Clever Geek Handbook

كيف تتكئ على الفراغ؟


"أعطني نقطة ارتكاز ، وسأقلب الأرض رأساً على عقب" - وفقاً للأسطورة ، قال أرخميدس ، موضحاً علميًا مبدأ بديهية للرافعة. لكن لا يوجد دعم في الفراغ الكوني. وتحتاج الأقمار الصناعية إلى الألواح الشمسية للنظر إلى الشمس ، والهوائيات على الأرض ، والكاميرا إلى الجزء المثير للاهتمام من المريخ ، ومحرك لتصحيح المدار إلى النقطة الدقيقة في الفضاء. عليك أن توصل إلى شيء تعتمد عليه في الفراغ.

محركات التوجيه


الخيار الأكثر وضوحًا هو تثبيت محركات صغيرة خاصة تتحكم في اتجاه الجهاز: محركات


توجيه الوحدة القمرية

يمكن جعل المحركات قوية لتحويل المركبات الثقيلة أو الدوران بشكل أسرع ، أو ضعيفة جدًا بحيث تدور بشكل دقيق للغاية. إنها خفيفة الوزن نسبيًا ولا تتطلب الكهرباء عندما لا تعمل. سيكون كل شيء على ما يرام ، ولكن من أجل التحول ، تحتاج إلى إنفاق الوقود ، وهناك دائمًا كمية محدودة منه. والمحركات نفسها لها قيود على عدد مرات البدء وإجمالي وقت التشغيل.
يمكن أيضًا استخدام محركات التوجيه للمناورات المدارية ، خاصةً إذا تم التخطيط لرسو السفن. يمكن للمحرك الرئيسي دفع الجهاز في اتجاه واحد فقط ، وبمساعدة محركات التوجيه ، من الممكن التحرك على طول جميع المحاور.

مزايا:
  • بساطة.
  • يوفر التوجيه على جميع المحاور الثلاثة.
  • كتلة صغيرة نسبيًا.
  • المرونة: يمكن عمل محركات قوية أو دقيقة للغاية.
  • يمكن استخدامها للمناورة في المدار.
  • يمكن أن تكون خارج لفترة طويلة.

سلبيات:
  • استهلاك الوقود.
  • تحديد عدد مرات البدء وإجمالي وقت التشغيل.
  • تلوث محيط الجهاز بالوقود المحترق (قد يكون ذا صلة بالتلسكوبات).

تُستخدم محركات التوجيه عادةً عندما يكون التغيير النشط أو النادر نسبيًا أو قصير الوقت مطلوبًا. لذلك ، فهي على جميع المركبات المأهولة ، وعادة ما تكون مفضلة للمحطات بين الكواكب ، التي تطير لشهور وسنوات في وضع السكون ، مع الحفاظ على الاتجاه المشيد.


محركات إرساء وتوجيه لمركبة الفضاء سويوز في MAKS-2005. أحمر - أغطية واقية يتم إزالتها قبل الطيران


تشغيل مركبة الفضاء سويوز أثناء الالتحام مع محطة الفضاء الدولية في التكاثر المتسارع

استقرار الدوران


منذ الطفولة ، نعلم جميعًا قدرة القمة على الحفاظ على وضع مستقيم. إذا قمت بتدوير المركبة الفضائية ، فستتصرف تمامًا ، مع الحفاظ على الاستقرار على طول محور الدوران.



إذا كان التثبيت على محور واحد يناسبنا ، فلن نقوم بتدوير الجهاز في اتجاهات مختلفة والتقاط صور طويلة التعرض ، يمكن أن تكون هذه الطريقة اقتصادية للغاية.

مزايا:
  • بساطة.
  • الربحية - نسترخي مرة واحدة ونديرها لعدة قرون.

سلبيات:
  • التثبيت على محور واحد فقط.
  • لا تقم بتدوير الجهاز.
  • قد يتداخل الدوران مع تشغيل المعدات.

