Гироскоп в космосе: «Как в космосе на космическом корабле работает гироскоп, всегда ли он указывает на Землю?» — Яндекс Кью

Как не заблудиться в космосе? / Хабр

Римский философ Сенека сказал: «Если человек не знает, куда он плывет, то для него нет попутного ветра». В самом деле, какая нам польза от двигателей, маховиков или соленоидов, если мы не знаем положения аппарата в пространстве? Этот рассказ о приборах, которые позволяют нам не заблудиться в космосе.

Технический прогресс сделал системы ориентации небольшими, дешевыми и доступными. Сейчас даже студенческий микроспутник может похвастаться системой ориентации, о которой пионеры космонавтики могли только мечтать. Ограниченность возможностей порождала остроумные решения.

Асимметричный ответ: никакой ориентации

Первые спутники и даже межпланетные станции летали неориентированными. Передача данных на Землю велась по радиоканалу, и несколько антенн, чтобы спутник был на связи при любом положении и любых кувырканиях, весили гораздо меньше, чем система ориентации. Даже первые межпланетные станции летали неориентированными:

Луна-2, первая станция, достигшая поверхности Луны.

Четыре антенны по бокам обеспечивают связь при любом положении относительно Земли

Даже сегодня иногда бывает проще покрыть всю поверхность спутника солнечными батареями и поставить несколько антенн, нежели создавать систему ориентации. Тем более, что некоторые задачи нетребовательны к ориентации — например, фиксировать космические лучи можно в любом положении спутника.

Достоинства:

• Максимальная простота и надежность. Отсутствующая система ориентации не может сломаться.

Недостатки:

• Годится сейчас, в основном, для микроспутников, решающих сравнительно простые задачи. «Серьезным» спутникам без системы ориентации уже не обойтись.

Солнечный датчик

Фотоэлементы к середине XX века стали вещью привычной и освоенной, поэтому нет ничего удивительного, что они отправились в космос. Очевидным маяком для таких датчиков стало Солнце. Его яркий свет попадал на фоточувствительный элемент и позволял определять направление:

Различные схемы работы современных солнечных датчиков, внизу находится фоточувствительная матрица

Еще один вариант конструкции, здесь матрица изогнута

Современные солнечные датчики

Достоинства:

• Простота.
• Дешевизна.
• Чем выше орбита, тем меньше участок тени, и тем дольше может работать датчик.
• Точность примерно одна угловая минута.

Недостатки:

• Ориентация только по одной оси.
• Не работают в тени Земли или другого небесного тела.
• Могут быть подвержены помехам от Земли, Луны и т.п.

Всего одна ось, по которой могут стабилизировать аппарат солнечные датчики, не мешает их активному использованию. Во-первых, солнечный датчик можно дополнить другими сенсорами. Во-вторых, у космических аппаратов с солнечными батареями солнечный датчик позволяет легко организовать режим закрутки на Солнце, когда аппарат вращается направленный на него, и солнечные батареи работают в максимально комфортных условиях.

Космические корабли «Восток» остроумно использовали солнечный датчик — ось на Солнце использовалась при построении ориентации для торможения корабля. Также, солнечные датчики были крайне востребованы на межпланетных станциях, потому что многие другие типы датчиков не могут работать вне земной орбиты.
Благодаря простоте и дешевизне солнечные датчики сейчас очень распространены в космической технике.

