Sangat mengagumkan apabila terdapat teleskop di angkasa, sekarang, mengarahkan pandangan mereka ke objek yang jauh selama berjam-jam, hari dan bahkan berminggu-minggu. Memberikan sudut pandang yang begitu stabil dan tepat sehingga kita dapat mengetahui perincian mengenai galaksi, eksoplanet dan banyak lagi.
Dan ketika waktunya habis, kapal angkasa dapat mengalihkan pandangannya ke arah lain. Semua tanpa penggunaan bahan bakar.
Semuanya berkat teknologi roda reaksi dan giroskop. Mari kita bincangkan bagaimana mereka berfungsi, bagaimana mereka berbeza, dan bagaimana kegagalan mereka telah menamatkan misi pada masa lalu.
Inilah jawapan pantas. Roda tindak balas membolehkan kapal angkasa mengubah orientasi mereka di ruang angkasa, sementara giroskop menjaga teleskop sangat stabil, sehingga mereka dapat menunjuk pada sasaran dengan ketepatan tinggi.
Sekiranya anda telah mendengar episod Astronomi Cast yang mencukupi, anda tahu saya selalu mengadu tentang roda reaksi. Ia selalu menjadi titik kegagalan dalam misi, mengakhiri mereka sebelum waktunya sebelum sains masuk.
Saya mungkin telah menggunakan istilah roda reaksi dan giroskop secara bergantian pada masa lalu, tetapi ia berfungsi untuk tujuan yang sedikit berbeza.
Pertama, mari kita bercakap mengenai roda reaksi. Ini adalah jenis roda gila yang digunakan untuk mengubah orientasi kapal angkasa. Fikirkan tentang teleskop angkasa yang perlu beralih dari sasaran ke sasaran, atau kapal angkasa yang perlu kembali ke Bumi untuk menyampaikan data.
Mereka juga dikenali sebagai roda momentum.
Tidak ada rintangan udara di angkasa. Apabila roda berpusing ke satu arah, seluruh teleskop berpusing ke arah yang berlawanan, berkat Undang-undang Ketiga Newton - anda tahu, untuk setiap tindakan, ada reaksi yang sama dan berlawanan. Dengan roda berputar ke tiga arah, anda boleh memutar teleskop ke arah mana sahaja yang anda mahukan.
Roda dipasang di tempat dan berputar antara 1.000 hingga 4.000 putaran seminit, meningkatkan momentum sudut di kapal angkasa. Untuk mengubah orientasi kapal angkasa, mereka mengubah kadar roda berputar.
Ini menghasilkan daya kilas yang menyebabkan kapal angkasa beralih orientasinya, atau terdahulu, ke arah yang dipilih.
Teknologi ini berfungsi dengan elektrik sahaja, yang bermaksud bahawa anda tidak perlu menggunakan propelan untuk mengubah orientasi teleskop. Selagi anda mempunyai rotor yang cukup berputar, anda dapat terus mengubah arah anda, hanya dengan menggunakan tenaga dari Matahari.
Roda reaksi digunakan pada hampir semua kapal angkasa di luar sana, dari Cubesats kecil hingga Teleskop Angkasa Hubble.
Dengan tiga roda, anda boleh mengubah orientasi anda ke mana-mana tempat dalam 3 dimensi. Tetapi LightSail 2 Planetary Society hanya memiliki roda momentum tunggal untuk mengalihkan orientasi layar surya, dari tepi ke Matahari dan kemudian meluas untuk menaikkan orbitnya dengan cahaya matahari sahaja.
Sudah tentu, kita paling akrab dengan roda reaksi kerana masa-masa mereka gagal, mengeluarkan kapal angkasa tanpa komisi. Misi seperti FUSE dan Hayabusa JAXA.
Kehilangan Roda Reaksi Kepler dan Penyelesaian Cerdik
Yang paling terkenal, Teleskop Angkasa Kepler NASA, dilancarkan pada 9 Mac 2009 untuk mencari planet yang mengorbit bintang lain. Kepler dilengkapi dengan 4 roda reaksi. Tiga diperlukan untuk menjaga teleskop dengan hati-hati ke wilayah langit, dan kemudian cadangan.
Ia melihat ada bintang di bidang pandangannya yang berubah dalam kecerahan dengan faktor 1 dari 10.000, yang menunjukkan bahawa sebuah planet dapat melintas di depan. Untuk menjimatkan lebar jalur, Kepler sebenarnya hanya menyampaikan maklumat mengenai perubahan kecerahan bintang itu sendiri.
