Det er utrolig å tro at det er teleskoper oppe i verdensrommet, akkurat nå, og rettet blikket mot fjerne objekter i timer, dager og til og med uker. Gi et synspunkt så stabilt og nøyaktig at vi kan lære detaljer om galakser, eksoplaneter og mer.
Og så, når tiden er ute, kan romskipet forskyve blikket i en annen retning. Alt uten bruk av drivstoff.
Det hele er takket være teknologien til reaksjonshjul og gyroskop. La oss snakke om hvordan de fungerer, hvordan de er forskjellige, og hvordan deres fiasko har endt oppdrag tidligere.
Her er det raske svaret. Reaksjonshjul lar romfartøyer endre sin orientering i rommet, mens gyroskop holder et teleskop utrolig stabilt, slik at de kan peke på et mål med høy nøyaktighet.
Hvis du har lyttet til nok episoder med Astronomy Cast, vet du at jeg alltid klager på reaksjonshjul. Det ser alltid ut til å være poenget med å mislykkes i oppdrag, og avslutte dem for tidlig før vitenskapen er inne.
Jeg har antagelig brukt begrepene reaksjonshjul og gyroskop om hverandre, men de tjener litt forskjellige formål.
La oss først snakke om reaksjonshjul. Dette er en type svinghjul som brukes til å endre orienteringen til et romskip. Tenk på et romteleskop som må bytte fra mål til mål, eller et romskip som må vende seg tilbake til Jorden for å kommunisere data.
De er også kjent som momentum-hjul.
Det er ingen luftmotstand i verdensrommet. Når et hjul svinger i en retning, svinger hele teleskopet i motsatt retning, takket være Newtons tredje lov - du vet, for hver handling, er det en like og motsatt reaksjon. Med hjul som spinner i alle tre retninger, kan du vri teleskopet i hvilken som helst retning du vil.
Hjulene er festet på plass og snurrer mellom 1000 og 4000 omdreininger i minuttet, og bygger opp vinkelmomentet i romskipet. For å endre romskipets retning, endrer de hastigheten hjulene snurrer med.
Dette skaper et dreiemoment som får romfartøyet til å skifte orientering, eller prcess, i en valgt retning.
Denne teknologien fungerer med elektrisitet alene, noe som betyr at du ikke trenger å bruke drivmiddel for å endre retningen på teleskopet. Så lenge du har fått nok rotorer til å snurre, kan du fortsette å endre retning, og bare bruke kraften fra solen.
Reaksjonshjul brukes på stort sett alle romfartøyer der ute, fra bittesmå cubesats til Hubble romteleskop.
Med tre hjul kan du endre orientering til ethvert sted i 3-dimensjoner. Men Planetetary Society's LightSail 2 har bare et enkelt momentumhjul for å skifte orientering av solens seil, fra kant til sol og deretter bredde for å heve bane med sollys alene.
Selvfølgelig er vi mest kjent med reaksjonshjul på grunn av de gangene de har mislyktes, og tar romfartøy ut av drift. Oppdrag som FUSE og JAXAs Hayabusa.
Keplers tap av reaksjonshjul og den geniale løsningen
Mest kjent er NASAs Kepler romteleskop, som ble lansert 9. mars 2009 for å finne planeter som kretser rundt andre stjerner. Kepler var utstyrt med 4 reaksjonshjul. Tre var nødvendige for å holde teleskopet pekende forsiktig mot et område med himmel, og deretter en ekstra.
Den så på for enhver stjerne i sitt synsfelt å endre lysstyrken med en faktor på 1 av 10 000, noe som indikerte at en planet kunne passere foran. For å spare båndbredde, overførte Kepler faktisk bare informasjon om endringen i lysstyrken til stjernene selv.
I juli 2012 mislyktes et av Keplers fire reaksjonshjul. Den hadde fremdeles tre, som var det minste det trengte for å kunne være stabil nok til å fortsette observasjonene. Og i mai 2013 kunngjorde NASA at Kepler hadde en feil med et annet av hjulene sine. Så det var nede på to.
Dette stoppet de viktigste vitenskapelige operasjonene til Kepler. Med bare to hjul i drift, kunne den ikke lenger opprettholde sin posisjon nøyaktig nok til å spore stjernens lysstyrke ..
Selv om oppdraget kunne ha vært en fiasko, regnet ingeniører ut en genial strategi ved å bruke lystrykket fra Solen til å fungere som en kraft i den ene aksen. Ved å balansere romfartøyet perfekt i sollyset, klarte de å fortsette å bruke de to andre reaksjonshjulene for å fortsette å gjøre observasjoner.
Men Kepler ble tvunget til å se på det lille stedet på himmelen som tilfeldigvis stemte overens med sin nye orientering, og flyttet forskningsoppdraget sitt til å lete etter planeter i bane rundt røde dvergstjerner. Den brukte frem ombord drivmidlet som vendte tilbake til Jorden for å overføre data. Kepler gikk til slutt tom for drivstoff 30. oktober 2018, og NASA pakket opp sitt oppdrag.
Samtidig som Kepler slet med reaksjonshjulene, hadde NASAs Dawn-oppdrag problemer med nøyaktig de samme reaksjonshjulene.
Dawn’s Loss of Reaction Wheels
Dawn ble lansert 27. september 2007 med mål om å utforske de to av de største asteroidene i solsystemet: Vesta og Ceres. Romfartøyet gikk i bane rundt Vesta i juli 2011 og brukte det neste året på å studere og kartlegge verden.
