من المدهش أن نفكر في وجود تلسكوبات في الفضاء ، توجه الآن نظرتها إلى الأشياء البعيدة لساعات وأيام وحتى أسابيع. توفير وجهة نظر مستقرة ودقيقة للغاية بحيث يمكننا معرفة تفاصيل حول المجرات والكواكب الخارجية والمزيد.
وبعد ذلك ، عندما يحين الوقت ، يمكن للمركبة الفضائية أن تحول نظرها في اتجاه آخر. كل ذلك بدون استخدام الوقود.
كل ذلك بفضل تقنية عجلات التفاعل والجيروسكوبات. لنتحدث عن كيفية عملهم ، وكيف يختلفون ، وكيف أنهى فشلهم المهام في الماضي.
إليك الإجابة السريعة. تسمح عجلات رد الفعل للمركبة الفضائية بتغيير اتجاهها في الفضاء ، بينما تحافظ الجيروسكوبات على تلسكوب مستقر بشكل لا يصدق ، حتى يتمكنوا من توجيه الهدف بدقة عالية.
إذا كنت قد استمعت إلى حلقات كافية من علم الفلك ، فأنا أعلم دائمًا أنني أشكو من عجلات التفاعل. يبدو دائمًا أن هذا هو نقطة الفشل في المهمات ، وإنهائها قبل الأوان قبل دخول العلم.
ربما استخدمت مصطلحي عجلات التفاعل والجيروسكوبات بالتبادل في الماضي ، لكنها تخدم أغراضًا مختلفة قليلاً.
أولاً ، لنتحدث عن عجلات التفاعل. هذه هي نوع من حذافة تستخدم لتغيير اتجاه مركبة فضائية. فكر في تلسكوب فضائي يحتاج إلى التبديل من هدف إلى هدف ، أو مركبة فضائية تحتاج إلى إعادة نفسها إلى الأرض لتوصيل البيانات.
تُعرف أيضًا باسم عجلات الزخم.
لا توجد مقاومة للهواء في الفضاء. عندما تدور العجلة في اتجاه واحد ، يتحول التلسكوب بأكمله في الاتجاه المعاكس ، وذلك بفضل قانون نيوتن الثالث - كما تعلم ، لكل فعل ، هناك رد فعل متساو ومعاكس. مع دوران العجلات في جميع الاتجاهات الثلاثة ، يمكنك تدوير التلسكوب في أي اتجاه تريده.
تم تثبيت العجلات في مكانها وتدور بين 1000 و 4000 دورة في الدقيقة ، مما يزيد من الزخم الزاوي في المركبة الفضائية. من أجل تغيير اتجاه المركبة الفضائية ، فإنها تغير معدل دوران العجلات.
وهذا يخلق عزمًا يؤدي إلى تحريك اتجاه المركبة الفضائية أو اتجاهها في الاتجاه المختار.
تعمل هذه التقنية بالكهرباء فقط ، مما يعني أنك لست بحاجة إلى استخدام الوقود الدافع لتغيير اتجاه التلسكوب. طالما لديك ما يكفي من الدوارات التي تدور ، يمكنك الاستمرار في تغيير اتجاهك باستخدام الطاقة من الشمس فقط.
يتم استخدام عجلات رد الفعل على كل مركبة فضائية تقريبًا ، من المكعبات الصغيرة إلى تلسكوب هابل الفضائي.
مع ثلاث عجلات ، يمكنك تغيير اتجاهك إلى أي بقعة بأبعاد ثلاثية. لكن LightSail 2 من جمعية الكواكب ليس لديها سوى عجلة زخم واحدة لتغيير اتجاه شراعها الشمسي ، من الحافة إلى الشمس ثم بعد ذلك لرفع مدارها عن طريق ضوء الشمس وحده.
بالطبع ، نحن على دراية بعجلات رد الفعل بسبب الأوقات التي فشلت فيها ، مما أدى إلى خروج المركبات الفضائية من العمولة. بعثات مثل FUSE و Hayabusa من وكالة JAXA.
فقدان كبلر لعجلات رد الفعل والحل المبتكر
الأكثر شهرة ، تلسكوب كيبلر الفضائي التابع لناسا ، تم إطلاقه في 9 مارس 2009 للعثور على كواكب تدور حول نجوم أخرى. تم تجهيز كبلر بأربع عجلات رد فعل. ثلاثة ضرورية للحفاظ على التلسكوب موجها بعناية في منطقة السماء ، ثم احتياطي.
كانت تراقب أي نجم في مجال رؤيته يتغير في السطوع بعامل 1 في 10000 ، مما يشير إلى أن كوكبًا يمكن أن يمر أمامه. لتوفير عرض النطاق الترددي ، لم ينقل كبلر سوى معلومات حول التغيير في سطوع النجوم نفسها.