Pada bulan Julai 2012, salah satu daripada empat roda reaksi Kepler gagal. Masih ada tiga, yang minimum untuk dapat cukup stabil untuk melanjutkan pengamatannya. Dan pada bulan Mei 2013, NASA mengumumkan bahawa Kepler mengalami kegagalan dengan roda yang lain. Jadi ia menjadi dua.
Ini menghentikan operasi sains utama Kepler. Dengan hanya dua roda yang beroperasi, ia tidak lagi dapat mengekalkan kedudukannya dengan cukup tepat untuk mengesan kecerahan bintang ..
Walaupun misi itu mungkin gagal, para jurutera menemukan strategi yang cerdas, menggunakan tekanan cahaya dari Matahari untuk bertindak sebagai kekuatan dalam satu sumbu. Dengan mengimbangi kapal angkasa dengan cahaya matahari dengan sempurna, mereka dapat terus menggunakan dua roda reaksi yang lain untuk terus membuat pemerhatian.
Tetapi Kepler terpaksa melihat tempat kecil di langit yang sejajar dengan orientasi barunya, dan mengalihkan misi ilmiahnya untuk mencari planet yang mengorbit bintang kerdil merah. Ia menggunakan propelan onboardnya kembali ke Bumi untuk mengirimkan data. Kepler akhirnya kehabisan bahan bakar pada 30 Oktober 2018, dan NASA menyelesaikan misinya.
Pada masa yang sama bahawa Kepler sedang bergelut dengan roda reaksi, misi DASA NASA menghadapi masalah dengan roda reaksi yang sama.
Kehilangan Roda Reaksi Dawn
Dawn dilancarkan pada 27 September 2007 dengan tujuan untuk meneroka dua asteroid terbesar di Sistem Suria: Vesta dan Ceres. Kapal angkasa itu memasuki orbit sekitar Vesta pada bulan Julai 2011 dan menghabiskan tahun berikutnya untuk belajar dan memetakan dunia.
Ia sepatutnya meninggalkan Vesta dan berangkat ke Ceres pada bulan Ogos 2012, tetapi keberangkatan ditangguhkan lebih dari sebulan kerana masalah dengan roda reaksi. Mulai tahun 2010, para jurutera mengesan geseran di salah satu rodanya semakin bertambah, jadi kapal angkasa beralih ke tiga roda yang berfungsi.
Dan kemudian pada tahun 2012, roda kedua juga mula mengalami geseran, dan kapal angkasa ditinggalkan dengan hanya dua roda yang tersisa. Tidak cukup untuk menjadikannya berorientasi sepenuhnya di ruang dengan menggunakan elektrik sahaja. Ini bererti ia harus mulai menggunakan pendorong hidrazin untuk mempertahankan orientasinya sepanjang sisa misinya.
Fajar sampai ke Ceres, dan dengan menggunakan propelan dengan hati-hati ia dapat memetakan dunia ini, dan ciri permukaannya yang pelik. Akhirnya, pada akhir 2018, kapal angkasa itu kehabisan tenaga, dan tidak lagi dapat mempertahankan orientasinya, untuk memetakan Ceres atau mengirim isyaratnya kembali ke Bumi.
Kapal angkasa akan terus mengorbit Ceres, jatuh tanpa daya.
Terdapat senarai misi yang panjang yang roda reaksi gagal. Dan sekarang para saintis berpendapat mereka tahu mengapa. Terdapat sebuah makalah yang dikeluarkan pada tahun 2017 yang menentukan bahawa persekitaran ruang itu sendiri menyebabkan masalah tersebut. Ketika ribut geomagnetik melewati kapal angkasa, mereka menghasilkan cas pada roda reaksi yang menyebabkan peningkatan geseran dan membuat mereka hancur lebih cepat.
Saya akan meletakkan pautan ke video hebat oleh Scott Manley yang menerangkan dengan lebih terperinci.
Teleskop Angkasa Hubble dan Giroskopnya
Teleskop Angkasa Hubble dilengkapi dengan roda reaksi untuk mengubah orientasi keseluruhannya, memutar seluruh teleskop mengenai kelajuan satu minit tangan pada jam - 90 darjah dalam 15 minit.
