מדהים לחשוב שיש טלסקופים למעלה בחלל, ברגע זה, מכוונים את מבטם לחפצים מרוחקים במשך שעות, ימים ואפילו שבועות. מתן נקודת מבט יציבה ומדויקת כל כך שנוכל ללמוד פרטים על גלקסיות, אקסופלאנטים ועוד.
ואז, כשנגמר הזמן, החללית יכולה להזיז את מבטה לכיוון אחר. הכל ללא שימוש בדלק.
הכל בזכות הטכנולוגיה של גלגלי התגובה והגירוסקופים. בואו נדבר על איך הם עובדים, כיצד הם שונים ואיך הכישלון שלהם הסתיים במשימות בעבר.
הנה התשובה המהירה. גלגלי התגובה מאפשרים לחלליות לשנות את כיוונם בחלל, ואילו הג'ירוסקופים שומרים על טלסקופ יציב להפליא, כך שיוכלו להצביע על יעד ברמת דיוק גבוהה.
אם הקשבת למספיק פרקים של אסטרונומיה קאסט, אתה יודע שאני תמיד מתלונן על גלגלי תגובה. זה תמיד נראה שזו נקודת הכישלון במשימות, והסתיים בטרם עת לפני שהמדע מסתיים.
השתמשתי ככל הנראה במונחים גלגלי תגובה וג'ירוסקופים זה בזה, אך הם משרתים מטרות שונות במקצת.
ראשית, נדבר על גלגלי התגובה. אלה הם סוג של גלגל תנופה המשמש לשינוי האוריינטציה של חללית. חשבו על טלסקופ חלל שצריך לעבור ממטרה למטרה, או חללית שצריכה להחזיר את עצמה לכדור הארץ כדי לתקשר נתונים.
הם ידועים גם כגלגלי תנופה.
אין התנגדות אוויר בחלל. כשגלגל מסתובב לכיוון אחד הטלסקופ כולו פונה לכיוון ההפוך, בזכות החוק השלישי של ניוטון - אתה יודע, על כל פעולה, יש תגובה שווה והפוכה. בעזרת גלגלים מסתובבים בכל שלושת הכיוונים תוכלו לסובב את הטלסקופ לכל כיוון שתרצו.
הגלגלים קבועים במקומם ומסתובבים בין 1,000 ל -4,000 סיבובים לדקה, ובונים תנופה זוויתית בחללית. כדי לשנות את כיוון החללית, הם משנים את הקצב בו מסתובבים הגלגלים.
זה יוצר מומנט הגורם לחללית להזיז את האוריינטציה שלה, או את קודמתה, לכיוון שנבחר.
טכנולוגיה זו עובדת עם חשמל בלבד, מה שאומר שאינך צריך להשתמש במונע כדי לשנות את כיוון הטלסקופ. כל עוד יש לך מספיק מסתובבים מסתובבים, אתה יכול להמשיך לשנות את הכיוון שלך, להשתמש רק בכוח מהשמש.
גלגלי התגובה משמשים כמעט בכל חללית שם, החל מקוביות קטנטנות ועד טלסקופ החלל האבל.
עם שלושה גלגלים, אתה יכול לשנות את הכיוון שלך לכל מקום בתלת מימד. אך ל- LightSail 2 של החברה הפלנטרית יש רק גלגל תנופה יחיד שיכול להעביר את כיוון המפרש הסולארי שלו, מקצה אל השמש ואז לרוחב כדי להעלות את מסלולו לאור השמש בלבד.
כמובן, אנו מכירים היטב את גלגלי התגובה בגלל התקופות שהם נכשלו בהוצאת חלליות מההוראות. משימות כמו FUSE ו- Hayabusa של JAXA.
אובדן גלגלי התגובה של קפלר והפתרון הגאוני
באופן המפורסם ביותר, טלסקופ החלל קפלר של נאס"א, שהושק ב- 9 במרץ, 2009 במטרה למצוא כוכבי לכת המקיפים כוכבים אחרים. קפלר היה מצויד ב -4 גלגלי תגובה. שלוש היו נחוצות כדי שהטלסקופ יהיה מכוון בזהירות לאזור שמיים, ואז חילוף.
הוא צפה בכוכב כלשהו בשדה הראייה שלו לשנות את הבהירות על ידי גורם של 1 מכל 10,000, מה שמעיד על כך שכוכב לכת יכול לעבור לפניו. כדי לחסוך רוחב פס, קפלר העביר רק מידע על שינוי בהירות הכוכבים עצמם.
