宇宙船のジャイロスコープとリアクションホイール。あなたは十分にすることはできません

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現在、宇宙に望遠鏡があり、遠くの物体を数時間、数日、さらには数週間にわたって注視していると考えるのは驚くべきことです。銀河や太陽系外惑星などの詳細を知ることができるほど安定した正確な視点を提供します。

そして、時間切れになると、宇宙船はその視線を別の方向にシフトできます。燃料を使わずに。

それはすべて、リアクションホイールとジャイロスコープのテクノロジーのおかげです。それらがどのように機能するか、どのように異なるか、そして彼らの失敗が過去のミッションをどのように終わらせたかについて話しましょう。

これが簡単な答えです。リアクションホイールを使用すると、宇宙船は宇宙で向きを変えることができますが、ジャイロスコープは望遠鏡を信じられないほど安定させます。

天文学キャストの十分なエピソードを聞いたことがあれば、リアクションホイールについていつも不満を言うことでしょう。それは常にミッションの失敗のポイントであるように思われ、科学が完全になる前にミッションを時期尚早に終わらせます。

以前はリアクションホイールとジャイロスコープという用語を同じ意味で使用したことがあるかもしれませんが、目的は少し異なります。

まず、リアクションホイールについて話しましょう。これらは、宇宙船の向きを変更するために使用されるフライホイールの一種です。ターゲットからターゲットに切り替える必要がある宇宙望遠鏡、またはデータを通信するために地球に戻る必要がある宇宙船について考えてみてください。

運動量ホイールとも呼ばれます。

空間に空気抵抗はありません。ホイールが一方向に回転すると、望遠鏡全体が反対方向に回転します。これは、ニュートンの第三法則のおかげです。すべてのアクションに対して、等しく反対の反応があります。ホイールが3方向すべてに回転しているため、望遠鏡を好きな方向に回転させることができます。

車輪は所定の位置に固定され、毎分1,000〜4,000回転で回転し、宇宙船に角運動量を蓄積します。宇宙船の向きを変えるために、それらは車輪が回っている速度を変えます。

これにより、宇宙船の向きまたは歳差運動を選択した方向にシフトさせるトルクが発生します。

このテクノロジーは電気だけで機能します。つまり、望遠鏡の向きを変えるために推進剤を使い切る必要はありません。十分なローターが回転している限り、太陽の力だけを使用して方向を変え続けることができます。

リアクションホイールは、小さなCubesatからハッブル宇宙望遠鏡まで、ほとんどすべての宇宙船で使用されています。

3つのホイールを使用すると、3次元の任意の場所に方向を変更できます。しかし、惑星協会のLightSail 2には、太陽の向きをエッジオンから太陽へ、そしてブロードサイドから太陽光だけで軌道を上げるための運動量ホイールが1つしかありません。

もちろん、私たちはリアクションホイールに最も慣れています。リアクションホイールが故障し、宇宙船が稼働しなくなったからです。 FUSEやJAXAのはやぶさなどのミッション。

ケプラーのリアクションホイールの喪失と独創的なソリューション

最も有名なのは、NASAのケプラー宇宙望遠鏡が2009年3月9日に打ち上げられ、他の星を周回している惑星を見つけることです。ケプラーには4つのリアクションホイールが装備されていました。望遠鏡を空の領域に注意深く向けるには3つが必要で、次にスペアが必要でした。

視野内の星が1万分の1の明るさで変化するのを監視していて、惑星が前を通過している可能性があることを示していました。帯域幅を節約するために、ケプラーは実際には星自体の明るさの変化に関する情報のみを送信しました。

2012年7月、ケプラーの4つのリアクションホイールの1つが故障しました。まだ3つありましたが、これは観測を続けるのに十分な安定性を保つために必要な最低限のものでした。そして、2013年5月、NASAは、ケプラーが別のホイールで故障したと発表しました。だから、それは2つになりました。

これはケプラーの主要な科学操作を停止させました。車輪が2つしか動作していないため、星の明るさを追跡するのに十分な正確な位置を維持できなくなりました。

ミッションは失敗だったかもしれませんが、エンジニアは太陽からの軽い圧力を使用して1つの軸で力として機能する独創的な戦略を理解しました。太陽の下で宇宙船のバランスを完全にとることにより、他の2つのリアクションホイールを使用して観測を続けることができました。

