Clever Geek Handbook

Bagaimana bersandar pada kekosongan?


"Beri aku tumpangan, dan aku akan membalikkan bumi" - jadi, menurut legenda, Archimedes berkata, secara ilmiah menjelaskan prinsip intuitif tuas. Tetapi tidak ada dukungan dalam kekosongan kosmik. Dan satelit membutuhkan panel surya untuk melihat Matahari, antena ke Bumi, kamera ke bagian yang menarik dari Mars, dan mesin untuk mengoreksi orbit ke titik tepat di ruang angkasa. Anda harus datang dengan sesuatu untuk bersandar pada kekosongan.

Motor orientasi


Opsi yang paling jelas adalah menempatkan mesin kecil khusus yang akan mengontrol orientasi perangkat: Mesin


orientasi modul Lunar

Engine dapat dibuat bertenaga untuk memutar kendaraan berat atau berputar lebih cepat, atau sangat lemah untuk berbelok dengan sangat akurat. Mereka relatif ringan dan tidak memerlukan listrik saat mereka tidak bekerja. Semuanya akan baik-baik saja, tetapi untuk berbalik, Anda harus menghabiskan bahan bakar, dan selalu ada jumlah yang terbatas. Dan engine sendiri memiliki batasan pada jumlah start dan total waktu operasi.
Mesin orientasi juga dapat digunakan untuk manuver orbital, terutama jika docking direncanakan. Mesin utama dapat mendorong perangkat hanya dalam satu arah, dan dengan bantuan mesin orientasi dimungkinkan untuk bergerak sepanjang semua sumbu.

Keuntungan:
  • Kesederhanaan.
  • Memberikan orientasi pada ketiga sumbu.
  • Massa yang relatif kecil.
  • Fleksibilitas: mesin yang kuat atau sangat presisi dapat dibuat.
  • Dapat digunakan untuk bermanuver di orbit.
  • Mereka bisa pergi untuk waktu yang lama.

Kekurangan:
  • Konsumsi bahan bakar.
  • Batasi jumlah mulai dan total waktu operasi.
  • Kontaminasi sekitar peralatan dengan bahan bakar yang terbakar (mungkin relevan untuk teleskop).

Mesin orientasi biasanya digunakan di mana perubahan orientasi waktu aktif, relatif jarang atau pendek diperlukan. Oleh karena itu, mereka menggunakan semua kendaraan berawak, dan biasanya lebih disukai untuk stasiun antarplanet, yang terbang selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun dalam mode tidur, sambil mempertahankan orientasi yang dibangun.


Mesin penambat dan orientasi untuk pesawat ruang angkasa Soyuz di MAKS-2005. Tutup pelindung merah yang dilepaskan sebelum penerbangan


Pengoperasian pesawat ruang angkasa Soyuz selama docking dengan ISS dalam reproduksi dipercepat

Stabilisasi rotasi


Sejak kecil, kita semua tahu kemampuan top untuk mempertahankan posisi tegak. Jika Anda memutar pesawat ruang angkasa, itu akan berperilaku sama persis, sambil mempertahankan stabilisasi di sepanjang sumbu rotasi.



Jika stabilisasi pada satu sumbu cocok untuk kita, kita tidak akan memutar perangkat ke arah yang berbeda dan mengambil foto pencahayaan lama, metode ini bisa sangat ekonomis.

Keuntungan:
  • Kesederhanaan.
  • Profitabilitas - kami bersantai sekali dan berputar selama berabad-abad.

Kekurangan:
  • Stabilisasi hanya pada satu sumbu.
  • Jangan putar perangkat.
  • Rotasi dapat mengganggu operasi peralatan.

Secara historis, stabilisasi demi rotasi sangat populer di kalangan orang Amerika. Semua probe program Pioneer distabilkan oleh rotasi. Pada perangkat pertama, ini dilakukan karena daya dukung rendah rudal - tidak mungkin untuk menstabilkan Pioneer-4 enam kilogram dengan cara lain menggunakan teknologi tahun 1959. Stabilisasi melalui rotasi "Perintis" -10 dan -11 tampak seperti solusi yang sangat baik - jika gerakan orbital Bumi cocok dengan pola radiasi antena, probe terus-menerus "berhubungan", tanpa menghabiskan satu gram bahan bakar di atasnya dan tidak takut kegagalan sistem orientasi. Dua probe Pioneer-Venus distabilkan oleh rotasi, mungkin sudah karena kebiasaan - salah satunya antena diputar secara mekanis untuk mengarah ke Bumi, yang tidak terlihat sangat rasional lagi.
Selain stasiun antarplanet, Amerika banyak menggunakan putaran tahap atas. Dalam hal ini, blok penguat bahan bakar padat tidak memerlukan sistem orientasi terpisah.