Инфракрасная вертикаль

Аппараты, которые летают по орбите Земли, часто нуждаются в определении местной вертикали — направления на центр Земли. Фотоэлементы видимого диапазона для этого подходят не очень — на ночной стороне Земля гораздо хуже освещена. Но, к счастью, в инфракрасном диапазоне теплая Земля светит практически одинаково на дневном и ночном полушариях. На низких орбитах датчики определяют положение горизонта, на высоких — сканируют пространство в поисках теплого круга Земли.
Конструктивно, как правило, инфракрасные построители вертикали содержат систему зеркал или сканирующее зеркало:

Инфракрасная вертикаль в сборке с маховиком. Блок предназначен для точной ориентации на Землю для геостационарных спутников. Хорошо видно сканирующее зеркало

Пример поля зрения инфракрасной вертикали. Черный круг — Земля

Отечественные инфракрасные вертикали производства ОАО «ВНИИЭМ»

Достоинства:

• Способны строить местную вертикаль на любом участке орбиты.
• Как правило, высокая надежность.
• Хорошая точность —

Недостатки:

• Ориентация только по одной оси.
• Для низких орбит нужны одни конструкции, для высоких — другие.
• Сравнительно большие габариты и вес.
• Только для орбиты Земли.

Тот факт, что ориентация строится только по одной оси, не мешает широкому использованию инфракрасных вертикалей. Они очень полезны для геостационарных спутников, которым необходимо нацеливать свои антенны на Землю. Также ИКВ используются в пилотируемой космонавтике, например, на современных модификациях корабля «Союз» ориентация на торможение производится только по ее данным:

Корабль «Союз».

Дублированные датчики ИКВ показаны стрелками

Гироорбитант

Для того, чтобы выдать тормозной импульс, необходимо знать направление вектора орбитальной скорости. Солнечный датчик даст правильную ось примерно один раз в сутки. Для полетов космонавтов это нормально, в случае нештатной ситуации человек может вручную сориентировать корабль. Но корабли «Восток» имели «братьев-близнецов», разведывательные спутники «Зенит», которым тоже нужно было выдавать тормозной импульс, чтобы вернуть с орбиты отснятую пленку. Ограничения солнечного датчика были неприемлемы, поэтому пришлось придумывать что-то новое. Таким решением стал гироорбитант. Когда работает инфракрасная вертикаль, корабль вращается, потому что ось на Землю постоянно поворачивается. Направление орбитального движения известно, поэтому по тому, в какую сторону поворачивается корабль, можно определить его положение:

Например, если корабль постоянно кренится вправо, то мы летим правым боком вперед. А если корабль летит кормой вперед, то он будет постоянно поднимать нос вверх. С помощью гироскопа, который стремится сохранить свое положение, это вращение можно определить:

Чем сильнее отклонена стрелка, тем сильнее выражено вращение по этой оси. Три таких рамки позволяют замерить вращение по трем осям и развернуть корабль соответственно.
Гироорбитанты широко использовались в 60-80-х годах, но сейчас вымерли. Простые датчики угловых скоростей позволили эффективно измерять вращение аппарата, а бортовая ЭВМ без труда определит положение корабля по этим данным.

Ионный датчик

Красивой была идея дополнить инфракрасную вертикаль ионным датчиком. На низких земных орбитах попадаются молекулы атмосферы, которые могут быть ионами — нести электрический заряд. Поставив датчики, фиксирующие поток ионов, можно определить, какой стороной корабль летит вперед по орбите — там поток будет максимальным:

Научная аппаратура для измерения концентрации положительных ионов

Ионный датчик работал быстрее — на построение ориентации с гироорбитантом уходил почти целый виток, а ионный датчик был способен построить ориентацию за ~10 минут. К сожалению, в районе Южной Америки находится так называемая «ионная яма», которая делает работу ионного датчика нестабильной. По закону подлости именно в районе Южной Америки нашим кораблям надо строить ориентацию на торможение для посадки в районе Байконура. Ионные датчики стояли на первых «Союзах», но достаточно скоро от них отказались, и сейчас они нигде не используются.