しかし、ケプラーはたまたま新しい方向にそろった空の小さなスポットを見ることを余儀なくされ、その科学の使命を赤い矮星を周回する惑星を探すことに移しました。それはデータを送信するために地球に戻って戻ってその搭載推進剤を使い果たしました。 2018年10月30日、ケプラーはついに燃料を使い果たし、NASAはその使命を終えました。

ケプラーがリアクションホイールに苦労していたと同時に、NASAのドーンミッションはまったく同じリアクションホイールに問題を抱えていました。

ドーンのリアクションホイールの喪失

ドーンは2007年9月27日に打ち上げられ、太陽系で最大の2つの小惑星、ベスタとセレスの探査を目指しました。宇宙船は2011年7月にベスタ周辺の軌道に入り、翌年は世界の調査と地図作成に費やしました。

2012年8月にベスタを出発してセレスに向かう予定でしたが、リアクションホイールの問題により出発が1か月以上遅れました。 2010年から、エンジニアはホイールの1つで摩擦をますます検出していたため、宇宙船は機能している3つのホイールに切り替えました。

そして2012年には、2番目の車輪にも摩擦が生じ始め、残りの2つの車輪だけが宇宙船に残されました。電気だけを使用して宇宙でそれを完全に方向づけるのに十分ではありません。これは、残りのミッションを通じてその方向を維持するために、ヒドラジン推進剤の使用を開始する必要があったことを意味します。

ドーンはセレスにたどり着き、推進剤を注意深く使用することで、この世界とその奇妙な表面の特徴を描くことができました。最後に、2018年後半に、宇宙船は推進剤がなくなり、その方向を維持したり、セレスをマッピングしたり、信号を地球に送信したりすることができなくなりました。

宇宙船はセレスの軌道を回り続け、無力に転倒します。

リアクションホイールが失敗したミッションの長いリストがあります。そして今、科学者たちは彼らがその理由を知っていると考えています。宇宙の環境自体が問題を引き起こしていると判断した2017年に発表された論文がありました。地磁気嵐が宇宙船を通過するとき、それらは反応ホイールに電荷を発生させ、摩擦を増加させ、それらをより早く摩耗させます。

スコットマンリーのすばらしいビデオへのリンクを載せます。

ハッブル宇宙望遠鏡とそのジャイロスコープ

ハッブル宇宙望遠鏡には、全体の向きを変えるためのリアクションホイールが装備されており、望遠鏡全体を時計の分針の速度（15分で90度）で回転させます。

しかし、単一のターゲットを指すようにするために、ジャイロスコープという別のテクノロジーを使用しています。

ハッブルには、毎分19,200回転で回転する6つのジャイロスコープがあります。それらは大きく、重く、非常に速く回転するため、慣性が望遠鏡の向きの変化に抵抗します。空間の3つの次元に一致する3つを使用すると最適に機能しますが、2つまたは1つでも動作し、結果の精度は低くなります。

2005年8月、ハッブルのジャイロスコープはすり減っていて、NASAは2つのジャイロスコープモードに移行しました。 2009年、サービスミッション4の期間中に、NASAの宇宙飛行士は宇宙望遠鏡を訪れ、6つのジャイロスコープすべてを交換しました。

これはおそらく宇宙飛行士がハッブルを訪れる最後の時間であり、その将来はこれらのジャイロスコープの持続時間に依存します。

James Webbはどうですか？

ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡について言及しただけでは、誰もが緊張することは知っています。これまでに80億ドル以上が投資され、約2年後にローンチする予定です。地球から約150万キロ離れた地球と太陽の間のL2ラグランジュポイントまで飛行します。

ハッブルとは異なり、何か問題が発生した場合、ジェームズウェッブを飛び出して修理する方法はありません。そして、ジャイロスコープがどれほど頻繁に故障したかを見ると、これは本当に危険な弱点のように見えます。ジェームズウェッブのジャイロが故障した場合はどうなりますか？どうすればそれらを置き換えることができますか？

ジェームズウェッブには、反応ホイールが搭載されています。これらはRockwell Collins Deutschlandによって構築され、NASAのチャンドラ、EOSアクア、オーラミッションのリアクションホイールに似ています。つまり、ドーンとケプラーで失敗したリアクションホイールとは異なるテクノロジーです。オーラミッションは、2016年にリアクションホイールの1つがスピンダウンしたときに恐怖をもたらしましたが、10日後に回復しました。