Είναι εκπληκτικό να πιστεύουμε ότι υπάρχουν τηλεσκόπια πάνω στο διάστημα, κατευθύνοντας το βλέμμα τους σε μακρινά αντικείμενα για ώρες, ημέρες και ακόμη και εβδομάδες. Παρέχοντας μια άποψη τόσο σταθερή και ακριβή που μπορούμε να μάθουμε λεπτομέρειες για τους γαλαξίες, τους εξωπλανήτες και άλλα.
Και μετά, όταν τελειώσει ο χρόνος, το διαστημικό σκάφος μπορεί να αλλάξει το βλέμμα του σε άλλη κατεύθυνση. Όλα χωρίς τη χρήση καυσίμου.
Όλα χάρη στην τεχνολογία των τροχών αντίδρασης και των γυροσκοπίων. Ας μιλήσουμε για το πώς λειτουργούν, πώς είναι διαφορετικά και πώς η αποτυχία τους έληξε στο παρελθόν αποστολές.
Αυτή είναι η γρήγορη απάντηση. Οι τροχοί αντίδρασης επιτρέπουν στο διαστημικό σκάφος να αλλάξει τον προσανατολισμό του στο διάστημα, ενώ τα γυροσκόπια διατηρούν ένα τηλεσκόπιο απίστευτα σταθερό, ώστε να μπορούν να δείχνουν προς έναν στόχο με υψηλή ακρίβεια.
Εάν έχετε ακούσει αρκετά επεισόδια του Astronomy Cast, γνωρίζετε ότι πάντα παραπονιέμαι για τους τροχούς αντίδρασης. Φαίνεται πάντα να είναι το σημείο αποτυχίας στις αποστολές, να τις τελειώνουν πρόωρα πριν από την ολοκλήρωση της επιστήμης.
Έχω χρησιμοποιήσει πιθανώς τους όρους τροχούς αντίδρασης και γυροσκόπια εναλλακτικά στο παρελθόν, αλλά εξυπηρετούν ελαφρώς διαφορετικούς σκοπούς.
Πρώτον, ας μιλήσουμε για τους τροχούς αντίδρασης. Πρόκειται για έναν τύπο σφονδύλου που χρησιμοποιείται για να αλλάξει τον προσανατολισμό ενός διαστημικού σκάφους. Σκεφτείτε ένα διαστημικό τηλεσκόπιο που πρέπει να αλλάξει από στόχο σε στόχο, ή ένα διαστημικό σκάφος που πρέπει να γυρίσει πίσω στη Γη για να επικοινωνήσει δεδομένα.
Είναι επίσης γνωστοί ως τροχοί ορμής.
Δεν υπάρχει αντίσταση στον αέρα στο διάστημα. Όταν ένας τροχός περιστρέφεται προς μία κατεύθυνση, ολόκληρο το τηλεσκόπιο στρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση, χάρη στον Τρίτο Νόμο του Νεύτωνα - γνωρίζετε, για κάθε ενέργεια, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Με τους τροχούς να περιστρέφονται και στις τρεις κατευθύνσεις, μπορείτε να γυρίσετε το τηλεσκόπιο προς οποιαδήποτε κατεύθυνση θέλετε.
Οι τροχοί είναι σταθεροί στη θέση τους και περιστρέφονται μεταξύ 1.000 και 4.000 στροφών ανά λεπτό, δημιουργώντας γωνιακή ορμή στο διαστημικό σκάφος. Προκειμένου να αλλάξουν τον προσανατολισμό του διαστημικού σκάφους, αλλάζουν τον ρυθμό περιστροφής των τροχών.
Αυτό δημιουργεί μια ροπή που αναγκάζει το διαστημικό σκάφος να αλλάξει τον προσανατολισμό του, ή να προκαλέσει, σε μια επιλεγμένη κατεύθυνση.
Αυτή η τεχνολογία λειτουργεί μόνο με ηλεκτρικό ρεύμα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσετε προωθητικό για να αλλάξετε τον προσανατολισμό του τηλεσκοπίου. Εφόσον έχετε αρκετούς στροφείς περιστρεφόμενους, μπορείτε να συνεχίσετε να αλλάζετε την κατεύθυνση σας, χρησιμοποιώντας μόνο τη δύναμη από τον Ήλιο.
Οι τροχοί αντίδρασης χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε διαστημικό σκάφος εκεί έξω, από μικροσκοπικά Cubesats έως το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble.