ביולי 2012, אחד מארבעת גלגלי התגובה של קפלר נכשל. היו לו עדיין שלושה, שהם המינימום שהיה דרוש בכדי להיות מסוגל להיות יציב מספיק כדי להמשיך בתצפיות. ואז בחודש מאי, 2013, הודיעה נאס"א כי קפלר כשל עם גלגל אחר. אז זה היה בשתיים.
זה עצר את פעולות המדע העיקריות של קפלר. כאשר שני גלגלים פועלים בלבד, הוא כבר לא יכול היה לשמור על מיקומו בצורה מדויקת מספיק כדי לעקוב אחר בהירות הכוכבים.
למרות שהמשימה יכולה הייתה להיות כישלון, מהנדסים הצליחו להבין אסטרטגיה גאונית, תוך שימוש בלחץ האור של השמש כדי לפעול כח בציר אחד. על ידי איזון מושלם של החללית באור השמש, הם הצליחו להמשיך להשתמש בשני גלגלי התגובה האחרים כדי להמשיך ולהתבונן.
אבל קפלר נאלץ להביט בנקודה הזעירה בשמיים שבמקרה תואמת את האוריינטציה החדשה שלה, והעבירה את משימת המדע שלה לחיפוש אחר כוכבי לכת המקיפים כוכבי ננס אדומים. הוא ניצל את הדחף המשולב בחזרה לכדור הארץ כדי להעביר נתונים. קפלר אזל סוף סוף מהדלק ב- 30 באוקטובר 2018 ונאס"א עטפה את משימתה.
במקביל שקפלר נאבק עם גלגלי התגובה שלו, משימת השחר של נאס"א נתקלה בבעיות עם אותם גלגלי התגובה בדיוק.
אובדן התגובה של שחר גלגלים
שחר הושק ב- 27 בספטמבר 2007 במטרה לחקור את שני האסטרואידים הגדולים במערכת השמש: וסטה וסרס. החללית עברה למסלול סביב וסטה ביולי 2011 ובילתה בשנה הבאה בחקר ומיפוי העולם.
היא הייתה אמורה לעזוב את וסטה ולפנות לסר באוגוסט 2012, אך היציאה התעכבה ביותר מחודש בגלל בעיות בגלגלי התגובה שלה. החל משנת 2010, המהנדסים גילו יותר ויותר חיכוך באחד מגלגליו, כך שהחללית עברה לשלושת הגלגלים המתפקדים.
ואז בשנת 2012, השני של הגלגלים שלה התחיל לצבור חיכוך גם כן, והחללית נותרה עם שני גלגלים שנותרו. לא מספיק בכדי לשמור על אוריינטציה מלאה בחלל באמצעות חשמל בלבד. פירוש הדבר היה שעליו להתחיל להשתמש במונע הידרזין שלו כדי לשמור על אוריינטציה לאורך כל שארית המשימה.
שחר הגיע לסרס, ובאמצעות שימוש זהיר במונע הצליח למפות את העולם הזה ואת תווי פני השטח המוזרים שלו. לבסוף, בסוף 2018 החללית יצאה ממונע והיא כבר לא הצליחה לשמור על אוריינטציה, למפות את סרס או להעביר את אותותיה חזרה לכדור הארץ.
החללית תמשיך להקיף את סרס, נופלת בחוסר אונים.
יש רשימה ארוכה של משימות שגלגלי התגובה שלהם נכשלו. ועכשיו מדענים חושבים שהם יודעים למה. היה פרסום שפורסם בשנת 2017 שקבע כי סביבת החלל עצמה גורמת לבעיה. כאשר סערות גאומגנטיות עוברות את החללית, הן מייצרות מטענים על גלגלי התגובה הגורמים לעלייה בחיכוך וגורמים להם להתבלות במהירות רבה יותר.
אני אשים קישור לסרטון נהדר של סקוט מנלי שנכנס לפרטים נוספים.
טלסקופ החלל האבל וג'ירוסקופיו
טלסקופ החלל האבל מצויד בגלגלי התגובה לשינוי האוריינטציה הכללית שלו, ומסובב את הטלסקופ כולו במהירות של דקה על שעון - 90 מעלות תוך 15 דקות.
אך כדי להישאר מכוונים למטרה יחידה, היא משתמשת בטכנולוגיה אחרת: גירוסקופים.