Звездный датчик

Одной оси на Солнце часто бывает мало. Для навигации может быть нужен еще один яркий объект, направление на который вместе с осью на Солнце даст нужную ориентацию. Таким объектом стала звезда Канопус — она вторая по яркости в небе и находится далеко от Солнца. Первым аппаратом, который использовал звезду для ориентации, стал «Маринер-4», стартовавший к Марсу в 1964 году. Идея оказалась удачной, хотя звездный датчик выпил много крови ЦУПа — при построении ориентации он наводился не на те звезды, и приходилось «прыгать» по звездам несколько дней. После того, как датчик наконец навелся на Канопус, он стал постоянно его терять — летевший рядом с зондом мусор иногда ярко вспыхивал и перезапускал алгоритм поиска звезды.

Первые звездные датчики представляли собой фотоэлементы с небольшим полем зрения, которые умели наводиться только на одну яркую звезду. Несмотря на ограниченность возможностей, они активно использовались на межпланетных станциях. Сейчас технический прогресс, фактически, создал новый класс устройств. Современные звездные датчики используют матрицу фотоэлементов, работают в паре с компьютером с каталогом звезд и определяют ориентацию аппарата по тем звездам, которые видны в поле их зрения. Такие датчики не нуждаются в предварительном построении грубой ориентации другими приборами и способны определить положение аппарата вне зависимости от участка неба, в которое их направят.

Типичные звездные датчики

Чем больше поле зрения, тем проще ориентироваться

Иллюстрация работы датчика — по взаимному положению звезд по данным каталога рассчитывается направление взгляда

Достоинства:

• Максимальная точность, может быть меньше угловой секунды.
• Не нуждается в других приборах, может определить точное положение самостоятельно.
• Работают на любых орбитах.

Недостатки:

• Высокая цена.
• Не работают при быстром вращении аппарата.
• Чувствительны к засветке и помехам.

Сейчас звездные датчики используются там, где нужно знать положение аппарата очень точно — в телескопах и других научных спутниках.

Магнитометр

Сравнительно новым направлением является построение ориентации по магнитному полю Земли. Магнитометры для измерения магнитного поля часто ставились на межпланетные станции, но не использовались для построения ориентации.

Магнитное поле Земли позволяет строить ориентацию по всем трем осям

«Научный» магнитометр зондов «Пионер-10» и -11

Первый цифровой магнитометр. Эта модель появилась на станции «Мир» в 1998 г. и использовалась в посадочном модуле «Филы» зонда «Розетта»

Достоинства:

• Простота, дешевизна, надежность, компактность.
• Средняя точность, от угловых минут до нескольких угловых секунд.
• Можно строить ориентацию по всем трем осям.

Недостатки:

• Подвержен помехам в т.ч. и от оборудования космического аппарата.
• Не работает выше 10 000 км от Земли.

Простота и дешевизна магнитометров сделала их очень популярными в микроспутниках.

Гиростабилизированная платформа

Исторически, космические аппараты часто летали неориентированными или в режиме солнечной закрутки. Только в районе цели миссии они включали активные системы, строили ориентацию по трем осям и выполняли свою задачу. Но что, если нам необходимо поддерживать произвольную ориентацию длительное время? В этом случае нам надо «помнить» текущее положение и фиксировать свои повороты и маневры. А для этого человечество не придумало ничего лучше гироскопов (измеряют углы поворота) и акселерометров (измеряют линейные ускорения).
Гироскопы
Широко известно свойство гироскопа стремиться сохранить свое положение в пространстве:

Изначально гироскопы были только механическими. Но технический прогресс привел к появлению множества других типов.
Оптические гироскопы. Очень высокой точностью и отсутствием движущихся деталей отличаются оптические гироскопы — лазерные и оптоволоконные. В этом случае используется эффект Саньяка — фазовый сдвиг волн во вращающемся кольцевом интерферометре.

Лазерный гироскоп

Твердотельные волновые гироскопы. В этом случае измеряется прецессия стоячей волны резонирующего твердого тела. Не содержат движущихся частей и отличаются очень высокой точностью.