Με τρεις τροχούς, μπορείτε να αλλάξετε τον προσανατολισμό σας σε οποιοδήποτε σημείο σε 3 διαστάσεις. Αλλά το LightSail 2 της Planetary Society έχει μόνο έναν τροχό ορμής για να μετατοπίσει τον προσανατολισμό του ηλιακού της πανιού, από άκρη προς τον Ήλιο και έπειτα πλατύ για να ανεβάσει την τροχιά του μόνο από το φως του ήλιου.
Φυσικά, είμαστε πιο εξοικειωμένοι με τους τροχούς αντίδρασης λόγω των περιπτώσεων που έχουν αποτύχει, παίρνοντας το διαστημικό σκάφος εκτός λειτουργίας. Αποστολές όπως το FUSE και το Hayabusa της JAXA.
Οι απώλειες τροχών του Kepler και η έξυπνη λύση
Το πιο γνωστό, το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler της NASA, ξεκίνησε στις 9 Μαρτίου 2009 για να βρει πλανήτες σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια. Ο Κέπλερ ήταν εξοπλισμένος με 4 τροχούς αντίδρασης. Τρία ήταν απαραίτητα για να κρατήσει το τηλεσκόπιο στραμμένο προσεκτικά σε μια περιοχή του ουρανού, και στη συνέχεια ένα εφεδρικό.
Παρακολουθούσε ότι οποιοδήποτε αστέρι στο οπτικό του πεδίο μεταβάλλεται στη φωτεινότητα κατά 1 στα 10.000, δείχνοντας ότι ένας πλανήτης θα μπορούσε να περνά μπροστά. Για να εξοικονομήσει εύρος ζώνης, ο Κέπλερ έστειλε πληροφορίες μόνο για την αλλαγή της φωτεινότητας των ίδιων των αστεριών.
Τον Ιούλιο του 2012, ένας από τους τέσσερις τροχούς αντίδρασης του Kepler απέτυχε. Είχε ακόμη τρία, που ήταν το ελάχιστο που χρειάστηκε για να είναι αρκετά σταθερό για να συνεχίσει τις παρατηρήσεις του. Και τον Μάιο του 2013, η NASA ανακοίνωσε ότι ο Κέπλερ είχε μια αποτυχία με έναν άλλο τροχό του. Έτσι ήταν στα δύο.
Αυτό σταμάτησε τις κύριες επιστημονικές επιχειρήσεις του Κέπλερ. Με μόνο δύο τροχούς σε λειτουργία, δεν μπορούσε πλέον να διατηρήσει τη θέση του αρκετά ακριβή για να παρακολουθεί τη φωτεινότητα των αστεριών ..
Αν και η αποστολή θα μπορούσε να ήταν μια αποτυχία, οι μηχανικοί βρήκαν μια έξυπνη στρατηγική, χρησιμοποιώντας την ελαφριά πίεση από τον Ήλιο για να ενεργήσει ως δύναμη σε έναν άξονα. Ισορροπώντας τέλεια το διαστημικό σκάφος στο φως του ήλιου, μπόρεσαν να συνεχίσουν να χρησιμοποιούν τους άλλους δύο τροχούς αντίδρασης για να συνεχίσουν να κάνουν παρατηρήσεις.
Αλλά ο Κέπλερ αναγκάστηκε να κοιτάξει το μικροσκοπικό σημείο στον ουρανό που έτυχε να ευθυγραμμιστεί με τον νέο προσανατολισμό του, και μετέτρεψε την επιστημονική του αποστολή να αναζητήσει πλανήτες σε τροχιά γύρω από κόκκινα νάνα. Χρησιμοποίησε το ενσωματωμένο προωθητικό του γυρίζοντας πίσω στη Γη για τη μετάδοση δεδομένων. Ο Κέπλερ έληξε τελικά από καύσιμα στις 30 Οκτωβρίου 2018 και η NASA ολοκλήρωσε την αποστολή της.
Την ίδια στιγμή που ο Κέπλερ αγωνιζόταν με τους τροχούς αντίδρασης, η αποστολή της NASA αντιμετώπισε προβλήματα με τους ίδιους τροχούς αντίδρασης.
Τροχοί απώλειας αντίδρασης της Dawn
Το Dawn κυκλοφόρησε στις 27 Σεπτεμβρίου 2007 με στόχο την εξερεύνηση των δύο από τους μεγαλύτερους αστεροειδείς στο Ηλιακό Σύστημα: Vesta και Ceres. Το διαστημικό σκάφος πήγε σε τροχιά γύρω από το Vesta τον Ιούλιο του 2011 και πέρασε τον επόμενο χρόνο μελετώντας και χαρτοποιώντας τον κόσμο.