تاريخياً ، يحظى الاستقرار بالتناوب بشعبية كبيرة بين الأمريكيين. تم تثبيت جميع مجسات برنامج بايونير بالتناوب. على الأجهزة الأولى ، تم ذلك بسبب انخفاض القدرة الاستيعابية للصواريخ - كان من المستحيل تثبيت ستة كيلوغرام Pioneer-4 بطرق أخرى باستخدام تقنيات 1959. يبدو الاستقرار من خلال دوران "الرواد" -10 و -11 بمثابة حل ممتاز - إذا كانت الحركة المدارية للأرض تتناسب مع نمط إشعاع الهوائي ، فإن المسبار "على اتصال" باستمرار ، دون إنفاق غرام واحد من الوقود عليه ولا يخشى من فشل نظام التوجيه. تم تثبيت اثنين من مجسات Pioneer-Venus عن طريق الدوران ، وربما يكون ذلك غير معتاد بالفعل - في أحدهما تم تدوير الهوائي ميكانيكيًا للتصويب على الأرض ، والتي لم تعد تبدو عقلانية للغاية.
بالإضافة إلى المحطات بين الكواكب ، استخدم الأمريكيون على نطاق واسع دوران المراحل العليا. في هذه الحالة ، لا تحتاج كتل تعزيز الوقود الصلب إلى نظام توجيه منفصل.


إطلاق قمر صناعي مع معزز PAM-D من مكوك الفضاء

بعد التسارع ، كان من الممكن ببساطة إبطاء الدوران باستخدام قانون الحفاظ على الزخم الزاوي ( مثال على انعدام الوزن ، ومثال على الأختام ) - تم تفريغ الأحمال الصغيرة على الكابلات وإبطاء دوران الجهاز .

حذافة (عجلة رد الفعل)


تمامًا مثل القط ، الذي يلف في الخريف ذيله في الاتجاه المعاكس لدوران الجسم ، يمكن للمركبة الفضائية التحكم في الاتجاه باستخدام الحذافة. على سبيل المثال ، إذا أردنا تدوير الجهاز في اتجاه عقارب الساعة:
  1. الحالة الأولية: الجهاز ثابت ، الحدافة ثابتة.
  2. نقوم بتدوير الحذافة عكس اتجاه عقارب الساعة ، ويبدأ الجهاز في الدوران في اتجاه عقارب الساعة.
  3. عندما تحول إلى الزاوية المطلوبة: نوقف دوران الحذافة ، يتوقف الجهاز.

إذا كانت الحذافة تدور بالفعل ، فعندئذ عن طريق تغيير سرعتها ، يمكننا إنشاء قوة تقوم بتدوير الجهاز. هنا في هذا الفيديو ، يمكنك أن تحدد من خلال درجة دوران الحذافة أن خفض سرعة الدوران (صوت أقل) يخلق قوة تحول المنصة في اتجاه عقارب الساعة ، وزيادة السرعة (صوت أعلى) ضد:



يسمح لك استخدام الحذافات بالدوران بدقة عالية وعدم إضاعة الوقود الثمين. ولكن ، مثل أي نظام تقني آخر ، فإن الحذافات لها عيوبها. بادئ ذي بدء ، يمكن للعجلة الواحدة أن تدور الجهاز على طول محور واحد فقط. للتحكم الكامل في اتجاه الجهاز ، تحتاج إلى ثلاثة حذافات. وبالنظر إلى الحاجة إلى التكرار ، ستة أو أكثر. أيضا ، سرعة الدوران تتناسب طرديا مع كتلة الحذافة وسرعة دورانها وتتناسب عكسيا مع كتلة الجهاز. بعبارات بسيطة ، كلما كانت كتلة الجهاز أكبر ، يجب أن تكون الحذافات أثقل. أيضا ، أي حذافة لديها سرعة دوران قصوى ويمكن أن تنفجر إذا تم تفكيكها أكثر. وإذا كانت القوة المزعجة تعمل على الجهاز في اتجاه واحد ، فإن الحذافة ستصل في النهاية إلى السرعة القصوى ،وستحتاج إلى تفريغها مع نظام آخر. وأخيرًا ، مثل أي ميكانيكي ، تتآكل الحذافة بمرور الوقت ويمكن أن تفشل.

مزايا:
  • لا يتطلب استهلاك الوقود.
  • يسمح لك بتوجيه الجهاز بدقة شديدة.