Meluncurkan satelit dengan penguat PAM-D dari Space Shuttle

Setelah akselerasi, adalah mungkin untuk hanya memperlambat rotasi menggunakan hukum kekekalan momentum sudut ( contoh dalam bobot , contoh pada segel ) - beban kecil dilepas pada kabel dan memperlambat rotasi perangkat .

Roda Gila (Roda Reaksi)


Sama seperti seekor kucing, yang pada musim gugur memelintir ekornya ke arah yang berlawanan dengan pergantian tubuh, pesawat ruang angkasa dapat mengontrol orientasi menggunakan roda gila. Misalnya, jika kita ingin memutar perangkat searah jarum jam:
  1. Status awal: aparatus diam, roda gila stasioner.
  2. Kami memutar roda gila berlawanan arah jarum jam, perangkat mulai berputar searah jarum jam.
  3. Ketika berbelok ke sudut yang diinginkan: kami menghentikan rotasi roda gila, perangkat berhenti.

Jika roda gila sudah berputar, maka dengan mengubah kecepatannya, kita dapat membuat gaya yang memutar perangkat. Di sini, di video ini, Anda dapat menentukan dengan nada putaran roda gila yang menurunkan kecepatan rotasi (suara rendah) menciptakan kekuatan yang mengubah platform searah jarum jam, peningkatan kecepatan (suara lebih tinggi) bertentangan:



Menggunakan flywheels memungkinkan Anda berbelok dengan akurasi tinggi dan tidak membuang bahan bakar yang berharga. Tetapi, seperti sistem teknis lainnya, flywheels memiliki kekurangan. Pertama-tama, satu roda gila dapat memutar perangkat hanya dengan satu sumbu. Untuk sepenuhnya mengontrol orientasi perangkat, Anda memerlukan tiga flywheels. Dan mengingat kebutuhan akan redundansi, enam atau lebih. Juga, kecepatan putaran berbanding lurus dengan massa roda gila dan kecepatan putarannya dan berbanding terbalik dengan massa peralatan. Secara sederhana, semakin besar massa aparatus, semakin berat roda gila seharusnya. Selain itu, roda gila mana pun memiliki kecepatan putaran maksimum dan dapat meledak jika lebih besar. Dan jika gaya yang mengganggu bekerja pada perangkat dalam satu arah, maka roda gila pada akhirnya akan mencapai kecepatan maksimum,dan Anda perlu membongkarnya dengan beberapa sistem lain. Dan akhirnya, seperti halnya mekanik, roda gila usang seiring waktu dan bisa gagal.

Keuntungan:
  • Itu tidak membutuhkan konsumsi bahan bakar.
  • Memungkinkan Anda membidik perangkat dengan sangat akurat.

Kekurangan:
  • Tidak cocok untuk bermanuver aktif, rotasi relatif lambat.
  • Sistem orientasi lain diperlukan untuk membongkar roda gila.
  • Seiring waktu, mereka aus dan gagal.
  • Setiap sumbu membutuhkan setidaknya satu roda gila.

Roda gila sangat bermanfaat jika kita sering harus mengarahkan ulang perangkat tanpa mengubah orbitnya. Oleh karena itu, flywheels berada pada teleskop orbital. Misalnya, Hubble memiliki empat flywheels, memberikan kontrol yang berlebihan pada dua sumbu. Hubble tidak memiliki tugas untuk memutar porosnya, sehingga roda gila digunakan untuk memutar teleskop "atas / bawah" dan "kiri / kanan".


Salah satu roda gaya teleskop Hubble

Gyrodin (Giroskop momen kontrol)


Properti bagian atas untuk mempertahankan posisi vertikal dapat digunakan dengan cara lain - Anda dapat mengandalkannya:



Jika Anda menempatkan atasan seperti itu dalam sistem suspensi, maka Anda dapat, "mengandalkan" pada itu, belok ke arah yang benar. Desain semacam itu disebut giroskop gaya atau gyrodinamika. Perbedaan utama antara gyrodin dan roda gila adalah bahwa roda gila terpasang dengan kokoh pada satu sumbu dan mengontrol orientasi dengan mengubah kecepatan putarannya. Gyrodin dipasang dalam suspensi, yang dapat berputar dalam satu atau beberapa bidang, dan mungkin tidak mengubah kecepatan putarannya. Dalam video ini, pergerakan suspensi terlihat jelas, terlepas dari kenyataan bahwa nada gyrodin tidak berubah.



