Je úžasné si myslet, že ve vesmíru jsou dalekohledy, právě teď a zaměřují svůj pohled na vzdálené objekty hodiny, dny a dokonce i týdny. Poskytujeme tak stabilní a přesný pohled, že se můžeme dozvědět podrobnosti o galaxiích, exoplanetách a další.
A když čas vyprší, může kosmická loď posunout svůj pohled jiným směrem. Vše bez použití paliva.
To vše díky technologii reakčních kol a gyroskopů. Pojďme mluvit o tom, jak fungují, jak se liší a jak jejich neúspěch ukončil mise v minulosti.
Zde je rychlá odpověď. Reakční kola umožňují kosmické lodi změnit jejich orientaci ve vesmíru, zatímco gyroskopy udržují dalekohled neuvěřitelně stabilní, takže mohou s vysokou přesností ukazovat na cíl.
Pokud jste poslouchali dost epizod obsazení Astronomie Cast, víte, že si vždy stěžuji na reakční kola. Zdá se, že se jedná vždy o bod selhání misí, který je předčasně ukončí, než je věda v pořádku.
Pravděpodobně jsem v minulosti používal pojmy reakční kola a gyroskopy zaměnitelně, ale slouží trochu jiným účelům.
Nejprve si povíme o reakčních kolech. Jedná se o typ setrvačníku, který se používá ke změně orientace kosmické lodi. Přemýšlejte o kosmickém dalekohledu, který potřebuje přepnout z cíle na cíl, nebo o kosmické lodi, která se musí vrátit ke Zemi, aby mohla komunikovat data.
Oni jsou také známí jako hybnost kola.
Ve vesmíru není odpor vzduchu. Když se kolo otáčí jedním směrem, celý dalekohled se otáčí opačným směrem, díky Newtonovu třetímu zákonu - víte, pro každou akci existuje stejná a opačná reakce. S koly, které se točí ve všech třech směrech, můžete otočit dalekohledem v libovolném směru.
Kola jsou upevněna na svém místě a točí se mezi 1 000 a 4 000 otáčkami za minutu, čímž se v kosmické lodi zvyšuje hybnost. Aby se změnila orientace kosmické lodi, mění se rychlost otáčení kol.
Tím se vytvoří točivý moment, který způsobí, že kosmická loď posune svou orientaci nebo precesi zvoleným směrem.
Tato technologie pracuje pouze s elektřinou, což znamená, že ke změně orientace dalekohledu nemusíte používat pohonnou hmotu. Dokud máte dostatek rotujících rotorů, můžete pokračovat ve změně směru, využívejte pouze energii ze Slunce.
Reakční kola se používají téměř na každé vesmírné lodi, od malých kubesatů až po Hubbleův vesmírný dalekohled.
Se třemi koly můžete změnit svou orientaci na jakékoli místo ve 3 rozměrech. Ale LightSail 2 Planetární společnosti má pouze jedno kolo hybnosti, které posouvá orientaci jeho sluneční plachty, od okraje ke Slunci a potom k boku, aby zvýšil svou orbitu pouze slunečním světlem.
O reakčních kolech jsme samozřejmě dobře obeznámeni kvůli časům, kdy selhali, a tak jsme kosmickou loď vyřadili z provozu. Mise jako FUSE a JAXA je Hayabusa.
Keplerova ztráta reakčních kol a geniální řešení
Nejznámější je vesmírný dalekohled NASA, který byl spuštěn 9. března 2009 za účelem nalezení planet obíhajících kolem jiných hvězd. Kepler byl vybaven 4 reakčními koly. Tři byli nutní, aby dalekohled držel opatrně namířený na oblast oblohy a pak náhradní.
Dívala se na to, aby se jakákoli hvězda ve svém zorném poli změnila v jasu faktorem 1 z 10 000, což naznačuje, že planeta by mohla projít vpřed. Abychom ušetřili šířku pásma, Kepler ve skutečnosti přenášel pouze informace o změně jasu samotných hvězd.
V červenci 2012 selhalo jedno ze čtyř reakčních kol Keplera. Stále měl tři, což bylo minimum, které bylo potřeba, aby bylo možné být dostatečně stabilní, aby pokračovalo ve svých pozorováních. A v květnu 2013 NASA oznámila, že Kepler selhal s jiným ze svých kol. Takže to bylo na dvě.
Tím se zastavily hlavní vědecké operace Keplera. S pouhými dvěma koly by už nemohla udržet svou polohu dostatečně přesně, aby sledovala jas hvězd.
Ačkoli mise mohla být selháním, inženýři přišli na důmyslnou strategii, pomocí světelného tlaku ze Slunce působit jako síla v jedné ose. Dokonalým vyvážením kosmické lodi na slunečním světle dokázali pokračovat v používání dalších dvou reakčních kol pro pokračování v pozorování.
Kepler byl ale donucen podívat se na malé místo na obloze, které se stalo s jeho novou orientací, a posunul své vědecké poslání k hledání planet obíhajících kolem červených trpaslíků. K přenosu dat využil svůj palubní pohon, který se otočil zpět na Zemi. Kepler konečně došel palivo 30. října 2018 a NASA zabalila svou misi.
Ve stejné době, kdy Kepler bojoval se svými reakčními koly, měla mise NASA Dawn problémy s přesně stejnými reakčními koly.
Dawnova ztráta reakčních kol
Dawn byl zahájen 27. září 2007 s cílem prozkoumat dva z největších asteroidů ve sluneční soustavě: Vesta a Ceres. Kosmická loď šla na oběžnou dráhu kolem Vesty v červenci 2011 a příští rok strávila studováním a mapováním světa.
