إنه لأمر مدهش أن نعتقد أن هناك تلسكوبات في الفضاء ، في الوقت الحالي ، توجه نظرهم 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. دعونا نتحدث عن كيفية عملهم ، وكيف يختلفون ، وكيف أنهى فشلهم المهام في الماضي.
ها هي الإجابة السريعة. تسمح عجلات التفاعل للمركبة الفضائية بتغيير اتجاهها في الفضاء ، بينما تحافظ الجيروسكوبات على ثبات التلسكوب بشكل لا يصدق ، بحيث يمكنها الإشارة إلى هدف بدقة عالية.
إذا كنت قد استمعت إلى حلقات كافية من Astronomy Cast ، فأنت تعلم دائمًا أنني أشتكي من عجلات التفاعل. يبدو دائمًا أنه نقطة الفشل في المهمات ، وإنهائها قبل الأوان قبل أن يدخل العلم في كل شيء.
ربما كنت قد استخدمت مصطلحي عجلات التفاعل والجيروسكوبات بالتبادل في الماضي ، لكنهما يخدمان أغراضًا مختلفة قليلاً.
إحدى عجلات التفاعل عالية الأداء التي حملتها كبلر ، ودون والعديد من بعثات ناسا الأخرى. الائتمان: الكرة ايروسبيس
أولاً ، لنتحدث عن عجلات التفاعل. هذا نوع من دولاب الموازنة يستخدم لتغيير اتجاه مركبة فضائية. فكر في تلسكوب فضائي يحتاج إلى التحول 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 عجلة في اتجاه واحد ، فإن التلسكوب بأكمله يدور في الاتجاه المعاكس ، بفضل قانون نيوتن الثالث - كما تعلمون ، لكل فعل رد فعل مساوٍ ومعاكس. مع دوران العجلات في جميع الاتجاهات الثلاثة ، يمكنك إدارة التلسكوب في أي اتجاه تريده.
يتم تثبيت العجلات في مكانها وتدور بينها 1000 و 4000 ثورة في الدقيقة ، بناء الزخم الزاوي في المركبة الفضائية. من أجل تغيير اتجاه المركبة الفضائية ، فإنهم يغيرون معدل دوران العجلات.
تصميم تلسكوب كبلر الفضائي ، بما في ذلك عجلات التفاعل الأربعة الخاصة به. الائتمان: ناسا أميس / بول ايروسبيس
ينتج عن هذا عزم دوران يجعل المركبة الفضائية تغير اتجاهها ، أو تحركها ، في الاتجاه المختار.
تعمل هذه التقنية بالكهرباء وحدها ، مما يعني أنك لست بحاجة إلى استخدام الوقود الدافع لتغيير اتجاه التلسكوب. طالما كان لديك عدد كافٍ من الدوارات التي تدور ، يمكنك الاستمرار في تغيير اتجاهك ، باستخدام الطاقة من الشمس فقط.
تُستخدم عجلات التفاعل في كل المركبات الفضائية الموجودة تقريبًا ، من الأقمار الصناعية المكعبة الصغيرة إلى تلسكوب هابل الفضائي.
مع ثلاث عجلات ، يمكنك تغيير اتجاهك إلى أي مكان في 3 أبعاد. لكن LightSail 2 التابع لجمعية الكواكب لديه فقط عجلة زخم واحدة لتحويل اتجاه شراعه الشمسي ، من الحافة إلى الشمس ثم الاتساع لرفع مداره بواسطة ضوء الشمس وحده.
صورة لنشر شراع LightSail 2. الائتمان: جمعية الكواكب
بالطبع ، نحن أكثر دراية بعجلات رد الفعل بسبب الأوقات التي فشلوا فيها ، مما أدى إلى إخراج المركبة الفضائية من الخدمة. مهام مثل FUSE و Hayabusa من JAXA.