Вибрационные гироскопы. Используют для работы эффект Кориолиса — колебания одной части гироскопа при повороте отклоняют чувствительную часть:

Вибрационные гироскопы производятся в MEMS-исполнении, отличаются дешевизной и очень маленькими размерами при сравнительно неплохой точности. Именно эти гироскопы стоят в телефонах, квадрокоптерах и тому подобной технике. MEMS-гироскоп может работать и в космосе, и их ставят на микроспутники.

Размер и точность гироскопов наглядно:

Акселерометры
Конструктивно, акселерометры представляют собой весы — фиксированный груз меняет свой вес под воздействием ускорений, и датчик переводит этот вес в величину ускорения. Сейчас акселерометры кроме больших и дорогих версий обзавелись MEMS-аналогами:

Пример «большого» акселерометра

Микрофотография MEMS-акселерометра

Комбинация трех акселерометров и трех гироскопов позволяет фиксировать поворот и ускорение по всем трем осям. Такое устройство называется гиростабилизированной платформой. На заре космонавтики они были возможны только на карданном подвесе, были очень сложными и дорогими.

Гиростабилизированная платформа кораблей Apollo. Синий цилиндр на переднем плане — гироскоп. Видео испытаний платформы

Вершиной механических систем были бескарданные системы, когда платформа висела неподвижно в потоках газа. Это был хайтек, результат работы больших коллективов, очень дорогие и секретные устройства.

Сфера в центре — гиростабилизированная платформа. Система наведения МБР Peacekeeper

Ну а сейчас развитие электроники привело к тому, что платформа с пригодной для простых спутников точностью умещается на ладони, ее разрабатывают студенты, и даже публикуют исходный код.

Интересным нововведением стали MARG-платформы. В них данные с гироскопов и акселерометров дополняются магнитными датчиками, что позволяет исправлять накапливающуюся ошибку гироскопов. MARG-датчик, наверное, самый подходящий вариант для микроспутников — он маленький, простой, дешевый, не имеет движущихся частей, потребляет мало энергии, обеспечивает ориентацию по трем осям с коррекцией ошибок.
В «серьезных» системах для исправления ошибок ориентации гиростабилизированной платформы обычно используют звездные датчики.
Траекторную ошибку, как правило, исправляют системами радиоконтроля орбиты — антенны на Земле по сигналам с аппарата могут очень точно определить его положение и скорость. На низких орбитах для этого недавно появился дешевый аналог — GPS/ГЛОНАСС.

Дополнительные источники информации

Лекция «Проектирование системы ориентации и стабилизации».
Конспект «Датчики ориентации и исполнительные устройства».

По тегу «незаметные сложности» — публикации о ракетах-носителях, стартовых сооружениях, системах ориентации.

Рассекреченные мечты о звездах и планетах: что архивы расскажут о космосе

12.04.2021

Рассекреченные мечты о звездах и планетах: что архивы расскажут о космосе

«Петербургский дневник» / 12.04.2021

В Центральном государственном архиве научно-технической документации Санкт-Петербурга хранится немалое количество «космических документов». Среди них особое место занимают исследования, посвященные гироскопам – устройствам, которые могут определить собственный угол наклона относительно поверхности Земли. Гироскопы для космических кораблей начали создавать в Ленинграде – совершенно секретно.

ЗАЧЕМ НУЖЕН ГИРОСКОП?

В фондах архива хранятся документы ленинградских институтов и специалистов по различным направлениям космонавтики и ракетотехники. Почетное место здесь занимают гироскопические приборы и устройства, предназначенные для определения параметров движения и положения объектов, на которых они установлены. Сейчас гироскоп можно встретить даже в смартфоне. На Международной космической станции находится несколько гироскопов размером со стиральную машинку. С помощью них стабилизируется и меняется ориентация Международной космической станции. А зарождалось все здесь, в Ленинграде…

В 30-е годы XX века отечественная промышленность приступила к созданию основных навигационных приборов. Летом 1936 года ВСНХ СССР принял решение об организации в Ленинградском институте точной механики и оптики кафедры навигационных приборов с основным направлением — прикладная теория гироскопических приборов и устройств. В ее разработке принимали участие выдающийся ученый и кораблестроитель Алексей Крылов и основоположник применения гироприборов на флоте Борис Кудревич.