Dalam hal fungsionalitas, gyrodin adalah roda gila "maju". Gyrodine lebih efektif daripada roda gaya konvensional, tetapi juga lebih sulit. Mereka dapat mengontrol orientasi perangkat yang jauh lebih berat, tetapi berbagi kelebihan dan kekurangan roda gila. Video ini menunjukkan bahwa gyrodine, seperti roda gila, perlu diturunkan - ketika sumbu suspensi tidak dapat lagi berputar, sepeda mulai turun:



Keuntungan:
  • Sama seperti roda gila.
  • Lebih efektif daripada roda gila - gyrodin dengan massa yang sama dapat mengontrol orientasi alat yang jauh lebih berat.

Kekurangan:
  • Sama seperti roda gila.
  • Lebih keras dari roda gila.

Gyrodin, karena keefektifannya, digunakan di stasiun orbital. Sebagai contoh, pada ISS ada empat gyrodine masing-masing 300 kg.


Penggantian ISS gyrodin

Sistem orientasi elektromagnetik


Medan magnet Bumi mampu memutar jarum kompas, yang berarti bahwa gaya ini dapat digunakan untuk mengontrol orientasi pesawat ruang angkasa. Jika Anda meletakkan magnet permanen di satelit, maka gaya akting tidak akan dapat dikendalikan. Dan jika Anda meletakkan kumparan solenoida, maka dengan menerapkan arus padanya, Anda dapat membuat momen kontrol yang diinginkan:



Tiga solenoida yang dipasang di bidang tegak lurus memungkinkan Anda mengontrol orientasi satelit di sepanjang ketiga sumbu. Lebih tepatnya, mereka memberikan kontrol yang baik pada dua sumbu, mencoba memasang perangkat sebagai jarum kompas. Kontrol di sepanjang sumbu ketiga disediakan dengan mengubah arah medan magnet bumi saat kendaraan terbang di orbit.



Orientasi elektromagnetik mungkin tidak akurat karena fluktuasi acak di medan magnet Bumi, dan efektivitasnya berkurang dengan ketinggian. Dan secara umum, kekuatan yang diciptakan oleh solenoida kecil. Juga, penggunaannya terbatas pada benda angkasa dengan medan magnet yang cukup kuat, misalnya, di orbit Mars, mereka praktis tidak berguna. Tetapi solenoida tidak mengandung bagian yang bergerak, tidak menghabiskan bahan bakar dan hemat energi.

Keuntungan:
  • Kesederhanaan.
  • Tidak membutuhkan bahan bakar.
  • Ringan
  • Mereka tidak mengandung bagian yang bergerak dan praktis tidak aus.

Kekurangan:
  • Kekuatan kontrol kecil.
  • Akurasi rendah.
  • Diperlukan medan magnet untuk benda angkasa, di sekitar tempat peralatan berputar.
  • Efisiensi tergantung pada ketinggian.

Orientasi elektromagnetik digunakan sebagai yang utama pada cubsats dan perangkat kecil lainnya. Itu juga sering digunakan untuk membongkar roda gila atau gyrodine. Sebagai contoh, teleskop Hubble menggunakan roda gila sebagai sistem orientasi utama, dan membongkar mereka dengan sistem elektromagnetik.


Contoh solenoid untuk pesawat ruang angkasa. Situs web pabrikan mengklaim bahwa lebih dari 80 solenoida telah diinstal pada berbagai satelit.

Stabilisasi gravitasi


Daya tarik dua tubuh berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka. Oleh karena itu, jika satelit kami mengedepankan kutub panjang dengan beban, "dumbbell" yang dihasilkan akan cenderung menempati posisi vertikal ketika bagian bawahnya akan tertarik ke Bumi sedikit lebih tinggi dari yang atas. Berikut ini adalah simulasi komputer 1963 (!) Menampilkan efek ini:



Di bagian pertama video, satelit berada dalam posisi stabil di sepanjang poros menuju Bumi. Pada kenyataannya, gangguan acak akan mengganggu keseimbangan sempurna, dan satelit akan berosilasi di sekitar sumbunya, jadi biasanya sistem seperti itu dilengkapi dengan damper. Wadah kecil dengan cairan akan mengubah energi getaran menjadi panas dan "menenangkan" satelit.

Keuntungan:
  • Sistem yang sangat sederhana.
  • Orientasi dibangun secara pasif, tanpa sistem kontrol.