فقدان كبلر لعجلات رد الفعل والحل المبتكر
أشهرها ، تلسكوب كبلر الفضائي التابع لناسا تم إطلاقه في 9 مارس 2009 للعثور على كواكب تدور حول نجوم أخرى. تم تجهيز كبلر بأربع عجلات تفاعل. كان من الضروري وجود ثلاثة منها لإبقاء التلسكوب موجهًا بعناية نحو منطقة من السماء ، ثم منطقة احتياطية.
رسم توضيحي لفنان لمركبة الفضاء كبلر التابعة لوكالة ناسا. أوشكت مهمة كبلر على الانتهاء ، وتم حجز آخر وقود لها للتأكد من أن بياناتها تجعلها موطنًا لها. الصورة: ناسا / كبلر
كانت تراقب أي نجم في مجال رؤيته يتغير في السطوع بمعامل 1 من 10000 ، مما يشير إلى أن كوكبًا يمكن أن يمر من أمامه. لحفظ النطاق الترددي ، نقل كبلر في الواقع معلومات فقط حول التغيير في سطوع النجوم نفسها.
في تموز (يوليو) 2012 ، تعطلت إحدى عجلات رد الفعل الأربعة التي استخدمها كبلر. لا يزال لديه ثلاثة ، وهو الحد الأدنى الذي يحتاجه ليكون مستقرًا بدرجة كافية لمواصلة ملاحظاته. ثم في مايو 2013 ، أعلنت وكالة ناسا أن كبلر قد عطل في إحدى عجلاتها الأخرى. لذا فقد انخفض إلى اثنين.
أدى هذا إلى توقف العمليات العلمية الرئيسية لكبلر. مع تشغيل عجلتين فقط ، لم يعد بإمكانه الحفاظ على موضعه بدقة كافية لتتبع سطوع النجوم ..
على الرغم من أن المهمة كان من الممكن 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.
رسم بياني يوضح كيف واصل تلسكوب كبلر الفضائي البحث عن الكواكب على الرغم من تحطم عجلتي رد فعل. الائتمان: ناسا أميس / دبليو ستينزل
لكن كبلر أُجبر على النظر إلى البقعة الصغيرة في السماء والتي تصادف أن تتماشى مع اتجاهها الجديد ، وحولت مهمتها العلمية إلى البحث عن الكواكب التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء. استهلكت وقودها الدافع الموجود على متنها عائدًا إلى الأرض لنقل البيانات. نفد وقود كبلر أخيرًا في 30 أكتوبر 2018 ، واختتمت وكالة ناسا مهمتها.
في نفس الوقت الذي كانت فيه كبلر تكافح مع عجلات رد الفعل ، كانت مهمة Dawn التابعة لناسا تواجه مشاكل مع عجلات رد الفعل نفسها بالضبط.
عجلات فقدان رد الفعل الفجر
تم إطلاق Dawn في 27 سبتمبر 2007 بهدف استكشاف أكبر كويكبين في المجموعة الشمسية: Vesta و Ceres. ذهبت المركبة الفضائية إلى مدار حول فيستا في يوليو 2011 وقضت العام التالي في دراسة ورسم خرائط العالم.
رسم توضيحي لفنان للمركبة الفضائية Dawn التابعة لناسا بنظام الدفع الأيوني الذي يقترب من سيريس. الصورة: NASA / JPL-Caltech.
كان من المفترض أن يغادر فيستا ويتوجه إلى سيريس في أغسطس 2012 لكن المغادرة تأخرت أكثر من شهر بسبب مشاكل مع عجلات رد الفعل . بدءًا من عام 2010 ، اكتشف المهندسون المزيد والمزيد من الاحتكاك في إحدى عجلاتها ، لذلك تحولت المركبة الفضائية إلى ثلاث عجلات تعمل.
ثم في عام 2012 ، بدأت عجلة الاحتكاك الثانية من عجلاتها أيضًا ، وبقيت المركبة الفضائية مع عجلتين فقط متبقيتين. لا يكفي لإبقائها موجهة بالكامل في الفضاء باستخدام الكهرباء وحدها. هذا يعني أنه كان عليها أن تبدأ في استخدام دافع الهيدرازين الخاص بها للحفاظ على اتجاهها طوال الفترة المتبقية من مهمتها.