Det skulle visstnok forlate Vesta og dra til Ceres i august 2012, men avgangen ble forsinket med mer enn en måned på grunn av problemer med reaksjonshjulene. Fra og med 2010 oppdaget ingeniører mer og mer friksjon i et av hjulene, så romskipet byttet til de tre fungerende hjulene.
Og så i 2012 begynte det andre av hjulene å få friksjon også, og romskipet satt igjen med bare to gjenværende hjul. Ikke nok til å holde den fullt orientert i rommet ved å bruke strøm alene. Dette betydde at den måtte begynne å bruke hydrazin-drivstoffet for å opprettholde sin orientering gjennom resten av oppdraget.
Dawn kom til Ceres, og gjennom nøye bruk av drivmiddel klarte den å kartlegge denne verdenen, og dens bisarre overflateegenskaper. Til slutt, på slutten av 2018, var romskipet ute av drivmiddel, og det klarte ikke lenger å opprettholde sin orientering, kartlegge Ceres eller sende signalene tilbake til Jorden.
Romfartøyet vil fortsette å bane rundt Ceres og tumle hjelpeløst.
Det er en lang liste med oppdrag der reaksjonshjulene har mislyktes. Og nå tror forskere at de vet hvorfor. Det ble utgitt et papir i 2017 som slo fast at miljøet i rommet i seg selv forårsaker problemet. Når geomagnetiske stormer passerer romskipet, genererer de ladninger på reaksjonshjulene som forårsaker en økning i friksjonen og får dem til å slites raskere.
Jeg legger en lenke til en flott video av Scott Manley som går nærmere inn på.
Hubble-romteleskopet og dets gyroskop
Hubble-romteleskopet er utstyrt med reaksjonshjul for å endre sin generelle retning, og roterer hele teleskopet med hastigheten på en minutthånd på en klokke - 90 grader på 15 minutter.
Men for å holde seg spisset mot et enkelt mål, bruker den en annen teknologi: gyroskop.
Det er 6 gyroskop på Hubble som snurrer med 19.200 omdreininger i minuttet. De er store, massive og snurrer så raskt at tregheten deres motstår alle endringer i teleskopets retning. Det fungerer best med tre - som samsvarer med de tre dimensjonene i rommet - men kan fungere med to, eller til og med en, med mindre nøyaktige resultater.
I august 2005 gikk Hubbles gyroskop ned, og NASA gikk over i to-gyroskopmodus. I 2009, under Servicing Mission 4, besøkte NASA-astronauter romteleskopet og erstattet alle seks gyroskopene.
Dette er sannsynligvis siste gang astronauter noensinne vil besøke Hubble, og fremtiden avhenger av hvor lenge disse gyroskopene varer.
Hva med James Webb?
Jeg vet at bare omtale av James Webb romteleskopet gjør alle nervøse. Mer enn 8 milliarder dollar er investert så langt og skal lanseres i løpet av to år fra nå. Det kommer til å fly til Earth-Sun L2 Lagrange-punktet, som ligger omtrent 1,5 millioner kilometer fra Jorden.
I motsetning til Hubble, er det ingen måte å fly ut James Webb for å reparere den hvis noe går galt. Og når man ser hvor ofte gyroskop har mislyktes, virker dette som et farlig svakt punkt. Hva om James Webbs gyroer mislykkes? Hvordan kan vi erstatte dem.
James Webb har vel reaksjonshjul ombord. De er bygget av Rockwell Collins Deutschland, og de ligner reaksjonshjulene ombord på NASAs Chandra, EOS Aqua og Aura oppdrag - så en annen teknologi enn de mislykkede reaksjonshjulene på Dawn og Kepler. Aura-oppdraget ga en skremme i 2016 da et av reaksjonshjulene snurret ned, men det ble gjenopprettet etter ti dager.
James Webb bruker ikke mekaniske gyroskop som Hubble for å holde det på mål. I stedet bruker den en annen teknologi som kalles hemisfærisk resonatorgyros, eller HRG-er.
Disse bruker en kvartshalvkule som er blitt formet veldig nøyaktig slik at den resonerer på en veldig forutsigbar måte. Hemisfæren er omgitt av elektroder som driver resonansen, men oppdager også eventuelle små endringer i dens retning.
Jeg kjenner den typen høres ut som søppel, som om den er drevet av enhjørningstrømmer, men du kan oppleve dette selv.
Hold et vinglass og flikk det deretter med fingeren slik at det ringer. Ringingen er vinglasset som bøyer seg frem og tilbake ved resonansfrekvensen. Når du roterer glasset, snur også bøyingen frem og tilbake, men det henger etter retningen på en veldig forutsigbar måte.
Når disse svingningene skjer tusenvis av ganger i sekundet i en kvartskrystall, er det mulig å oppdage ørsmå bevegelser og deretter redegjøre for dem.
Slik vil James Webb holde seg fastlåst på sine mål.
Denne teknologien har flydd på Cassini-oppdraget i Saturn og fungerte perfekt. Fra juni 2011 hadde NASA faktisk rapportert at disse instrumentene hadde opplevd 18 millioner timers kontinuerlig drift i verdensrommet på mer enn 125 forskjellige romfartøyer uten en eneste fiasko. Det er faktisk veldig pålitelig.
Jeg håper det rydder opp. Reaksjons- eller farthjul brukes til å orientere romfartøyer i rommet, slik at de kan møte i forskjellige retninger uten å bruke drivmiddel.
Gyroskop brukes til å holde et romteleskop nøyaktig pekt mot et mål, for å gi de beste vitenskapelige data. De kan være mekaniske spinnehjul, eller de bruker resonansen til vibrerende krystaller for å oppdage treghetsforandringer.