Kekurangan:
  • Orientasi dibangun perlahan karena kelemahan gaya yang bekerja pada tubuh.
  • Akurasi rendah.
  • Hanya satu jenis orientasi - poros menuju pusat bumi.
  • Efeknya jatuh dengan ketinggian.
  • Satelit dapat terbalik relatif terhadap orientasi yang diinginkan.

Sistem orientasi gravitasi terutama digunakan pada perangkat kecil yang tidak memerlukan stabilisasi yang tepat. Ini sangat cocok untuk beberapa jenis cubsats, juga, misalnya, satelit Yubileiny dilengkapi dengan itu:



Stabilisasi aerodinamis


Jejak atmosfer bumi juga terlihat di atas seratus kilometer, dan kecepatan tinggi dari satelit berarti bahwa mereka akan lebih terhambat. Biasanya gaya ini merupakan hambatan besar, karena satelit melambat dengan cukup cepat, turun lebih rendah dan terbakar di lapisan atmosfer yang padat. Namun, bagaimanapun, itu adalah kekuatan yang selalu bertindak terhadap vektor kecepatan orbital, dan itu dapat digunakan. Eksperimen pertama dilakukan pada tahun 60-an. Di sini, misalnya, Cosmos-149 domestik, diluncurkan pada tahun 1967:



Orbit rendah, di mana kekuatan aerodinamis maksimum, tempat yang tidak ramah. Tetapi kadang-kadang perlu ada di sana untuk akurasi pengukuran yang lebih besar. Solusi yang sangat indah digunakan dalam satelit GOCEyang mempelajari medan gravitasi bumi. Sebuah orbit rendah (~ 260 km) membuat sistem stabilisasi aerodinamis efektif, dan untuk mencegah satelit terbakar terlalu cepat, ia terus dipercepat oleh mesin ion kecil. Perangkat yang dihasilkan tidak jauh seperti satelit biasa, seseorang bahkan menyebutnya "satelit Ferrari":



Berkat mesin ion, GOCE mampu bekerja dari 2009 hingga 2013, membuat peta gravitasi Bumi yang paling terperinci.

Keuntungan:
  • Daya aerodinamik gratis dan tidak memerlukan sistem kontrol khusus.


Kekurangan:
  • Sesuatu harus dilakukan agar satelit tidak cepat terbakar di lapisan atmosfer yang padat.
  • Kekuatan tergantung pada ketinggian.
  • Hanya satu orientasi sumbu yang dimungkinkan.


Layar surya


Untuk membangun orientasi, Anda masih bisa menggunakan tekanan sinar matahari . Layar surya biasanya dianggap sebagai cara bergerak, tetapi Matahari juga akan bertindak pada satelit dengan bentuk kompleks dengan antena dan panel surya. Ini dapat dianggap sebagai penghalang bagi sistem orientasi lain, atau, jika pengembang menghitung momen kekuatan sebelumnya, ini dapat digunakan untuk membantu membangun orientasi satelit. Sudah pada tahun 1973, probe Mariner-10, yang pergi ke Venus dan Merkurius, menggunakan tekanan matahari untuk membangun orientasi perangkat. Menginspirasi daya cipta Laboratorium Fisika Atmosfer dan Ruang Angkasa- ketika dua dari empat flywheels gagal pada teleskop Kepler, laboratorium mengembangkan metode untuk membangun orientasi menggunakan dua flywheels yang tersisa dan tekanan matahari sehingga teleskop memeriksa secara berurutan empat bagian ruang per tahun:



Proyek Regatta-Plasma Rusia , dikembangkan di 90 x tahun. Dengan bantuan layar penstabil matahari dan kemudi yang berputar, aparatus menempati posisi ke arah Matahari dan, jika perlu, dapat diputar:



Bahkan sekarang, sistem seperti itu akan unik dan sangat menarik, sangat disayangkan bahwa proyek ditutup.

Keuntungan:
  • Tekanan matahari benar-benar gratis.

Kekurangan:
  • Anda tidak dapat membangun orientasi sewenang-wenang di sepanjang tiga sumbu.
  • Ini tidak berfungsi di tempat teduh, yang penting, misalnya, untuk orbit bumi rendah.


Kesimpulan


Untuk gaya yang bergantung pada ketinggian penerbangan, ada grafik perkiraan:



Video lain dengan seal dan gyrodynes NASA asli.
Video yang lebih kompleks dengan topik yang sama adalah “Merancang sistem orientasi dan stabilisasi” dari komunitas “Sektor Luar Angkasa Anda”.

Dengan tag "Kesulitan tak terlihat", publikasi tentang mesin, bahan bakar, tank, struktur awal dan sejenisnya menarik, tetapi tidak terlalu terlihat karena keakrabannya.

More articles:


All Articles