V srpnu 2012 měl Vesta opustit a vyrazit do Ceres, ale kvůli problémům s reakčními koly byl odjezd zpožděn o více než měsíc. Od roku 2010 technici detekovali stále více tření na jednom ze svých kol, takže kosmická loď přešla na tři funkční kola.
A pak v roce 2012 začalo tření také druhé z jeho kol a kosmická loď zůstala pouze se dvěma zbývajícími koly. Nestačí na to, aby byla plně orientována ve vesmíru pouze pomocí elektřiny. To znamenalo, že musel začít používat svůj hydrazinový pohon k udržení své orientace po zbytek své mise.
Dawn se dostal k Ceresovi a pečlivým používáním pohonné hmoty dokázal zmapovat tento svět a jeho bizarní povrchové rysy. Nakonec, na konci roku 2018, byla kosmická loď mimo pohon a nemohla si už udržet svou orientaci, mapovat Cerese nebo vysílat své signály zpět na Zemi.
Kosmická loď bude i nadále obíhat Ceres bezmocně.
Existuje dlouhý seznam misí, jejichž reakční kola selhala. A nyní si vědci myslí, že vědí proč. V roce 2017 vyšel dokument, který určoval, že problém způsobuje samotné prostředí vesmíru. Když geomagnetické bouře procházejí kosmickou lodí, vytvářejí na reakčních kolech náboje, které způsobují zvýšení tření a způsobují rychlejší opotřebení.
Udělám odkaz na skvělé video od Scotta Manleyho, které jde podrobněji.
Hubbleův kosmický dalekohled a jeho gyroskopy
Hubbleův vesmírný dalekohled je vybaven reakčními koly, které mění jeho celkovou orientaci, otáčí celý dalekohled o rychlost minutové ruky na hodiny - 90 stupňů za 15 minut.
Aby však zůstal zaměřen na jediný cíl, používá jinou technologii: gyroskopy.
Na Hubblově hřišti je 6 gyroskopů, které se točí rychlostí 19 200 otáček za minutu. Jsou velké, masivní a točí se tak rychle, že jejich setrvačnost odolává jakýmkoli změnám v orientaci dalekohledu. Funguje nejlépe se třemi - odpovídá třem rozměrům prostoru - ale může pracovat se dvěma nebo dokonce jedním, s méně přesnými výsledky.
V srpnu 2005 se Hubbleovy gyroskopy vyčerpaly a NASA přešla do režimu dvou gyroskopů. V roce 2009 navštívili astronomové NASA v rámci Servicing Mission 4 kosmický dalekohled a nahradili všech šest svých gyroskopů.
Toto je pravděpodobně poslední čas, kdy astronauti navštíví Hubble, a jeho budoucnost závisí na tom, jak dlouho tyto gyroskopy vydrží.
A co James Webb?
Vím, že pouhá zmínka o kosmickém dalekohledu James Webb způsobuje, že je každý nervózní. Doposud investovalo více než 8 miliard dolarů a mělo by být spuštěno asi za dva roky. Bude to létat do bodu Lagrange Země-Slunce L2, který se nachází asi 1,5 milionu kilometrů od Země.
Na rozdíl od Hubbla, neexistuje žádný způsob, jak vyletět na James Webb a opravit ho, pokud se něco pokazí. A když vidíme, jak často gyroskopy selhaly, vypadá to jako nebezpečná slabina. Co když selže gyroskop Jamesa Webba? Jak je můžeme nahradit.
James Webb má reakční kola na palubě. Postavili je Rockwell Collins Deutschland a podobají se reakčním kolům na palubách misí NASA Chandra, EOS Aqua a Aura - takže se jedná o odlišnou technologii od selhaných reakčních kol na Dawn a Kepler. Mise Aura vyděsila v roce 2016, když se jedno z jejích reakčních kol otočilo dolů, ale bylo obnoveno po deseti dnech.
James Webb nepoužívá mechanické gyroskopy jako Hubble, aby je udržel v cíli. Místo toho používá jinou technologii zvanou hemispherical resonator gyros, neboli HRG.
Používají křemenné polokouli, která byla tvarována velmi přesně, takže rezonuje velmi předvídatelným způsobem. Polokoule je obklopena elektrodami, které řídí rezonanci, ale také detekují jakékoli malé změny v její orientaci.
Vím, že takové zvuky jako blábol, jako by to poháněly sny z jednorožce, ale můžete to zažít pro sebe.
Držte skleničku na víno a potom prstem pohybujte tak, aby zvonila. Vyzvánění je sklenice na víno, která se ohýbá tam a zpět při své rezonanční frekvenci. Když otáčíte sklem, ohýbá se také ohýbání tam a zpět, ale za předvídatelným zpožděním zaostává.
Když se tyto oscilace dějí tisíckrát za sekundu v křemenném krystalu, je možné detekovat drobné pohyby a pak je za ně započítat.
Takto zůstane James Webb ve svých cílech.
Tato technologie přiletěla na misi Cassini v Saturn a fungovala dokonale. Ve skutečnosti NASA od června 2011 oznámila, že tyto přístroje zažily 18 milionů hodin nepřetržitého provozu ve vesmíru na více než 125 různých kosmických lodích bez jediné poruchy. Je to vlastně velmi spolehlivé.
Doufám, že to vyjasní věci. Kola reaktivity nebo hybnosti se používají k nové orientaci kosmické lodi v kosmu, takže mohou čelit různými směry bez použití hnací látky.
Gyroskopy se používají k udržení kosmického dalekohledu přesně zaměřeného na cíl, aby poskytovaly nejlepší vědecká data. Mohou to být mechanická spřádací kola nebo používají rezonanci vibračních krystalů k detekci změn setrvačnosti.