في يوليو 2012 ، فشلت إحدى عجلات رد فعل كبلر الأربع. لا يزال لديها ثلاثة ، وهو الحد الأدنى الذي تحتاجه لتكون قادرة على الاستقرار بما يكفي لمواصلة ملاحظاتها. ثم في مايو 2013 ، أعلنت وكالة ناسا أن كبلر فشل مع واحدة من عجلاتها. لذلك انخفض إلى اثنين.
هذا أدى إلى توقف العمليات العلمية الرئيسية ل Kepler. مع تشغيل عجلتين فقط ، لم يعد بإمكانها الحفاظ على موقعها بدقة كافية لتتبع سطوع النجوم ..
على الرغم من أن المهمة كان يمكن أن تكون فاشلة ، فقد توصل المهندسون إلى استراتيجية بارعة ، باستخدام الضغط الخفيف من الشمس للعمل كقوة في محور واحد. من خلال الموازنة المثالية للمركبة الفضائية في ضوء الشمس ، تمكنوا من الاستمرار في استخدام عجلتي التفاعل الأخريين لمواصلة إجراء الملاحظات.
لكن كيبلر أُجبر على النظر إلى البقعة الصغيرة في السماء التي تصادفت مع اتجاهها الجديد ، وحولت مهمتها العلمية إلى البحث عن الكواكب التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء. استهلكت الوقود الدافع على متنها وعادت إلى الأرض لإرسال البيانات. أخيرًا ، نفد وقود كبلر في 30 أكتوبر 2018 ، واختتمت ناسا مهمتها.
في الوقت الذي كانت فيه كبلر تكافح مع عجلات رد الفعل الخاصة بها ، كانت مهمة ناسا دون التي تواجه مشاكل مع عجلات رد الفعل نفسها.
فقدان عجلات رد الفعل الفجر
تم إطلاق Dawn في 27 سبتمبر 2007 بهدف استكشاف اثنين من أكبر الكويكبات في النظام الشمسي: Vesta و Ceres. دخلت المركبة الفضائية إلى مدار حول Vesta في يوليو 2011 وقضت العام التالي في دراسة ورسم خرائط العالم.
كان من المفترض أن تغادر Vesta وتتوجه إلى Ceres في أغسطس 2012 ، ولكن تأخرت المغادرة لأكثر من شهر بسبب مشاكل في عجلات رد الفعل. بدءًا من عام 2010 ، كان المهندسون يكتشفون المزيد والمزيد من الاحتكاك في إحدى عجلاتها ، لذلك تحولت المركبة الفضائية إلى العجلات الثلاث العاملة.
ثم في عام 2012 ، بدأت العجلات الثانية في اكتساب الاحتكاك أيضًا ، وتركت المركبة الفضائية بعجلتين فقط. لا يكفي لإبقائها موجهة بالكامل في الفضاء باستخدام الكهرباء وحدها. هذا يعني أنه كان عليها أن تبدأ في استخدام دافع هيدرازين للحفاظ على اتجاهها طوال الفترة المتبقية من مهمتها.
وصل داون إلى سيريس ، ومن خلال الاستخدام الدقيق للوقود ، كان قادرًا على رسم خريطة لهذا العالم ، وميزاته السطحية الغريبة. أخيرًا ، في أواخر عام 2018 ، كانت المركبة الفضائية خارج الوقود ، ولم تعد قادرة على الحفاظ على اتجاهها ، أو رسم خريطة سيريس أو إرسال إشاراتها إلى الأرض.
سوف تستمر المركبة الفضائية في الدوران حول سيريس ، وهي تنهار بلا حول ولا قوة.
هناك قائمة طويلة من المهام التي فشلت عجلات رد فعلها. والآن يعتقد العلماء أنهم يعرفون السبب. تم نشر ورقة في عام 2017 حددت أن بيئة الفضاء نفسها هي سبب المشكلة. عندما تمر العواصف المغنطيسية الأرضية بالمركبة الفضائية ، فإنها تولد شحنات على عجلات التفاعل تتسبب في زيادة الاحتكاك وتجعلها تتآكل بسرعة أكبر.
سأضع رابطًا لمقطع فيديو رائع من سكوت مانلي ، والذي يقدم مزيدًا من التفاصيل.
تلسكوب هابل الفضائي والجيروسكوبات
إن تلسكوب هابل الفضائي مجهز بعجلات رد فعل لتغيير اتجاهه العام ، ويدور التلسكوب بأكمله حول سرعة عقرب الدقائق على مدار الساعة - 90 درجة في 15 دقيقة.
ولكن للبقاء متوجهاً نحو هدف واحد ، فإنه يستخدم تقنية أخرى: الجيروسكوبات.