Έπρεπε να φύγει από τη Vesta και να κατευθυνθεί προς Ceres τον Αύγουστο του 2012, αλλά η αναχώρηση καθυστέρησε περισσότερο από ένα μήνα λόγω προβλημάτων με τους τροχούς της αντίδρασης. Από το 2010, οι μηχανικοί ανιχνεύουν όλο και περισσότερη τριβή σε έναν από τους τροχούς του, έτσι το διαστημικό σκάφος άλλαξε στους τρεις τροχούς που λειτουργούσαν.
Και μετά το 2012, το δεύτερο από τους τροχούς του άρχισε επίσης να τριβή, και το διαστημικό σκάφος έμεινε με μόνο δύο τροχούς που απομένουν. Δεν αρκεί για να διατηρείται πλήρως προσανατολισμένος στο διάστημα χρησιμοποιώντας μόνο ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό σήμαινε ότι έπρεπε να αρχίσει να χρησιμοποιεί το προωθητικό της υδραζίνης για να διατηρήσει τον προσανατολισμό του καθ 'όλη τη διάρκεια της αποστολής του.
Η Dawn έφτασε στον Ceres και με προσεκτική χρήση του προωθητικού μπόρεσε να χαρτογραφήσει αυτόν τον κόσμο και τα περίεργα χαρακτηριστικά της επιφάνειας. Τέλος, στα τέλη του 2018, το διαστημικό σκάφος ήταν εκτός προωθητικού και δεν ήταν πλέον σε θέση να διατηρήσει τον προσανατολισμό του, να χαρτογραφήσει τον Ceres ή να στείλει τα σήματά του πίσω στη Γη.
Το διαστημικό σκάφος θα συνεχίσει να βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον Ceres, πέφτοντας αβοήθητα.
Υπάρχει μια μεγάλη λίστα αποστολών των οποίων οι τροχοί αντίδρασης έχουν αποτύχει. Και τώρα οι επιστήμονες πιστεύουν ότι ξέρουν γιατί. Υπήρξε ένα έγγραφο που κυκλοφόρησε το 2017, το οποίο διαπίστωσε ότι το ίδιο το περιβάλλον του χώρου προκαλεί το πρόβλημα. Καθώς οι γεωμαγνητικές καταιγίδες περνούν το διαστημικό σκάφος, δημιουργούν φορτία στους τροχούς αντίδρασης που προκαλούν αύξηση της τριβής και τους κάνουν να φθαρούν γρηγορότερα.
Θα βάλω έναν σύνδεσμο για ένα υπέροχο βίντεο από τον Scott Manley, ο οποίος αναλύει περισσότερες λεπτομέρειες.
Διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και τα γυροσκόπια του
Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble είναι εξοπλισμένο με τροχούς αντίδρασης για να αλλάξει τον συνολικό προσανατολισμό του, περιστρέφοντας ολόκληρο το τηλεσκόπιο για την ταχύτητα ενός λεπτού χεριού σε ένα ρολόι - 90 μοίρες σε 15 λεπτά.
Αλλά για να παραμείνει στραμμένο σε έναν μόνο στόχο, χρησιμοποιεί μια άλλη τεχνολογία: γυροσκόπια.
Υπάρχουν 6 γυροσκόπια στο Χαμπλ που περιστρέφονται σε 19.200 περιστροφές ανά λεπτό. Είναι μεγάλα, τεράστια και περιστρέφονται τόσο γρήγορα που η αδράνεια τους αντιστέκεται σε τυχόν αλλαγές στον προσανατολισμό του τηλεσκοπίου. Λειτουργεί καλύτερα με τρεις - που ταιριάζουν με τις τρεις διαστάσεις του χώρου - αλλά μπορεί να λειτουργήσει με δύο, ή ακόμα και μία, με λιγότερο ακριβή αποτελέσματα.
Τον Αύγουστο του 2005, τα γυροσκόπια του Χαμπλ έφθασαν και η NASA μετατράπηκε σε λειτουργία δύο γυροσκοπίων. Το 2009, κατά τη διάρκεια της υπηρεσίας αποστολής 4, οι αστροναύτες της NASA επισκέφθηκαν το διαστημικό τηλεσκόπιο και αντικατέστησαν και τα έξι γυροσκόπια του.
Είναι πιθανότατα η τελευταία φορά που οι αστροναύτες θα επισκεφθούν ποτέ το Χαμπλ και το μέλλον του εξαρτάται από το πόσο διαρκούν αυτά τα γυροσκόπια.
Τι γίνεται με τον James Webb;
Ξέρω ότι η απλή αναφορά του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb κάνει όλους νευρικούς. Έχουν επενδύσει περισσότερα από 8 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι στιγμής και πρόκειται να κυκλοφορήσουν σε περίπου δύο χρόνια από τώρα. Θα πετάξει στο σημείο Earth-Sun L2 Lagrange, που βρίσκεται περίπου 1,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά από τη Γη.