ثلاث مناظر لبركان أهونا مونس الجليدي. الجزء العلوي عبارة عن إعادة بناء للبركان من البيانات الطبوغرافية ، والتُقِطت الصورة على اليسار بكاميرا Dawn ذات الإطارات ، والصورة الملونة الزائفة على اليمين تُظهر وجود كربونات الصوديوم باللونين الأحمر والأخضر. الصورة: بواسطة NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA / ASI / INAF
تمكنت Dawn من الوصول إلى سيريس ، ومن خلال الاستخدام الدقيق للوقود ، تمكنت من رسم خريطة لهذا العالم ، وميزات سطحه الغريبة. أخيرًا ، في أواخر عام 2018 ، خرجت المركبة من الوقود ، ولم تعد قادرة على الحفاظ على اتجاهها ، أو رسم خريطة لسيريس أو إرسال إشاراتها مرة أخرى إلى الأرض.
ستستمر المركبة الفضائية في الدوران حول سيريس ، وهي تتدحرج بلا حول ولا قوة.
هناك قائمة طويلة من المهمات التي فشلت عجلات رد فعلها. والآن يعتقد العلماء أنهم يعرفون السبب. كان هناك تم إصداره في عام 2017 التي حددت أن بيئة الفضاء نفسها تسبب المشكلة. عندما تمر العواصف المغناطيسية الأرضية المركبة الفضائية ، فإنها تولد شحنات على عجلات التفاعل التي تسبب زيادة في الاحتكاك وتجعلها تتآكل بسرعة أكبر.
سأضع رابطًا إلى فيديو رائع بواسطة سكوت مانلي الذي يخوض في مزيد من التفاصيل.
تلسكوب هابل الفضائي وجيروسكوباته
تم تجهيز تلسكوب هابل الفضائي بعجلات تفاعل لتغيير اتجاهه العام ، حيث يقوم بتدوير التلسكوب بأكمله بسرعة عقرب دقيقة على مدار الساعة - 90 درجة في 15 دقيقة.
ولكن للبقاء موجهًا نحو هدف واحد ، فإنه يستخدم تقنية أخرى: الجيروسكوبات.
تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا. ائتمانات: ناسا
يوجد 6 جيروسكوبات على هابل والتي تدور بسرعة 19200 دورة في الدقيقة. إنها كبيرة وضخمة وتدور بسرعة كبيرة لدرجة أن قصورهم الذاتي يقاوم أي تغييرات في اتجاه التلسكوب. يعمل بشكل أفضل مع ثلاثة أبعاد - مطابقة الأبعاد الثلاثة للمساحة - ولكن يمكن أن يعمل مع اثنين ، أو حتى واحد ، بنتائج أقل دقة.
في أغسطس 2005 ، كانت جيروسكوبات هابل تتآكل ، وتحولت وكالة ناسا إلى وضع الجيروسكوب. في عام 2009 ، خلال مهمة الخدمة 4 ، زار رواد فضاء ناسا التلسكوب الفضائي واستبدلوا جميع الجيروسكوبات الستة.
كانت STS61 أول مهمة خدمة لتلسكوب هابل الفضائي. الائتمان: ناسا
من المحتمل أن تكون هذه هي المرة الأخيرة التي يزور فيها رواد الفضاء هابل ، ويعتمد مستقبله على المدة التي تستغرقها هذه الجيروسكوبات.
ماذا عن جيمس ويب؟
أعلم أن مجرد ذكر تلسكوب جيمس ويب الفضائي يجعل الجميع متوترين. تم استثمار أكثر من 8 مليارات دولار حتى الآن ومن المقرر إطلاقها في غضون عامين تقريبًا من الآن. ستطير إلى نقطة لاغرانج Earth-Sun L2 ، التي تقع على بعد 1.5 مليون كيلومتر من الأرض.