هناك 6 جيروسكوبات على هابل تدور بسرعة 19200 دورة في الدقيقة. فهي كبيرة وضخمة وتدور بسرعة كبيرة بحيث يقاوم القصور الذاتي أي تغييرات في اتجاه التلسكوب. يعمل بشكل أفضل مع ثلاثة - مطابقة الأبعاد الثلاثة للمساحة - ولكن يمكن أن يعمل مع اثنين ، أو حتى واحد ، مع نتائج أقل دقة.
في أغسطس 2005 ، كانت جيروسكوبات هابل تتدهور ، وتحولت وكالة ناسا إلى وضع جيروسكوب ثنائي. في عام 2009 ، أثناء مهمة الخدمة 4 ، زار رواد فضاء ناسا التلسكوب الفضائي واستبدلوا جميع الجيروسكوبات الست.
من المحتمل أن تكون هذه هي المرة الأخيرة التي يزور فيها رواد الفضاء هابل على الإطلاق ، ويعتمد مستقبلها على المدة التي تستغرقها هذه الجيروسكوبات.
ماذا عن جيمس ويب؟
أعلم أن مجرد ذكر تلسكوب جيمس ويب الفضائي يجعل الجميع متوترين. استثمرت أكثر من 8 مليارات دولار حتى الآن ومن المقرر إطلاقها في غضون عامين تقريبًا من الآن. ستطير إلى نقطة الأرض-الشمس L2 لاغرانج ، التي تقع على بعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر من الأرض.
على عكس هابل ، لا توجد وسيلة للطيران من James Webb لإصلاحه إذا حدث أي خطأ. وبالنظر إلى عدد مرات فشل الجيروسكوبات ، يبدو هذا بالفعل نقطة ضعف خطيرة. ماذا لو فشلت الجيروسكوبات لجيمس ويب؟ كيف يمكننا استبدالها.
جيمس ويب لديه عجلات رد فعل على متن الطائرة. تم بناؤها من قبل Rockwell Collins Deutschland ، وهي مشابهة لعجلات ردود الفعل على متن رحلات Chandra و EOS Aqua و Aura التابعة لناسا - لذا فهناك تقنية مختلفة عن عجلات رد الفعل الفاشلة في Dawn و Kepler. قدمت بعثة Aura ذعرًا في عام 2016 عندما سقطت إحدى عجلات رد الفعل الخاصة بها ، ولكن تم استردادها بعد عشرة أيام.
لا يستخدم جيمس ويب الجيروسكوبات الميكانيكية مثل هابل لإبقائه على الهدف. بدلاً من ذلك ، يستخدم تقنية مختلفة تسمى الجيروسكوبات الرنانة في نصف الكرة أو HRGs.
تستخدم هذه نصف كرة الكوارتز التي تم تشكيلها بدقة بالغة بحيث تكون لها صدى يمكن التنبؤ به للغاية. يحيط بنصف الكرة الأرضية أقطاب كهربائية تدفع الرنين ، ولكنها تكتشف أيضًا أي تغييرات طفيفة في اتجاهها.
أعلم أن هذا النوع من الأصوات يشبه الهراء ، لأنه مدعوم بأحلام يونيكورن ، ولكن يمكنك تجربة ذلك بنفسك.
أمسك بكأس للخمر ، ثم حركه بإصبعك حتى يرن. الرنين هو ثني كأس الزجاج ذهابًا وإيابًا عند تردد الرنين. بينما تقوم بتدوير الزجاج ، يتحول الانحناء ذهابًا وإيابًا أيضًا ، لكنه يتخلف عن الاتجاه بطريقة يمكن التنبؤ بها جدًا.
عندما تحدث هذه التذبذبات آلاف المرات في الثانية في بلورة الكوارتز ، من الممكن اكتشاف حركات صغيرة ثم حسابها.
هذه هي الطريقة التي سيبقى فيها James Webb مقفلًا على أهدافه.
تطورت هذه التكنولوجيا في مهمة كاسيني في زحل وعملت بشكل مثالي. في الواقع ، اعتبارًا من يونيو 2011 ، أفادت وكالة ناسا أن هذه الأجهزة قد شهدت 18 مليون ساعة من التشغيل المتواصل في الفضاء على أكثر من 125 مركبة فضائية مختلفة دون فشل واحد. إنه في الواقع موثوق للغاية.
وآمل أن يمهد الامور. يتم استخدام عجلات رد الفعل أو الزخم لإعادة توجيه المركبات الفضائية في الفضاء ، بحيث يمكن أن تواجه في اتجاهات مختلفة دون استخدام الوقود الدافع.
تُستخدم الجيروسكوبات لإبقاء التلسكوب الفضائي موجهًا بدقة نحو الهدف ، لتوفير أفضل البيانات العلمية. يمكن أن تكون عجلات الغزل الميكانيكية ، أو أنها تستخدم صدى بلورات تهتز للكشف عن التغيرات في القصور الذاتي.