Σε αντίθεση με το Hubble, δεν υπάρχει τρόπος να πετάξετε το James Webb για να το επιδιορθώσετε εάν κάτι πάει στραβά. Και βλέποντας πόσο συχνά τα γυροσκόπια έχουν αποτύχει, αυτό φαίνεται σαν ένα επικίνδυνο αδύνατο σημείο. Τι γίνεται αν τα γυροσκόπια του James Webb αποτύχουν; Πώς μπορούμε να τα αντικαταστήσουμε.
Ο James Webb διαθέτει τροχούς αντίδρασης. Κατασκευάστηκαν από τη Rockwell Collins Deutschland και μοιάζουν με τους τροχούς αντιδράσεων στις αποστολές Chandra, EOS Aqua και Aura της NASA - έτσι μια διαφορετική τεχνολογία από τους τροχούς της αποτυχημένης αντίδρασης στο Dawn και το Kepler. Η αποστολή Aura έδωσε ένα φόβο το 2016, όταν ένας από τους τροχούς αντίδρασης στράφηκε, αλλά ανακτήθηκε μετά από δέκα ημέρες.
Ο James Webb δεν χρησιμοποιεί μηχανικά γυροσκόπια όπως το Hubble για να το κρατήσει στο στόχο. Αντ 'αυτού, χρησιμοποιεί μια διαφορετική τεχνολογία που ονομάζεται ημισφαιρικός συντονιστής γυροσκόπια ή HRG.
Αυτά χρησιμοποιούν ένα ημισφαίριο χαλαζία που έχει διαμορφωθεί με ακρίβεια έτσι ώστε να αντηχεί με πολύ προβλέψιμο τρόπο. Το ημισφαίριο περιβάλλεται από ηλεκτρόδια που οδηγούν τον συντονισμό, αλλά επίσης ανιχνεύει τυχόν μικρές αλλαγές στον προσανατολισμό του.
Ξέρω ότι τέτοιοι ήχοι μοιάζουν με ασυναρτησίες, όπως τροφοδοτούνται από όνειρα μονόκερου, αλλά μπορείτε να το ζήσετε μόνοι σας.
Κρατήστε ένα ποτήρι κρασιού και στη συνέχεια κτυπήστε το με το δάχτυλό σας έτσι ώστε να χτυπάει. Το κουδούνισμα είναι το ποτήρι κρασιού που κάμπτεται εμπρός και πίσω στη συχνότητα συντονισμού του. Καθώς περιστρέφετε το γυαλί, η κάμψη περιστρέφεται και πίσω, αλλά υστερεί πίσω από τον προσανατολισμό με πολύ προβλέψιμο τρόπο.
Όταν αυτές οι ταλαντώσεις συμβαίνουν χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο σε κρύσταλλο χαλαζία, είναι δυνατό να ανιχνευθούν μικροσκοπικές κινήσεις και στη συνέχεια να ληφθούν υπόψη.
Έτσι ο James Webb θα παραμείνει κλειδωμένος στους στόχους του.
Αυτή η τεχνολογία έχει πετάξει στην αποστολή Cassini στο Κρόνο και λειτούργησε τέλεια. Στην πραγματικότητα, από τον Ιούνιο του 2011, η NASA είχε αναφέρει ότι αυτά τα όργανα είχαν βιώσει 18 εκατομμύρια ώρες συνεχούς λειτουργίας στο διάστημα σε περισσότερα από 125 διαφορετικά διαστημικά σκάφη χωρίς καμία αποτυχία. Είναι πραγματικά πολύ αξιόπιστο.
Ελπίζω να ξεκαθαρίσει τα πράγματα. Οι τροχοί αντίδρασης ή ορμής χρησιμοποιούνται για τον επαναπροσανατολισμό του διαστημικού σκάφους στο διάστημα, έτσι ώστε να μπορούν να βλέπουν προς διαφορετικές κατευθύνσεις χωρίς να χρησιμοποιούν προωθητικό.
Τα γυροσκόπια χρησιμοποιούνται για τη διατήρηση ενός διαστημικού τηλεσκοπίου με ακρίβεια προς τον στόχο, για την παροχή των καλύτερων επιστημονικών δεδομένων. Μπορούν να είναι μηχανικοί περιστρεφόμενοι τροχοί ή χρησιμοποιούν τον συντονισμό των δονούμενων κρυστάλλων για να ανιχνεύουν αλλαγές στην αδράνεια.