رسم توضيحي لتلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا. ائتمانات: ناسا
على عكس هابل ، لا توجد طريقة للخروج من جيمس ويب لإصلاحه إذا حدث أي خطأ. ونظرًا لعدد المرات التي فشلت فيها الجيروسكوبات ، فإن هذا يبدو حقًا كنقطة ضعف خطيرة. ماذا لو فشلت الجيروسكوبات لجيمس ويب؟ كيف يمكننا استبدالهم.
جيمس ويب لديه عجلات رد فعل على متن الطائرة. لقد تم بناؤها من قبل روكويل كولينز ألمانيا ، وهي تشبه عجلات ردود الفعل على متن مهام Chandra و EOS Aqua و Aura التابعة لناسا - لذا فهي تقنية مختلفة عن عجلات التفاعل الفاشلة في Dawn و Kepler. شكّلت مهمة Aura حالة من الذعر في عام 2016 عندما تعطلت إحدى عجلات رد الفعل الخاصة بها ، ولكن تم استعادتها بعد عشرة أيام.
يستخدم جيروسكوب الرنان النصف كروي (HRG) ، والذي يُطلق عليه أيضًا جيروسكوب زجاج النبيذ أو جيروسكوب الفطر ، قشرة نصف كروية صلبة ذات حالة صلبة ، مثبتة بواسطة ساق سميك. الائتمان: Sagem CC BY 4.0
جيمس ويب لا يستخدم الجيروسكوبات الميكانيكية مثل هابل لإبقائها في الهدف. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام تقنية مختلفة تسمى الجيروسكوبات الرنانة نصف الكروية أو HRGs.
هذه تستخدم نصف كرة كوارتز تم تشكيلها بدقة شديدة بحيث يتردد صداها بطريقة يمكن التنبؤ بها للغاية. يُحاط نصف الكرة الأرضية بأقطاب كهربائية تدفع الرنين ، ولكنها تكتشف أيضًا أي تغييرات طفيفة في اتجاهه.
أعلم أن هذا النوع من الأصوات مثل gibberish ، وكأنه مدعوم من أحلام وحيد القرن ، ولكن يمكنك تجربة هذا بنفسك.
أمسك كأسًا من النبيذ ثم حركه بإصبعك حتى يرن. الرنين هو كأس الخمر الذي ينثني ذهابًا وإيابًا عنده تردد الرنين، ظاهرة الرنين . أثناء قيامك بتدوير الزجاج ، يتحول الثني للخلف وللأمام أيضًا ، لكنه يتأخر عن الاتجاه بطريقة يمكن التنبؤ بها للغاية.
عندما تحدث هذه التذبذبات آلاف المرات في الثانية في بلورة كوارتز ، فمن الممكن اكتشاف الحركات الصغيرة ثم حسابها.
هذه هي الطريقة التي سيظل بها جيمس ويب محبوسًا على أهدافه.
انطباع الفنان عن دخول المركبة المدارية كاسيني الغلاف الجوي لزحل. الائتمان: ناسا / مختبر الدفع النفاث
تم استخدام هذه التكنولوجيا في مهمة كاسيني في زحل وعملت بشكل مثالي. في الواقع ، اعتبارًا من يونيو 2011 ، أبلغت وكالة ناسا أن هذه الأجهزة قد شهدت 18 مليون ساعة من التشغيل المستمر في الفضاء على أكثر من 125 مركبة فضائية مختلفة دون فشل واحد. إنها في الواقع موثوقة للغاية.
وآمل أن يمهد الامور. تُستخدم عجلات التفاعل أو الزخم لإعادة توجيه المركبات الفضائية في الفضاء ، بحيث يمكنها مواجهتها في اتجاهات مختلفة دون استخدام الوقود الدافع.
تستخدم الجيروسكوبات لإبقاء التلسكوب الفضائي موجهًا بدقة نحو الهدف ، لتوفير أفضل البيانات العلمية. يمكن أن تكون عجلات غزل ميكانيكية ، أو تستخدم صدى البلورات المهتزة لاكتشاف التغيرات في القصور الذاتي.
