Je úžasné myslieť si, že v súčasnosti sú vo vesmíre ďalekohľady, ktoré nasmerujú svoj pohľad na vzdialené objekty celé hodiny, dni alebo dokonca týždne. Poskytovanie tak stabilného a presného pohľadu, že sa môžeme dozvedieť podrobnosti o galaxiách, exoplanetách a ďalších.
A potom, keď vyprší čas, môže kozmická loď posunúť svoj pohľad iným smerom. Všetko bez použitia paliva.
Je to všetko vďaka technológii reakčných kolies a gyroskopov. Poďme hovoriť o tom, ako fungujú, ako sa líšia a ako ich neúspech ukončil misie v minulosti.
Tu je rýchla odpoveď. Reakčné kolesá umožňujú kosmickej lodi zmeniť svoju orientáciu v priestore, zatiaľ čo gyroskopy udržujú teleskop neuveriteľne stabilný, aby mohli s vysokou presnosťou ukazovať na cieľ.
Ak ste počúvali dostatok epizód Cast Astronomy, viete, že sa vždy sťažujem na reakčné kolesá. Zdá sa, že to vždy je bod zlyhania misií a ich predčasné ukončenie predtým, ako je veda úplne v poriadku.
Pravdepodobne som v minulosti používal pojmy reakčné kolesá a gyroskopy vzájomne zameniteľne, ale slúžia trochu na iné účely.
Najprv si povedzme o reakčných kolesách. Toto je typ zotrvačníka, ktorý sa používa na zmenu orientácie kozmickej lode. Zamyslite sa nad vesmírnym teleskopom, ktorý potrebuje prepnúť z cieľa na cieľ, alebo s kozmickou loďou, ktorá sa musí na prenos údajov otočiť späť na Zem.
Sú známe aj ako kolesá hybnosti.
Vo vesmíre nie je žiadny odpor vzduchu. Keď sa koleso otočí v jednom smere, vďaka ďalšiemu Newtonovmu zákonu sa celý ďalekohľad otočí opačným smerom - viete, pre každú akciu existuje rovnaká a opačná reakcia. S kolesami otáčajúcimi sa vo všetkých troch smeroch môžete teleskop otáčať ktorýmkoľvek smerom.
Kolesá sú upevnené na svojom mieste a otáčajú sa rýchlosťou 1 000 až 4 000 otáčok za minútu, čím sa v kozmickej lodi zvyšuje hybnosť. Za účelom zmeny orientácie kozmickej lode menia rýchlosť otáčania kolies.
To vytvára krútiaci moment, ktorý spôsobí, že kozmická loď posunie svoju orientáciu alebo precesiu zvoleným smerom.
Táto technológia funguje iba s elektrinou, čo znamená, že na zmenu orientácie ďalekohľadu nemusíte používať hnací plyn. Pokiaľ máte dostatok rotujúcich rotorov, môžete pokračovať v zmene smeru, využívajte iba energiu zo Slnka.
Reakčné kolesá sa používajú takmer na každej kozmickej lodi, od malých kubesatov až po Hubbleov vesmírny teleskop.
Pomocou troch kolies môžete zmeniť svoju orientáciu na akékoľvek miesto v 3 rozmeroch. Ale LightSail 2 planétovej spoločnosti má iba jedno koleso s hybnou silou na posun orientácie svojej slnečnej plachty z okraja na Slnko a potom okolo boku, aby zvýšil svoju obežnú dráhu iba slnečným žiarením.
S reakčnými kolesami sme samozrejme dobre oboznámení z dôvodu ich zlyhania a vyradenie kozmickej lode z prevádzky. Misie ako FUSE a Hayabusa od JAXA.
Keplerova strata reakčných kolies a dômyselné riešenie
Najslávnejšie je vesmírny teleskop agentúry NASA, ktorý sa začal 9. marca 2009 s cieľom nájsť planéty obiehajúce iné hviezdy. Kepler bol vybavený 4 reakčnými kolesami. Na udržanie pozornosti ďalekohľadu boli pozorované tri oblasti oblohy a potom náhradné.
Sledoval, či sa akákoľvek hviezda vo svojom zornom poli zmení v jasu faktorom 1 z 10 000, čo naznačuje, že planéta mohla prechádzať pred ňou. Aby Kepler ušetril šírku pásma, vlastne prenášal iba informácie o zmene jasu samotných hviezd.
