Thật tuyệt vời khi nghĩ rằng có những kính viễn vọng trong không gian, ngay bây giờ, hướng ánh mắt của họ vào những vật thể ở xa trong nhiều giờ, nhiều ngày và thậm chí hàng tuần. Cung cấp một quan điểm ổn định và chính xác đến mức chúng ta có thể tìm hiểu chi tiết về các thiên hà, ngoại hành tinh và hơn thế nữa.
Và sau đó, khi thời gian kết thúc, tàu vũ trụ có thể chuyển ánh mắt sang hướng khác. Tất cả mà không cần sử dụng nhiên liệu.
Tất cả đều nhờ vào công nghệ của bánh xe phản ứng và con quay hồi chuyển. Hãy nói về cách họ làm việc, cách họ khác nhau và sự thất bại của họ đã kết thúc nhiệm vụ trong quá khứ.
Đây là câu trả lời nhanh. Bánh xe phản ứng cho phép tàu vũ trụ thay đổi hướng trong không gian, trong khi con quay hồi chuyển giữ kính viễn vọng cực kỳ ổn định, do đó chúng có thể hướng vào mục tiêu với độ chính xác cao.
Nếu bạn đã nghe đủ các tập của Astronomy Cast, bạn sẽ biết tôi luôn phàn nàn về bánh xe phản ứng. Nó dường như luôn là điểm thất bại trong các nhiệm vụ, kết thúc chúng sớm trước khi tất cả các khoa học được đưa vào.
Có lẽ tôi đã sử dụng thuật ngữ bánh xe phản ứng và con quay hồi chuyển thay thế trong quá khứ, nhưng chúng phục vụ các mục đích hơi khác nhau.
Đầu tiên, hãy để nói về bánh xe phản ứng. Đây là một loại bánh đà được sử dụng để thay đổi hướng của tàu vũ trụ. Hãy nghĩ về một kính viễn vọng không gian cần chuyển từ mục tiêu sang mục tiêu hoặc một tàu vũ trụ cần quay ngược về Trái đất để truyền dữ liệu.
Họ còn được gọi là bánh xe đà.
Không có sức cản không khí trong không gian. Khi một bánh xe quay theo một hướng, toàn bộ kính thiên văn sẽ quay theo hướng ngược lại, nhờ vào Định luật thứ ba của Newton - bạn biết, đối với mọi hành động, đều có một phản ứng ngang bằng và ngược lại. Với bánh xe quay theo cả ba hướng, bạn có thể xoay kính thiên văn theo bất kỳ hướng nào bạn thích.
Các bánh xe được cố định tại chỗ và quay trong khoảng từ 1.000 đến 4.000 vòng quay mỗi phút, tạo nên động lượng góc trong tàu vũ trụ. Để thay đổi hướng của tàu vũ trụ, họ thay đổi tốc độ quay của bánh xe.
Điều này tạo ra một mô-men xoắn làm cho tàu vũ trụ thay đổi hướng của nó, hoặc điều kiện tiên quyết, theo hướng đã chọn.
Công nghệ này chỉ hoạt động với điện, điều đó có nghĩa là bạn không cần sử dụng nhiên liệu đẩy để thay đổi hướng của kính thiên văn. Chừng nào bạn còn có đủ số vòng quay, bạn có thể tiếp tục thay đổi hướng của mình, chỉ sử dụng năng lượng từ Mặt trời.
Bánh xe phản ứng được sử dụng trên hầu hết mọi tàu vũ trụ ngoài kia, từ những chiếc Cub nhỏ bé đến Kính viễn vọng Không gian Hubble.
Với ba bánh xe, bạn có thể thay đổi hướng của mình đến bất kỳ vị trí nào trong 3 chiều. Nhưng Hội Hành tinh Mặt trăng LightSail 2 chỉ có một bánh xe động lượng duy nhất để chuyển hướng của cánh buồm mặt trời của nó, từ cạnh trên sang Mặt trời và sau đó mở rộng để tăng quỹ đạo của nó chỉ bằng ánh sáng mặt trời.
Tất nhiên, chúng tôi quen thuộc nhất với các bánh xe phản ứng vì những lần họ đã thất bại, đưa tàu vũ trụ ra khỏi ủy ban. Các nhiệm vụ như FUSE và JAXA từ Hayabusa.
Kepler Vay mất bánh phản ứng và giải pháp khéo léo
Nổi tiếng nhất, Kính viễn vọng Không gian NASA Kepler, ra mắt vào ngày 9 tháng 3 năm 2009 để tìm các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác. Kepler được trang bị 4 bánh phản ứng. Ba là cần thiết để giữ cho kính viễn vọng hướng cẩn thận vào một vùng trời, và sau đó là một phụ tùng.
Nó đang theo dõi bất kỳ ngôi sao nào trong tầm nhìn của nó để thay đổi độ sáng theo hệ số 1 trên 10.000, cho thấy một hành tinh có thể đi qua phía trước. Để tiết kiệm băng thông, Kepler thực sự chỉ truyền thông tin về sự thay đổi độ sáng của chính các ngôi sao.