ישנם 6 ג'ירוסקופים על האבל שמסתובבים ב -19,200 סיבובים לדקה. הם גדולים, מאסיביים וסובבים כל כך מהר עד שהאינרציה שלהם מתנגדת לכל שינוי בכיוון הטלסקופ. זה עובד בצורה הטובה ביותר עם שלושה - בהתאמה לשלושת הממדים של החלל - אבל יכול לפעול עם שניים, או אפילו אחד, עם תוצאות פחות מדויקות.
באוגוסט 2005, הגירוסקופים של האבל התבלו, ונאס"א עברה למצב דו-גירוסקופי. בשנת 2009, במהלך שירות משימה 4, ביקרו האסטרונאוטים של נאס"א בטלסקופ החלל והחליפו את כל ששת הגירוסקופים שלו.
זו ככל הנראה הפעם האחרונה בה אסטרונאוטים יבקרו אי פעם באבל, ועתידו תלוי כמה זמן יימשך הגירוסקופים האלה.
מה עם ג'יימס ווב?
אני יודע שעצם אזכור טלסקופ החלל ג'יימס ווב מעורר את כולם עצבניים. יותר משמונה מיליארד דולר שהושקעו עד כה וצפויים להשיקם בעוד כשנתיים מהיום. זה יטוס לנקודת Lagrange Earth-Sun L2, הממוקמת במרחק של כמיליון וחצי ק"מ מכדור הארץ.
שלא כמו האבל, אין דרך להטיס את ג'יימס ווב כדי לתקן אותו אם משהו ישתבש. ולראות באיזו תדירות הגירוסקופים נכשלו, זה באמת נראה כנקודת תורפה מסוכנת. מה אם הג'ירואים של ג'יימס ווב נכשלים? איך נוכל להחליף אותם.
לג'יימס ווב יש גלגלי תגובה על הסיפון. הם בנויים על ידי רוקוול קולינס דויטשלנד, והם דומים לגלגלי התגובות שעל גבי משימות צ'נדרה, EOS אקווה ואורה של נאס"א - כך טכנולוגיה שונה מגלגלי התגובה הכושלים בדאון וקפלר. משימת האורה סיפקה פחד בשנת 2016 כשאחד מגלגלי התגובה שלה התהפך, אך הוא התאושש לאחר עשרה ימים.
ג'יימס ווב לא משתמש בג'ירוסקופים מכניים כמו האבל כדי לשמור על היעד. במקום זאת, היא משתמשת בטכנולוגיה שונה הנקראת ג'ירואים מהודה-כדורית, או HRGs.
אלה משתמשים בחצי הכדור קוורץ שעוצב בצורה מדויקת מאוד כך שתהדהד בצורה מאוד צפויה. חצי הכדור מוקף על ידי אלקטרודות המניעות את התהודה, אך גם מגלים שינויים קלים בכיוון שלה.
אני מכיר סוג כזה של צלילים כמו ג'יבריש, כאילו זה מופעל על ידי חלומות של חד קרן, אבל אתה יכול לחוות זאת בעצמך.
החזיקו כוסית יין ואז תנופו אותה עם האצבע כך שתצלצל. הצלצול הוא כוסית היין המתכופפת קדימה ואחורה בתדירות התהודה שלה. כשאתה מסובב את הזכוכית, גם הכפיפה קדימה ואחורה מסתובבת, אך היא מפגרת מאחורי האוריינטציה בצורה מאוד צפויה.
כאשר תנודות אלה מתרחשות אלפי פעמים בשנייה בגביש קוורץ, ניתן לאתר תנועות קטנטנות ואז להסביר אותן.
כך ג'יימס ווב יישאר נעול על יעדיו.
טכנולוגיה זו טסה למשימת קאסיני בשבתאי ועבדה בצורה מושלמת. למעשה, החל מיוני 2011 דיווחה נאס"א כי מכשירים אלה חוו 18 מיליון שעות של פעולה רציפה בחלל ביותר מ- 125 חלליות שונות ללא כישלון אחד. זה למעשה מאוד אמין.
אני מקווה שזה מנקה את העניינים. גלגלי התגובה או התנע משמשים לכיוון מחדש של חלליות בחלל, כך שהם יכולים להתמודד לכיוונים שונים מבלי להשתמש במונע.
הגירוסקופים משמשים כדי לשמור על טלסקופ חלל שמצביע במדויק על המטרה, כדי לספק את הנתונים המדעיים הטובים ביותר. הם יכולים להיות גלגלים מסתובבים מכניים, או שהם משתמשים בתהודה של גבישים רוטטים כדי לאתר שינויים באינרציה.