V júli 2012 zlyhalo jedno zo štyroch reakčných kolies Keplera. Stále mal tri, čo bolo minimum, ktoré bolo potrebné na to, aby bol schopný dostatočne stabilný, aby pokračoval vo svojich pozorovaniach. A potom v máji 2013 NASA oznámila, že Kepler zlyhal s iným z jeho kolies. Takže to bolo na dve.
Tým sa zastavili hlavné vedecké operácie Keplera. Ak sú v prevádzke iba dve kolesá, nedokázala si udržať svoju polohu dostatočne presne na sledovanie jasu hviezd.
Aj keď misia mohla byť neúspechom, inžinieri prišli na dômyselnú stratégiu, pri ktorej ľahký tlak zo Slnka pôsobil ako sila v jednej osi. Dokonalým vyvážením kozmickej lode na slnečnom svetle dokázali pokračovať v používaní ďalších dvoch reakčných kolies na pokračovanie v pozorovaní.
Ale Kepler bol nútený pozerať sa na malé miesto na oblohe, ktoré sa stalo v súlade s jeho novou orientáciou, a presunul svoje vedecké poslanie na hľadanie planét obiehajúcich červené trpasličí hviezdy. Na prenos údajov použila svoju palubnú pohonnú látku, ktorá sa otočila späť na Zem. 30. júna 2018 sa Keplerovi minul palivo a NASA svoju misiu zabalila.
V rovnakom čase, keď Kepler zápasil so svojimi reakčnými kolesami, mala misia Dawn agentúry NASA problémy s presne rovnakými reakčnými kolesami.
Strata reakčných kolies Dawn
Spoločnosť Dawn bola spustená 27. septembra 2007 s cieľom preskúmať dva z najväčších asteroidov v slnečnej sústave: Vesta a Ceres. Kozmická loď odcestovala na obežnú dráhu okolo Vesty v júli 2011 a budúci rok strávila štúdiom a mapovaním sveta.
V auguste 2012 malo opustiť Vesta a vyraziť do Ceresu, ale kvôli problémom s reakčnými kolesami sa odchod oneskoril o viac ako mesiac. Od roku 2010 inžinieri odhaľovali čoraz viac trenia na jednom zo svojich kolies, takže kozmická loď prešla na tri funkčné kolesá.
A potom v roku 2012 začalo trenie aj druhé z jeho kolies a kozmickej lodi zostali iba dve zostávajúce kolesá. Nestačí na to, aby bol úplne orientovaný vo vesmíre iba pomocou elektriny. To znamenalo, že musela začať používať svoj hydrazínový pohon, aby si udržala svoju orientáciu počas zvyšku svojej misie.
Dawn sa dostal k Ceresovi a vďaka opatrnému použitiu paliva dokázal zmapovať tento svet a jeho bizarné povrchové prvky. Koncom roka 2018 bola kozmická loď mimo paliva a už nedokázala udržať svoju orientáciu, mapovať Ceresa ani vysielať svoje signály späť na Zem.
Kozmická loď bude naďalej obísť Ceres bezmocne.
Existuje dlhý zoznam misií, ktorých reakčné kolesá zlyhali. A teraz si vedci myslia, že vedia prečo. V roku 2017 bol vydaný dokument, ktorý určoval, že problém spôsobuje samotné prostredie vesmíru. Keď geomagnetické búrky prechádzajú kozmickou loďou, vytvárajú na reakčných kolesách náboje, ktoré spôsobujú zvýšenie trenia a rýchlejšie ich opotrebujú.
Odkážem na skvelé video od Scotta Manleyho, ktoré bude podrobnejšie.
Hubbleov vesmírny teleskop a jeho gyroskopy
Hubbleov vesmírny ďalekohľad je vybavený reakčnými kolesami, ktoré menia jeho celkovú orientáciu a otáčajú celý ďalekohľad rýchlosťou jednej minúty na hodiny - 90 stupňov za 15 minút.
Aby však zostal zameraný na jediný cieľ, používa inú technológiu: gyroskopy.