Уже в середине 50-х годов для Ленинграда начинается космическая эра. К этому времени город стал производственным центром приборостроения, в том числе гироскопического. «В Ленинграде об этом стали мечтать еще в 30-х годах. Тогда в научных учреждениях города стали разрабатываться прообразы будущих информационных и научных приборов, которые породили современную космическую отрасль», — отметила в беседе с «Петербургским дневником» заместитель директора Центрального государственного архива научно-технической документации Санкт-Петербурга Любовь Чурина.

Историю гироскопа можно проследить по документам разных фондов, которые хранятся в архиве научно-технической документации. Здесь хранятся книги, диссертации ученых, отчеты об исследованиях ученых. «Представленные документы, естественно, рассекреченные. В свое время они были совершенно секретны, потом гриф снизился до секретности. Всего четыре года прошло после Победы, страна еще фактически в руинах, а мы уже летим…» — рассказывает специалист архива.

В первых чертежах специалисты обобщают опыт, который собирался с 1930-х годов и которому предшествовала огромная работа по созданию морских навигационных приборов.

— Будущее они прогнозируют пока только в чертежах, а потом мы доходим до документов 1970-х годов — а это будут проекты уже атомных гироскопов. А здесь пока тот гироскоп, который будет использоваться для стабилизации транспорта, на котором поднимется Гагарин, он еще только в чертежах… — говорит специалист.

     

Среди документов — список награжденных сотрудников ленинградских предприятий за успешное выполнение специального задания — создание образцов ракетной техники для космического корабля «Восток-1». Кстати, все секретные учреждения шли без названия — только под номерами. «Люди совершенно разные. Обратите внимание, что в списке награждения Знаком Почета указан начальник лаборатории на втором месте, а на первом — токарь…» – отмечает специалист.

Награждали также старших мастеров, механиков, модельщиков — всех специалистов, причастных к полету первого космонавта Земли. «В чем заключалась их работа? Для этого нужно взглянуть на документ 1966 года. Разработки, которые подняли «Восток-1», были продолжены. Гироскопы становятся все сложнее: ученые разрабатывают такие приборы, которые ориентируются в пространстве по минимальному числу светил – допустим, на две планеты и одну звезду или по ближайшим планетам», — подчеркивает Любовь Чурина.

Также в архиве хранятся документы об истории создания гироскопической системы «Сфинкс», разработанной Ленинградским ЦНИИ «Электроприбор». Академик Борис Черток позже напишет: «…космический дебют Владимира Гордеева и Сергея Фармаковского закончился разработкой гироскопической системы «Сфинкс». Это была корректируемая по сигналам ИКВ система, в которую входили двухроторный гироорбитант и гирогоризонт. Уже в 1965 году «Электроприбор» поставил нам первый «Сфинкс» вместе со специальным трехосным стендом для моделирования и испытаний системы ориентации…». Владимир Гордеев стал начальником лаборатории НИИ-303 (теперь это концерн «ЦНИИ «Электроприбор»). Работа, предшествовавшая системе «Сфинкс», принесла ему медаль «За трудовую доблесть» после того, как первый человек поднялся в космос.

ТЕКСТ, ФОТО, ВИДЕО: «Петербургский дневник»

Гироскопы | ЕКА/Хаббл | ESA/Hubble

Во время обслуживания четвертой миссии астронавты заменили все шесть гироскопов Хаббла. Гироскопы важны, потому что они измеряют скорость движения Хаббла и помогают обеспечить правильное наведение телескопа во время наблюдений.

Как работают гироскопы

Гироскопы — это устройства, измеряющие скорость вращения объекта. Они необходимы, чтобы помочь Хабблу повернуться и зафиксировать новые цели.