سلبيات:
  • غير مناسب للمناورة النشطة ، فإن الدوران بطيء نسبيًا.
  • مطلوب نظام توجيه آخر لتفريغ الحذافات.
  • بمرور الوقت ، يبلى ويفشل.
  • يحتاج كل محور إلى حذافة واحدة على الأقل.

الحذافات مفيدة جدًا إذا كان علينا غالبًا إعادة توجيه الجهاز دون تغيير مداره. لذلك ، تكون الحذافات على التلسكوبات المدارية. على سبيل المثال ، يحتوي هابل على أربعة حذافات ، مما يوفر تحكمًا فائضًا على محورين. ليس لدى هابل أي مهمة للتدوير حول محوره ، لذلك يتم استخدام الحذافات لتدوير التلسكوب "لأعلى / لأسفل" و "لليسار / لليمين".


أحد حذافات تلسكوب هابل

Gyrodin (جيروسكوب لحظة التحكم)


يمكن استخدام خاصية الجزء العلوي للحفاظ على الوضع الرأسي بطريقة أخرى - يمكنك الاعتماد عليه:



إذا وضعت مثل هذه القمة في نظام التعليق ، فيمكنك عندئذٍ "الاعتماد" عليها ، في الاتجاه الصحيح. تسمى هذه التصاميم جيروسكوبات القوة أو الديناميكا الهوائية. الفرق الرئيسي بين الجيرودين والحدافة هو أن الحذافة مركبة بشكل صارم على محور واحد وتتحكم في الاتجاه من خلال تغيير سرعة دورانها. يتم تثبيت Gyrodin في تعليق ، والذي يمكن أن يدور في طائرة واحدة أو عدة طائرات ، وقد لا يغير سرعة دورانه. في هذا الفيديو ، تكون حركة التعليق مرئية بوضوح ، على الرغم من حقيقة أن درجة gyrodin لا تتغير.



من حيث الوظائف ، يعتبر الجيرودين حذافة "متقدمة". تعتبر الجيرودينات أكثر فعالية من الحذافات التقليدية ، ولكنها أيضًا أكثر صعوبة. يمكنهم التحكم في اتجاه الأجهزة الأثقل بكثير ، ولكنهم يتشاركون في مزايا وعيوب الحذافات. يوضح هذا الفيديو أن التلفيات ، مثل الحذافات ، تحتاج إلى التفريغ - عندما لا يعود محور التعليق يدور ، تبدأ الدراجة في السقوط:



مزايا:
  • نفس الحذافة.
  • أكثر فعالية من الحذافة - يمكن للجرودان من نفس الكتلة التحكم في اتجاه جهاز أثقل بكثير.

سلبيات:
  • نفس الحذافة.
  • أصعب من الحذافة.

تستخدم Gyrodins ، بسبب فعاليتها ، في المحطات المدارية. على سبيل المثال ، في محطة الفضاء الدولية ، هناك أربعة جرودات يزن كل منها 300 كجم.


ISS استبدال الجيرودين

نظام التوجيه الكهرومغناطيسي


الحقل المغناطيسي للأرض قادر على تدوير إبرة البوصلة ، مما يعني أنه يمكن استخدام هذه القوة للتحكم في اتجاه المركبة الفضائية. إذا وضعت مغناطيسًا دائمًا على القمر الصناعي ، فستكون القوة المؤثرة غير قابلة للسيطرة. وإذا وضعت ملفات لولبية ، فعند تطبيق التيار عليها ، يمكنك إنشاء لحظة التحكم المطلوبة:



تسمح لك ثلاثة ملفات لولبية مثبتة في مستويات متعامدة بالتحكم في اتجاه القمر الصناعي على طول المحاور الثلاثة. بتعبير أدق ، فهي توفر تحكمًا جيدًا على محورين ، محاولين تثبيت الجهاز كإبرة بوصلة. يتم توفير التحكم على طول المحور الثالث عن طريق تغيير اتجاه المجال المغناطيسي للأرض عندما تحلق السيارة في المدار.