Na Hubblovom hrebeni je 6 gyroskopov, ktoré sa otáčajú rýchlosťou 19 200 otáčok za minútu. Sú veľké, masívne a otáčajú sa tak rýchlo, že ich zotrvačnosť odoláva akýmkoľvek zmenám v orientácii ďalekohľadu. Najlepšie funguje s tromi - zodpovedajúcimi trom rozmerom priestoru - ale môže pracovať s dvoma alebo dokonca jedným, s menej presnými výsledkami.
V auguste 2005 sa Hubbleove gyroskopy vyčerpali a NASA sa presunula do režimu dvoch gyroskopov. V roku 2009 navštívili astronauti NASA v rámci servisnej misie 4 vesmírny teleskop a nahradili všetkých šesť svojich gyroskopov.
Toto je pravdepodobne posledný čas, kedy budú astronauti niekedy navštíviť Hubbleov, a jeho budúcnosť závisí od toho, ako dlho tieto gyroskopy vydržia.
A čo James Webb?
Viem, že samotná zmienka o vesmírnom teleskope Jamesa Webba robí každého nervóznym. Doteraz investovalo viac ako 8 miliárd dolárov a ich splatnosť by sa mala začať o dva roky. Bude to lietať do bodu Lagrange Earth-Sun L2, ktorý sa nachádza asi 1,5 milióna kilometrov od Zeme.
Na rozdiel od Hubbleovho disku, neexistuje spôsob, ako vyletieť na web James James Webb a opraviť ho, ak sa niečo pokazí. A keď vidíme, ako často gyroskopy zlyhali, zdá sa, že to vyzerá ako nebezpečná slabina. Čo keď gyros Jamesa Webba zlyhá? Ako ich môžeme nahradiť.
James Webb má na palube reakčné kolesá. Postavili ich Rockwell Collins Deutschland a podobajú sa reakčným kolesám na palubách misií NASA Chandra, EOS Aqua a Aura - takže je to iná technológia ako zlyhané reakčné kolesá na Dawn a Kepler. Misia Aura mala strach v roku 2016, keď sa jedno z jej reakčných kolies roztočilo, ale po desiatich dňoch sa obnovilo.
James Webb nepoužíva mechanické gyroskopy, ako je Hubble, na udržanie cieľa. Namiesto toho používa inú technológiu nazývanú hemisférické rezonátorové gyroskopy alebo HRG.
Používajú kremeňovú pologuľu, ktorá bola tvarovaná veľmi presne, takže rezonuje veľmi predvídateľným spôsobom. Hemisféra je obklopená elektródami, ktoré poháňajú rezonanciu, ale tiež detekujú malé zmeny v jej orientácii.
Viem, že také zvuky, ako je blábol, akoby boli poháňané snami z jednorožca, to si však môžete vyskúšať sami.
Podržte poháre na víno a potom ich prstom posuňte tak, aby zazvonil. Vyzváňanie je pohárik vína, ktorý sa ohýba tam a späť pri svojej rezonančnej frekvencii. Keď otáčate sklo, ohýbajú sa tiež ohýbanie dozadu a dopredu, ale veľmi dobre predpovedateľným spôsobom zaostáva za orientáciou.
Keď sa tieto oscilácie dejú tisíckrát za sekundu v kremeňovom kryštáli, je možné odhaliť drobné pohyby a potom ich vysvetliť.
Takto zostane James Webb vo svojich cieľoch.
Táto technológia odletela na misiu Cassini v Saturn a fungovala dokonale. V skutočnosti od júna 2011 NASA oznámila, že tieto prístroje zažili 18 miliónov hodín nepretržitej prevádzky vo vesmíre na viac ako 125 rôznych kozmických lodiach bez jedinej poruchy. Je to skutočne veľmi spoľahlivé.
Dúfam, že to objasní veci. Kolesá s reakciou alebo hybnosťou sa používajú na preorientovanie kozmickej lode vo vesmíre, aby mohli smerovať rôznymi smermi bez použitia hnacej látky.
Gyroskopy sa používajú na to, aby udržali vesmírny ďalekohľad presne nasmerovaný na cieľ, aby poskytovali najlepšie vedecké údaje. Môžu to byť mechanické spriadacie kolesá alebo rezonancia vibračných kryštálov na detekciu zmien zotrvačnosti.