Гироскопы поддерживают ориентацию и обеспечивают устойчивость на лодках, самолетах и ​​космических кораблях на основе углового момента. Вы можете испытать этот эффект, взяв велосипедное колесо за ось и попросив кого-нибудь покрутить колесо. Если вы попытаетесь сдвинуть ось прялки, вы почувствуете силу, противодействующую вашей попытке сдвинуть ее. Эта сила подобна той, что возникает в гироскопах при движении Хаббла.

Каждый гироскоп содержит колесо, вращающееся со скоростью 19 200 оборотов в минуту внутри герметичного цилиндра. Этот цилиндр погружен в густую жидкость, похожую на моторное масло. Тонкие, похожие на волосы провода, окруженные этой густой жидкостью, передают электричество к двигателю. Воздух под давлением кислорода, используемый для нагнетания густой жидкости в полость поплавка, содержащую эти провода, разъел провода и вызвал их разрыв. Азот под давлением, используемый в новых гироскопах, исключает попадание агрессивного кислорода.

Лучшие гироскопы в мире

Доступны несколько различных типов гироскопов: механические на шарикоподшипниках; другие конструкции, использующие свет или частоту резонирующего полушария для обнаружения движения; и газовые подшипники. Из них только газовые гироскопы предлагают сочетание чрезвычайно низкого уровня шума с очень высокой стабильностью и разрешением. Газосодержащие гироскопы являются самыми точными в мире, и Хаббл использует лучшие из доступных.

Гироскопы Хаббла необычайно стабильны и могут обнаруживать даже очень малые движения. При использовании с другими устройствами точного наведения они удерживают телескоп точно наведенным в течение длительного времени, позволяя Хабблу создавать захватывающие виды Вселенной.

Блоки датчиков скорости

Каждый блок датчиков скорости (RSU) содержит два гироскопа. Когда астронавты заменяют вышедшие из строя гироскопы, они всегда заменяют один RSU. В 1993 году во время первого сервисного полета космонавты сменили два блока. В 1999 году поменяли все три агрегата. В SM4 астронавты снова модернизируют все 3 РСУ.

Сколько нужно?

В любой момент Хабблу необходимо три из шести работающих гироскопов для обеспечения оптимальной эффективности. В августе 2005 года Хаббл начал работать в новом режиме с двумя гироскопами, чтобы продлить срок службы телескопа и убедиться, что у него есть как минимум два работающих гироскопа до 4-й миссии обслуживания. Хотя при необходимости телескоп может работать только с одним гироскопом, области неба которые на просмотре ограничены.

В течение нескольких лет после последней миссии по обслуживанию Хаббл потерял три гироскопа (все старой конструкции) до октября 2018 года. To Maneuver In Space

История астронавта Масгрейв на выходе в открытый космос к космическому телескопу Хаббл. Телескоп потерпел… [+] неудачу из-за последнего отказа гироскопа, но текущие планы должны сохранить этот незаменимый актив для астрономов в рабочем состоянии на долгие годы вперед.

НАСА / STS-61

Если вы хотите увидеть далекую Вселенную с максимально возможной чувствительностью и минимальным загрязнением, лучше всего отправиться в космос. Космический телескоп Хаббла, запущенный в апреле 1990 года, является, пожалуй, самой известной астрономической обсерваторией за всю историю человечества. Обращаясь вокруг Земли на высоте 550 километров (340 миль) со скоростью около 27 000 км/ч (17 000 миль в час), он совершает оборот вокруг нашей планеты каждые 95 минут.

Одновременно Земля вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца, которое, в свою очередь, движется через галактику со скоростью почти 0,1% скорости света. Тем не менее, каким-то образом Хабблу всегда удается стабильно и без труда наводить на свои астрономические цели, несмотря на все эти движения. Ключ в его системах наведения и, в частности, в его гироскопах. Вот как, несмотря на недавнюю неудачу, Хаббл готов продолжать раскрывать секреты Вселенной еще долгие годы.