Vào tháng 7 năm 2012, một trong bốn bánh phản ứng của Kepler đã thất bại. Nó vẫn có ba, đó là mức tối thiểu cần thiết để có thể đủ ổn định để tiếp tục quan sát. Và sau đó vào tháng 5 năm 2013, NASA đã thông báo rằng Kepler đã gặp sự cố với một bánh xe khác. Vì vậy, nó đã xuống đến hai.
Điều này đã khiến các hoạt động khoa học chính của Kepler bị đình trệ. Chỉ với hai bánh xe hoạt động, nó không còn có thể duy trì vị trí của mình đủ chính xác để theo dõi độ sáng của sao ..
Mặc dù nhiệm vụ có thể là một thất bại, các kỹ sư đã tìm ra một chiến lược khéo léo, sử dụng áp lực nhẹ từ Mặt trời để hoạt động như một lực trong một trục. Bằng cách cân bằng hoàn hảo tàu vũ trụ dưới ánh sáng mặt trời, họ có thể tiếp tục sử dụng hai bánh phản ứng khác để tiếp tục quan sát.
Nhưng Kepler buộc phải nhìn vào điểm nhỏ trên bầu trời tình cờ phù hợp với định hướng mới của nó, và chuyển nhiệm vụ khoa học của mình sang tìm kiếm các hành tinh quay quanh các ngôi sao lùn đỏ. Nó đã sử dụng hết động cơ đẩy trên tàu quay trở lại Trái đất để truyền dữ liệu. Kepler cuối cùng đã hết nhiên liệu vào ngày 30 tháng 10 năm 2018 và NASA đã hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Cùng lúc Kepler đang vật lộn với các bánh xe phản ứng của mình, nhiệm vụ của NASA Dawn Dawn đang gặp vấn đề với các bánh xe phản ứng giống hệt nhau.
Dawn Dawn Mất bánh xe phản ứng
Dawn được ra mắt vào ngày 27 tháng 9 năm 2007 với mục tiêu khám phá hai trong số các tiểu hành tinh lớn nhất trong Hệ Mặt trời: Vesta và Ceres. Tàu vũ trụ đã đi vào quỹ đạo xung quanh Vesta vào tháng 7 năm 2011 và dành năm sau để nghiên cứu và lập bản đồ thế giới.
Đáng lẽ phải rời Vesta và đến Ceres vào tháng 8 năm 2012, nhưng sự ra đi đã bị trì hoãn hơn một tháng vì những vấn đề với bánh xe phản ứng của nó. Bắt đầu từ năm 2010, các kỹ sư đã phát hiện ngày càng nhiều ma sát ở một trong các bánh xe của nó, vì vậy tàu vũ trụ đã chuyển sang ba bánh xe hoạt động.
Và sau đó vào năm 2012, chiếc bánh xe thứ hai của nó cũng bắt đầu có ma sát và tàu vũ trụ chỉ còn lại hai bánh xe. Không đủ để giữ cho nó được định hướng đầy đủ trong không gian sử dụng điện một mình. Điều này có nghĩa là nó phải bắt đầu sử dụng nhiên liệu hydrazine để duy trì định hướng trong suốt phần còn lại của nhiệm vụ.
Dawn đã đến được Ceres, và thông qua việc sử dụng cẩn thận chất đẩy, nó có thể vạch ra thế giới này và các đặc điểm bề mặt kỳ quái của nó. Cuối cùng, vào cuối năm 2018, tàu vũ trụ đã hết nhiên liệu và nó không còn có thể duy trì hướng của nó, để lập bản đồ Ceres hoặc gửi tín hiệu của nó trở lại Trái đất.
Tàu vũ trụ sẽ tiếp tục quay quanh quỹ đạo Ceres, bất lực.
Có một danh sách dài các nhiệm vụ mà bánh xe phản ứng đã thất bại. Và bây giờ các nhà khoa học nghĩ rằng họ biết tại sao. Có một bài báo được phát hành vào năm 2017 đã xác định rằng chính môi trường không gian đang gây ra vấn đề. Khi các cơn bão địa từ đi qua tàu vũ trụ, chúng tạo ra các điện tích trên các bánh xe phản ứng gây ra sự gia tăng ma sát và làm cho chúng mòn nhanh hơn.
I hèll đặt một liên kết đến một video tuyệt vời của Scott Manley mà đi sâu vào chi tiết hơn.
Kính thiên văn vũ trụ Hubble và con quay hồi chuyển của nó
Kính thiên văn vũ trụ Hubble được trang bị các bánh xe phản ứng để thay đổi hướng tổng thể của nó, xoay toàn bộ kính thiên văn về tốc độ của một phút trên đồng hồ - 90 độ trong 15 phút.
Nhưng để chỉ vào một mục tiêu duy nhất, nó sử dụng một công nghệ khác: con quay hồi chuyển.
