale să își schimbe orientarea în spațiu, în timp ce giroscopii mențin un telescop incredibil de stabil, astfel încât acestea pot orienta spre o țintă cu o precizie ridicată.
Dacă ați ascultat destule episoade din Astronomy Cast, știți că mă plâng mereu de roțile de reacție. Pare întotdeauna a fi punctul de eșec al misiunilor, sfârșindu-le prematur înainte ca știința să fie completă.
Probabil că în trecut am folosit termenii roți de reacție și giroscopuri, dar au scopuri ușor diferite.
În primul rând, să vorbim despre roți de reacție. Acestea sunt un tip de volantă utilizat pentru a schimba orientarea unei nave spațiale. Gândiți-vă la un telescop spațial care trebuie să treacă de la țintă la țintă sau la o navă spațială care trebuie să se întoarcă înapoi pe Pământ pentru a comunica date.
Sunt cunoscute și sub numele de roți de moment.
Nu există rezistență la aer în spațiu. Când o roată se întoarce într-o direcție, întregul telescop se întoarce în sens invers, datorită celei de-a treia legi a lui Newton - știți, pentru fiecare acțiune, există o reacție egală și opusă. Când roțile se învârt în toate cele trei direcții, puteți roti telescopul în orice direcție doriți.
Roțile sunt fixate pe loc și se învârt între 1.000 și 4.000 de rotații pe minut, creând un moment unghiular în nava spațială. Pentru a schimba orientarea navei spațiale, acestea modifică viteza cu care roțile se învârt.
Aceasta creează un cuplu care face ca nava spațială să-și schimbe orientarea sau precesul, într-o direcție aleasă.
Această tehnologie funcționează numai cu energie electrică, ceea ce înseamnă că nu este necesar să folosiți combustibil pentru a schimba orientarea telescopului. Atâta timp cât aveți suficient rotitori învârtiți, puteți continua să vă schimbați direcția, utilizând doar puterea de la Soare.
Roțile de reacție sunt folosite pe aproape toate navele de acolo, de la Cubesats minuscule până la Telescopul Spațial Hubble.
Cu trei roți, vă puteți schimba orientarea către orice loc în 3 dimensiuni. Dar LightSail 2 al Societății Planetare nu are decât o singură roată de impuls pentru a schimba orientarea velei sale solare, de la margine la Soare și apoi în lateral pentru a-și ridica orbita numai de lumina soarelui.
Desigur, noi suntem cei mai familiarizați cu roțile de reacție din cauza timpului în care au eșuat, scoțând navele spațiale din funcție. Misiuni precum FUSE și JAXA Hayabusa.
Pierderea roților de reacție a lui Kepler și soluția ingenioasă
Cel mai faimos, telescopul spațial Kepler al NASA, lansat pe 9 martie 2009 pentru a găsi planete care orbitează pe alte stele. Kepler a fost echipat cu 4 roți de reacție. Trei au fost necesare pentru a menține telescopul îndreptat cu atenție spre o regiune a cerului, și apoi o rezervă.
Urmărește ca orice stea din câmpul său vizual să se schimbe în luminozitate cu un factor de 1 din 10.000, ceea ce indică faptul că o planetă putea trece prin față. Pentru a economisi lățimea de bandă, Kepler a transmis de fapt doar informații despre schimbarea luminozității stelelor.
În iulie 2012, una dintre cele patru roți de reacție ale lui Kepler a eșuat. Mai avea trei, care era minimul necesar pentru a putea fi suficient de stabil pentru a-și continua observațiile. Și apoi, în mai, 2013, NASA a anunțat că Kepler a avut un eșec cu alte roți ale sale. Deci a fost până la două.
Aceasta a stopat principalele operații științifice ale lui Kepler. Cu doar două roți care funcționează, nu mai putea să își mențină poziția suficient de precis pentru a urmări luminozitatea stelelor ..
Deși misiunea ar fi putut fi un eșec, inginerii și-au dat seama de o strategie ingenioasă, folosind presiunea luminii de la Soare pentru a acționa ca o forță într-o singură axă. Prin echilibrarea perfectă a navei spațiale în lumina soarelui, au putut continua să folosească celelalte două roți de reacție pentru a continua să facă observații.
Dar Kepler a fost nevoit să se uite la locul minuscul pe cer care s-a aliniat noii sale orientări și și-a mutat misiunea științifică în căutarea planetelor care orbitează stele pitice roșii. Acesta și-a folosit propulsorul de bord întorcându-se înapoi pe Pământ pentru a transmite date. În cele din urmă, Kepler a rămas fără combustibil la 30 octombrie 2018, iar NASA și-a încheiat misiunea.
În același timp în care Kepler se lupta cu roțile sale de reacție, misiunea Dawn a NASA a avut probleme cu exact roțile de reacție.
Zorii pierderilor de reacție ale zorilor
Dawn a fost lansat pe 27 septembrie 2007 cu scopul de a explora cei doi dintre cei mai mari asteroizi din Sistemul Solar: Vesta și Ceres. Nava spațială a intrat pe orbită în jurul Vesta în iulie 2011 și a petrecut anul următor studiind și cartografind lumea.
Trebuia să plece din Vesta și să plece spre Ceres în august 2012, dar plecarea a fost întârziată cu mai mult de o lună din cauza problemelor cu roțile sale de reacție. Începând cu 2010, inginerii au detectat din ce în ce mai multă frecare pe una dintre roțile sale, astfel încât nava spațială a trecut la cele trei roți funcționale.