900:40 На этом изображении показано, как Хаббл обслуживает астронавтов Миссии 4, тренирующихся на модели Хаббла под водой в… [+] Лаборатория нейтральной плавучести в Хьюстоне под бдительным присмотром инженеров НАСА и дайверов. Миссия 2009 года была последним разом, когда можно было обслуживать космический телескоп Хаббл.

Указание на один объект, не колеблясь и не колеблясь, — непростая задача. Благодаря своему расположению в космосе, Хабблу не приходится бороться с атмосферой, а это означает, что его разрешение и возможности получения изображений ограничены только оптикой и приборами на борту. Последняя модернизация в 2009 г., с последней миссией обслуживания Хаббла, выполненной с космического корабля “Шаттл”, Хаббл способен доставлять изображения с точностью всего в несколько миллионных долей градуса.

Но одна из главных задач — обеспечить устойчивое и точное направление всего телескопа. С этой целью космический телескоп Хаббла был разработан для захвата цели и удержания ее положения с точностью всего 0,007 угловых секунды. Чтобы понять, насколько это впечатляет, это эквивалент наведения лазерного луча на четвертак и обязательного попадания в глаз Джорджа Вашингтона с расстояния 14 километров (8,7 миль).

Четвертьдолларовая монета Соединенных Штатов является самой крупной из четырех основных монет Соединенных Штатов, находящихся… [+] в обращении, но глаз Джорджа Вашингтона чрезвычайно мал. Если бы вы могли поразить глаз лазерной указкой с расстояния 14 км и удерживать это положение, вы бы достигли точности космического телескопа Хаббла. (Фото без лицензионных платежей / Getty Images)

Здесь, на Земле, мы считаем само собой разумеющимся, насколько легко ориентироваться во всем. Мы можем направить все, что захотим, в любом направлении, просто манипулируя им вручную или с помощью машины.

Но единственная причина, по которой мы можем это сделать, заключается в том, что нам есть на что опереться: на Землю. Когда вы прикладываете силу к какому-либо объекту, этот объект отталкивается от вас с равной и противоположной силой. Это из-за закона, впервые открытого Ньютоном, согласно которому каждое действие имеет равное и противоположное противодействие.

Ракета “Союз-2.1а” стартует 19 апреля 2013 г. с Бион-М №1. Обратите внимание на реакцию выхлопа… [+] на действие разгона космического корабля, пример третьего закона Ньютона .

Роскосмос

Но в космосе больше не на что напирать. Как бы вы ни двигались, включая как прямолинейное, так и вращательное движение, вы будете продолжать двигаться именно так. Единственными внешними силами являются гравитация и очень небольшая сила сопротивления атомов и частиц, существующих в межпланетном пространстве.

Если бы вы застряли лицом к солнцу и хотели отвернуться, вы бы не смогли. Если вы не вращаетесь, вы не можете начать вращаться, потому что вам не на что напирать. И точно так же, если вы вращаетесь, вы не можете замедлить себя, потому что вам также не во что упираться. Независимо от того, являетесь ли вы объектом в состоянии покоя или объектом в движении, единственный способ, которым это изменится, — это наличие внешней силы.

В изоляции любая система, будь то в покое или в движении, включая угловое движение, не сможет… [+] изменить это движение без внешней силы. В космосе ваши возможности ограничены, но даже на Международной космической станции один компонент (например, астронавт) может толкать другой компонент (например, другого астронавта), чтобы изменить движение отдельного компонента.

НАСА/Международная космическая станция

Это сработает, если у вас есть второй объект в космосе, который вы можете оттолкнуть. Астронавты на борту Международной космической станции могут столкнуться с корпусом станции или другого астронавта и изменить свой импульс или угловой момент. Цена? Все, на что вы наталкиваетесь, должно изменить свой импульс или угловой момент на равную и противоположную величину.