Tetapi untuk tetap menunjuk pada satu sasaran, ia menggunakan teknologi lain: giroskop.
Terdapat 6 giroskop di Hubble yang berputar pada 19.200 putaran seminit. Mereka besar, besar dan berputar begitu cepat sehingga inersia mereka menentang perubahan pada orientasi teleskop. Ia berfungsi paling baik dengan tiga - sepadan dengan tiga dimensi ruang - tetapi boleh beroperasi dengan dua, atau bahkan satu, dengan hasil yang kurang tepat.
Pada bulan Ogos 2005, giroskop Hubble telah habis, dan NASA beralih ke mod dua-giroskop. Pada tahun 2009, semasa Misi Servis 4, angkasawan NASA mengunjungi teleskop angkasa lepas dan mengganti keenam-enam giroskopnya.
Ini mungkin kali terakhir angkasawan akan mengunjungi Hubble, dan masa depannya bergantung pada berapa lama giroskop ini bertahan.
Bagaimana dengan James Webb?
Saya tahu penyebutan Teleskop Luar Angkasa James Webb membuat semua orang gugup. Lebih daripada $ 8 bilion dolar telah dilaburkan setakat ini dan dijangka dilancarkan dalam kira-kira dua tahun dari sekarang. Ia akan terbang ke titik Lagrange Bumi-Matahari, yang terletak kira-kira 1.5 juta kilometer dari Bumi.
Tidak seperti Hubble, tidak ada cara untuk mengeluarkan James Webb untuk memperbaikinya jika ada yang tidak kena. Dan melihat seberapa kerap giroskop gagal, ini kelihatan seperti titik lemah yang berbahaya. Bagaimana jika gyros James Webb gagal? Bagaimana kita boleh menggantikannya.
James Webb memang mempunyai roda reaksi di atas kapal. Mereka dibina oleh Rockwell Collins Deutschland, dan serupa dengan roda reaksi di misi Chandra, EOS Aqua dan Aura NASA - jadi teknologi yang berbeza dari roda reaksi yang gagal di Dawn dan Kepler. Misi Aura memberikan ketakutan pada tahun 2016 apabila salah satu roda reaksinya berputar, tetapi ia berjaya dipulihkan setelah sepuluh hari.
James Webb tidak menggunakan giroskop mekanikal seperti Hubble untuk memastikannya tepat. Sebaliknya, ia menggunakan teknologi lain yang disebut giros resonator hemisfera, atau HRG.
Ini menggunakan hemisfera kuarza yang telah dibentuk dengan sangat tepat sehingga bergema dengan cara yang sangat dapat diramalkan. Hemisfera dikelilingi oleh elektrod yang mendorong resonans, tetapi juga mengesan sedikit perubahan pada orientasinya.
Saya tahu bunyi seperti omong kosong, seperti digerakkan oleh impian unicorn, tetapi anda boleh merasakannya sendiri.
Pegang gelas anggur dan kemudian menjentikkannya dengan jari sehingga berdering. Deringan adalah gelas anggur yang melenturkan bolak-balik pada frekuensi resonansnya. Semasa anda memutar gelas, lenturan ke belakang juga berpusing, tetapi ketinggalan di belakang orientasi dengan cara yang sangat dapat diramalkan.
Apabila ayunan ini berlaku beribu-ribu kali sesaat dalam kristal kuarza, mungkin untuk mengesan gerakan kecil dan kemudian menerangkannya.
Begitulah James Webb akan terus terkunci pada sasarannya.
Teknologi ini telah terbang pada misi Cassini di Saturnus dan berfungsi dengan sempurna. Sebenarnya, pada bulan Jun 2011, NASA telah melaporkan bahawa instrumen ini telah mengalami operasi berterusan selama 18 juta jam di angkasa di lebih dari 125 kapal angkasa yang berbeza tanpa satu kegagalan. Ia sangat dipercayai.
Saya harap perkara itu dapat diselesaikan. Roda tindak balas atau momentum digunakan untuk mengarahkan semula kapal angkasa di ruang angkasa, sehingga mereka dapat menghadap ke arah yang berbeza tanpa menggunakan propelan.
Giroskop digunakan untuk menjaga teleskop ruang tepat menunjuk pada sasaran, untuk memberikan data ilmiah terbaik. Mereka boleh menjadi roda pemintal mekanikal, atau mereka menggunakan resonans kristal bergetar untuk mengesan perubahan inersia.