Și apoi în 2012, a doua dintre roțile sale a început să obțină fricțiuni, iar nava spațială a rămas doar cu două roți rămase. Nu este suficient pentru a-l menține complet orientat în spațiu folosind electricitate. Aceasta însemna că trebuia să înceapă să folosească propulsorul său de hidrazină pentru a-și menține orientarea pe tot restul misiunii sale.
Dawn a ajuns la Ceres și, prin utilizarea atentă a agentului de propulsie, a fost capabil să contureze această lume și caracteristicile sale bizare ale suprafeței. În cele din urmă, la sfârșitul anului 2018, nava spațială a fost în afara propulsorului și nu a mai fost capabilă să-și mențină orientarea, să mapeze Ceres sau să-și trimită semnalele înapoi pe Pământ.
Nava spațială va continua să orbiteze Ceres, căzând neputincios.
Există o listă lungă de misiuni ale căror roți de reacție au eșuat. Și acum oamenii de știință cred că știu de ce. A existat o lucrare lansată în 2017 care a stabilit că mediul spațiului în sine provoacă problema. Pe măsură ce furtunile geomagnetice trec prin nava spațială, acestea generează sarcini pe roțile de reacție care provoacă o creștere a frecării și le fac să se uzeze mai repede.
Voi pune un link către un videoclip excelent de Scott Manley care intră mai detaliat.
Telescopul spațial Hubble și giroscopurile sale
Telescopul spațial Hubble este echipat cu roți de reacție pentru a-și schimba orientarea generală, rotind întregul telescop în jurul vitezei unei minute de mână pe un ceas - 90 de grade în 15 minute.
Dar pentru a rămâne îndreptat către o singură țintă, folosește o altă tehnologie: giroscopurile.
Pe Hubble există 6 giroscopuri care se rotesc la 19.200 de rotații pe minut. Sunt mari, masive și se învârt atât de repede încât inerția lor rezistă oricărei modificări ale orientării telescopului. Funcționează cel mai bine cu trei - potrivind cele trei dimensiuni ale spațiului -, dar poate funcționa cu două, sau chiar una, cu rezultate mai puțin precise.
În august 2005, giroscopele lui Hubble s-au uzat, iar NASA a trecut în modul cu doi giroscopi. În 2009, în timpul serviciului Misiunea 4, astronauții NASA au vizitat telescopul spațial și au înlocuit toate cele șase giroscope ale acestuia.
Aceasta este probabil ultima dată când astronauții vor vizita vreodată Hubble, iar viitorul său depinde de cât durează acești giroscopi.
Ce zici de James Webb?
Știu că simpla mențiune a telescopului spațial James Webb îi face pe toți nervoși. Peste 8 miliarde de dolari investite până acum și scadente pentru lansare în aproximativ doi ani de acum încolo. O să zboare până la punctul Lagrange Pământ-L2, situat la aproximativ 1,5 milioane de kilometri distanță de Pământ.
Spre deosebire de Hubble, nu există nicio modalitate de a zbura James Webb pentru a-l repara dacă ceva nu merge bine. Și văzând cât de des giroscoapele au eșuat, acest lucru pare într-adevăr un punct slab periculos. Ce se întâmplă dacă girosurile lui James Webb nu reușesc? Cum le putem înlocui.
James Webb are roți de reacție la bord. Sunt construite de Rockwell Collins Deutschland și sunt similare cu roțile de reacție de la misiunile Chandra, EOS Aqua și Aura ale NASA - deci o tehnologie diferită de roțile de reacție eșuate de pe Dawn și Kepler. Misiunea Aura a provocat o sperie în 2016, când una dintre roțile sale de reacție s-a rotit, dar a fost recuperată după zece zile.
James Webb nu folosește giroscopuri mecanice precum Hubble pentru a-l ține pe țintă. În schimb, utilizează o tehnologie diferită numită girosuri de rezonanță emisferică sau HRGs.
Acestea folosesc o emisferă de cuarț care a fost modelată foarte precis, astfel încât să rezoneze într-un mod foarte previzibil. Emisfera este înconjurată de electrozi care conduc rezonanța, dar detectează, de asemenea, orice modificări ușoare ale orientării sale.
Știu că genul acesta sună ca niște flori, precum este creat de vise unicorn, dar puteți experimenta acest lucru singur.
Țineți o sticlă de vin și apoi bateți-l cu degetul, astfel încât să sune. Sunetul este sticla de vin care se flexează înainte și înapoi la frecvența sa de rezonanță. Pe măsură ce rotiți paharul, flexarea înainte și înapoi se transformă de asemenea, dar rămâne în urmă orientării într-un mod foarte previzibil.
Când aceste oscilații se petrec de mii de ori pe secundă într-un cristal de cuarț, este posibil să detectăm mișcări minuscule și apoi să-i facem cont.
Așa se face că James Webb va rămâne blocat pe țintele sale.
Această tehnologie a dat curs misiunii Cassini la Saturn și a funcționat perfect. De fapt, din iunie 2011, NASA a raportat că aceste instrumente au experimentat 18 milioane de ore de funcționare continuă în spațiu pe mai mult de 125 de nave spațiale diferite, fără o singură defecțiune. Este de fapt foarte fiabil.
Sper ca aceste lucruri să fie clarificate. Roțile de reacție sau de moment sunt utilizate pentru reorientarea navelor spațiale în spațiu, astfel încât acestea să poată face față în direcții diferite fără a utiliza propulsor.
Groscopele sunt utilizate pentru a păstra un telescop spațial îndreptat cu exactitate spre o țintă, pentru a oferi cele mai bune date științifice. Pot fi roți de filare mecanice sau folosesc rezonanța cristalelor vibrante pentru a detecta modificările de inerție.