قد لا يكون الاتجاه الكهرومغناطيسي دقيقًا بسبب التقلبات العشوائية في المجال المغناطيسي للأرض ، وتقل فعاليته مع الارتفاع. وبشكل عام ، فإن القوى التي أنشأتها الملفات اللولبية صغيرة. أيضًا ، يقتصر استخدامها على الأجرام السماوية ذات المجال المغناطيسي القوي بما فيه الكفاية ، على سبيل المثال ، في مدار المريخ ، فهي غير مجدية عمليًا. لكن الملفات اللولبية لا تحتوي على أجزاء متحركة ، ولا تنفق الوقود وهي موفرة للطاقة.

مزايا:
  • بساطة.
  • لا تحتاج إلى وقود.
  • وزن خفيف.
  • لا تحتوي على أجزاء متحركة ولا تبلى عمليًا.

سلبيات:
  • قوى تحكم صغيرة.
  • دقة منخفضة.
  • مطلوب مجال مغناطيسي للجسم السماوي ، الذي يدور حوله الجهاز.
  • تعتمد الكفاءة على الارتفاع.

يستخدم الاتجاه الكهرومغناطيسي باعتباره الاتجاه الرئيسي على الكوبسات والأجهزة الصغيرة الأخرى. وغالبًا ما يتم استخدامه لتفريغ الحذافات أو الجيرودينات. على سبيل المثال ، يستخدم تلسكوب هابل الحذافات كنظام توجيه رئيسي ، ويفرغها بنظام كهرومغناطيسي.


مثال على الملف اللولبي للمركبات الفضائية. يدعي موقع الشركة المصنعة أن أكثر من 80 ملف لولبي مثبتة بالفعل على أقمار صناعية مختلفة.

استقرار الجاذبية


يتناسب جاذبية جسدين بشكل عكسي مع مربع المسافة بينهما. لذلك ، إذا قدم قمرنا الصناعي قطبًا طويلًا بحمل ، فإن "الدمبل" الناتج يميل إلى شغل وضع رأسي عندما ينجذب الجزء السفلي منه إلى الأرض أكثر بقليل من الجزء العلوي. هنا محاكاة للكمبيوتر عام 1963 (!) تظهر هذا التأثير:



في الجزء الأول من الفيديو ، يكون القمر الصناعي في وضع ثابت على طول محور الأرض. في الواقع ، فإن الاضطرابات العشوائية سوف تخل بالتوازن المثالي ، وسوف يتأرجح القمر الصناعي حول محوره ، لذلك عادة ما يتم استكمال هذه الأنظمة بمخمد. وعاء صغير مع سائل سيحول الطاقة الاهتزازية إلى حرارة و "يهدئ" القمر الصناعي.

مزايا:
  • نظام بسيط للغاية.
  • تم بناء التوجيه بشكل سلبي ، بدون نظام تحكم.

سلبيات:
  • يتم بناء التوجيه ببطء بسبب ضعف القوى المؤثرة على الجسم.
  • دقة منخفضة.
  • نوع واحد فقط من الاتجاه - المحور نحو مركز الأرض.
  • يسقط التأثير مع الارتفاع.
  • يمكن للقمر الصناعي أن ينقلب رأسا على عقب بالنسبة للاتجاه المطلوب.

يستخدم نظام توجيه الجاذبية بشكل أساسي على الأجهزة الصغيرة التي لا تتطلب استقرارًا دقيقًا. وهو مناسب تمامًا لبعض أنواع الكوبسات ؛ أيضًا ، على سبيل المثال ، تم تجهيز القمر الصناعي Yubileiny به:



استقرار الديناميكا الهوائية


كما يمكن ملاحظة آثار الغلاف الجوي للأرض فوق مائة كيلومتر ، وتعني السرعة العالية للأقمار الصناعية أنها ستكون أكثر تثبيطًا. عادة ما تكون هذه القوة عقبة كبيرة ، لأن الأقمار الصناعية تبطئ بسرعة كبيرة ، وتنخفض إلى الأسفل وتحترق في طبقات كثيفة من الغلاف الجوي. ولكن ، مع ذلك ، إنها قوة تعمل دائمًا ضد ناقل السرعة المدارية ، ويمكن استخدامها. أجريت التجارب الأولى في الستينيات. هنا ، على سبيل المثال ، Cosmos-149 المحلي ، الذي تم إطلاقه في عام 1967:



المدار المنخفض ، حيث تكون القوى الديناميكية الهوائية القصوى ، مكانًا غير مضياف. ولكن في بعض الأحيان يكون من الضروري أن تكون هناك لمزيد من الدقة للقياسات. تم استخدام حل جميل للغاية في القمر الصناعي GOCEالذي درس مجال الجاذبية الأرضية. جعل المدار المنخفض (~ 260 كم) نظام التثبيت الديناميكي الهوائي فعالًا ، ولمنع احتراق القمر الصناعي بسرعة كبيرة ، تم تسريعه باستمرار بمحرك أيون صغير. الجهاز الناتج لا يشبه إلى حد كبير الأقمار الصناعية المعتادة ، حتى أن شخصًا أطلق عليها "القمر الصناعي فيراري":



بفضل محرك الأيونات ، تمكنت GOCE من العمل من عام 2009 إلى عام 2013 ، مما جعل خريطة الجاذبية الأكثر تفصيلاً للأرض.

مزايا:
  • الطاقة الديناميكية الهوائية مجانية ولا تتطلب نظام تحكم خاص.


سلبيات:
  • يجب القيام بشيء ما حتى لا يحترق القمر الصناعي بسرعة في الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي.
  • تعتمد القوة على الارتفاع.
  • ممكن توجيه محور واحد فقط.


الشراع الشمسي


لبناء الاتجاه ، لا يزال بإمكانك استخدام ضغط ضوء الشمس . عادةً ما يُنظر إلى الشراع الشمسي كوسيلة للحركة ، لكن الشمس ستعمل أيضًا على قمر صناعي ذي شكل معقد بهوائيات وألواح شمسية. يمكن اعتبار هذا عائقًا لأنظمة التوجيه الأخرى ، أو ، إذا قام المطورون بحساب لحظات القوة مقدمًا ، يمكن استخدامها للمساعدة في بناء اتجاه القمر الصناعي. بالفعل في عام 1973 ، استخدم مسبار مارينر -10 ، الذي ذهب إلى فينوس وميركوري ، الضغط الشمسي لبناء اتجاه الجهاز. يلهم الإبداع في مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء- عندما فشل اثنان من الحذافات الأربعة على تلسكوب كيبلر ، طور المختبر طريقة لبناء الاتجاه باستخدام الحذافات المتبقية والضغط الشمسي بحيث قام التلسكوب بفحص أربعة أقسام من الفضاء بالتسلسل سنويًا:



مشروع Regatta-Plasma الروسي ، الذي تم تطويره في 90 س سنوات. بمساعدة شراع مثبت للطاقة الشمسية ولفائف دوارة ، احتل الجهاز موقعًا في اتجاه الشمس ، وإذا لزم الأمر ، يمكن أن يكون ملتويًا:



حتى الآن ، سيكون مثل هذا النظام فريدًا ومثيرًا للاهتمام للغاية ، من المؤسف أن يتم إغلاق المشروع.

مزايا:
  • ضغط شمسي خالٍ تمامًا.

سلبيات:
  • لا يمكنك بناء اتجاه عشوائي على ثلاثة محاور.
  • لا يعمل في الظل ، وهو أمر مهم ، على سبيل المثال ، لمدار أرضي منخفض.


استنتاج


للقوى التي تعتمد على ارتفاع الرحلة ، هناك رسم بياني تقريبي:



فيديو آخر مع الأختام و gyrodynes الحقيقي لناسا.
فيديو أكثر تعقيدًا حول نفس الموضوع هو "تصميم نظام توجيه واستقرار" من مجتمع "قطاع الفضاء الخاص بك".

من خلال وسم "الصعوبات غير المرئية" ، فإن المنشورات حول المحركات والوقود والدبابات وهياكل الانطلاق وما شابهها مثيرة للاهتمام ، ولكنها ليست ملحوظة للغاية بسبب معرفتها.

More articles:


All Articles