Có 6 con quay hồi chuyển trên Hubble quay với tốc độ 19.200 vòng / phút. Chúng có kích thước lớn, đồ sộ và quay nhanh đến mức quán tính của chúng chống lại mọi thay đổi đối với định hướng của kính viễn vọng. Nó hoạt động tốt nhất với ba - khớp với ba chiều của không gian - nhưng có thể hoạt động với hai hoặc thậm chí một, với kết quả kém chính xác hơn.
Vào tháng 8 năm 2005, các con quay hồi chuyển của Hubble đã bị mòn và NASA chuyển sang chế độ hai con quay hồi chuyển. Vào năm 2009, trong Nhiệm vụ Phục vụ 4, các phi hành gia của NASA đã ghé thăm kính viễn vọng không gian và thay thế tất cả sáu con quay của nó.
Đây có thể là lần cuối cùng các phi hành gia sẽ ghé thăm Hubble và tương lai của nó phụ thuộc vào việc các con quay này kéo dài bao lâu.
James Webb thì sao?
Tôi biết việc chỉ nhắc đến Kính viễn vọng Không gian James Webb khiến mọi người lo lắng. Cho đến nay, hơn 8 tỷ đô la đã đầu tư và sẽ ra mắt trong khoảng hai năm kể từ bây giờ. Nó sẽ bay đến điểm Lagrange của Trái đất-Mặt trời, nằm cách Trái đất khoảng 1,5 triệu km.
Không giống như Hubble, ở đó, không có cách nào để bay ra James Webb để sửa chữa nó nếu có sự cố xảy ra. Và nhìn thấy tần suất con quay hồi chuyển thất bại, điều này thực sự có vẻ như là một điểm yếu nguy hiểm. Điều gì xảy ra nếu con quay James Webb sườn thất bại? Làm thế nào chúng ta có thể thay thế chúng.
James Webb không có bánh xe phản ứng trên tàu. Chúng được chế tạo bởi Rockwell Collins Deutschland, và chúng tương tự như các bánh xe phản ứng trên tàu của NASA Nhiệm vụ Chandra, EOS Aqua và Aura - vì vậy một công nghệ khác với các bánh xe phản ứng thất bại trên Dawn và Kepler. Nhiệm vụ Aura đã gây ra sự sợ hãi vào năm 2016 khi một trong những bánh xe phản ứng của nó quay xuống, nhưng nó đã được phục hồi sau mười ngày.
James Webb không sử dụng con quay hồi chuyển cơ học như Hubble để giữ nó trên mục tiêu. Thay vào đó, nó sử dụng một công nghệ khác gọi là con quay cộng hưởng bán cầu hay HRGs.
Chúng sử dụng một bán cầu thạch anh đã được định hình rất chính xác để nó cộng hưởng theo một cách rất dễ đoán. Bán cầu được bao quanh bởi các điện cực điều khiển cộng hưởng, nhưng cũng phát hiện bất kỳ thay đổi nhỏ nào trong hướng của nó.
Tôi biết loại âm thanh như tiếng vô nghĩa, giống như nó được cung cấp bởi những giấc mơ kỳ lân, nhưng bạn có thể tự mình trải nghiệm điều này.
Giữ một ly rượu và sau đó vuốt nó bằng ngón tay của bạn để nó rung chuông. Tiếng chuông là ly rượu uốn cong qua lại với tần số cộng hưởng của nó. Khi bạn xoay kính, uốn cong qua lại cũng vậy, nhưng nó bị tụt lại phía sau định hướng theo một cách rất dễ đoán.
Khi những dao động này xảy ra hàng nghìn lần một giây trong tinh thể thạch anh, nó có thể phát hiện ra những chuyển động nhỏ và sau đó giải thích chúng.
Đó là cách mà James Webb sẽ bị khóa trên các mục tiêu của mình.
Công nghệ này đã thực hiện nhiệm vụ Cassini tại Sao Thổ và hoạt động hoàn hảo. Trên thực tế, tính đến tháng 6 năm 2011, NASA đã báo cáo rằng các thiết bị này đã trải qua 18 triệu giờ hoạt động liên tục trong không gian trên hơn 125 tàu vũ trụ khác nhau mà không gặp một lỗi nào. Nó thực sự rất đáng tin cậy.
Tôi hy vọng rằng sẽ làm sáng tỏ mọi thứ. Bánh xe phản ứng hoặc động lượng được sử dụng để định hướng lại tàu vũ trụ trong không gian, do đó chúng có thể quay mặt theo các hướng khác nhau mà không cần sử dụng nhiên liệu đẩy.
Con quay hồi chuyển được sử dụng để giữ cho kính viễn vọng không gian chỉ chính xác vào mục tiêu, để cung cấp dữ liệu khoa học tốt nhất. Chúng có thể là bánh xe quay cơ học, hoặc chúng sử dụng sự cộng hưởng của các tinh thể rung để phát hiện những thay đổi về quán tính.