Итак, что же делать, если вы космический телескоп, и вам не на что опереться?

Хаббл использует очень простую физику, чтобы поворачиваться и смотреть на разные части неба…. [+] На телескопе расположены шесть гироскопов (которые, как компас, всегда указывают в одном направлении) и четыре свободно вращающиеся рулевые устройства, называемые реактивными колесами.

НАСА, ЕКА, А. Фейлд и К. Кордес (STScI) и Lockheed Martin

Внутри вас должен быть компонент, от которого вы отталкиваетесь, чтобы изменить свое движение. Например, если бы вы были один в космосе, повернув нижнюю часть тела по часовой стрелке, вы могли бы заставить верхнюю часть тела повернуться против часовой стрелки; вы можете оттолкнуться от другой части тела, чтобы изменить ориентацию.

В космическом телескопе у нас нет разных компонентов тела для работы, но у нас есть разные компоненты телескопа. А в случае с Хабблом у нас есть целая система наведения, построенная на этом принципе.

Реактивные колеса позволяют ему менять ориентацию, а датчик точного наведения позволяет ему определять, как ориентироваться. По данным самого НАСА:

Чтобы изменить угол, он использует третий закон Ньютона, вращая колеса в противоположном направлении. Он вращается со скоростью минутной стрелки часов, и ему требуется 15 минут, чтобы повернуться на 90 градусов.

Но для стабильной работы телескопа нужен ключевой компонент: гироскопы.

Сверхточный лазерный гироскоп разработан Российским научно-исследовательским и конструкторским… [+] объединением “Полюс”, как показано здесь на фото 2002 года. Гироскопы на Хаббле еще более совершенны и во многом являются самыми точными в истории человечества. (Совфото/UIG через Getty Images)

Без этих гироскопов крошечные внешние силы заставили бы ориентацию Хаббла смещаться с течением времени и сделали бы невозможным получение изображений с длинной выдержкой. Но с ними мы можем поддерживать стабильность телескопа.

В 2009 году, во время последней миссии по обслуживанию, все шесть гироскопов Хаббла были заменены в надежде максимально продлить срок их службы. Гироскопы сохраняют ориентацию и обеспечивают стабильность, отталкивая любую силу, которая пытается изменить его ориентацию. Для Хаббла каждый гироскоп содержит колесо, которое вращается со скоростью 19200 об/мин, а для оптимальной эффективности работы требуется три. Причина, по которой нам нужны три, проста: в пространстве есть три измерения, а значит, три независимых способа, которыми космический корабль потенциально может изменить свою ориентацию. При одновременной работе трех гироскопов мы можем добиться максимальной стабильности.

Космический телескоп Хаббл, снимок во время его последней и последней миссии по обслуживанию. Единственный способ, которым он… [+] может указать себя, это внутренние вращающиеся устройства, которые позволяют ему менять свою ориентацию и сохранять устойчивое положение.

НАСА

5 октября 2018 года космический телескоп Хаббл перешел в безопасный режим из-за того, что один из трех гироскопов, активно используемых для наведения и стабилизации телескопа, вышел из строя. Инженеры решали подобные проблемы раньше, с земли, запустив еще один из бортовых гироскопов и переключив три из них для стабилизации обсерватории. Вышедший из строя гироскоп не был чем-то удивительным; он показывал признаки неисправности около года.

Но уже есть два других гироскопа, которые вышли из строя из шести замененных, и еще один, который уже показал признаки неисправности. С двумя исправными гироскопами и одним частично неисправным, это торжественное напоминание о том, что Хаббл не будет жить вечно, особенно если человечество не сможет снова его обслуживать.

По мере того, как мы изучаем все больше и больше Вселенной, мы можем заглянуть все дальше в космос, что… [+] соответствует более далекому прошлому. Космический телескоп Джеймса Уэбба перенесет нас прямо на глубины, с которыми наши современные средства наблюдения не могут сравниться, но, возможно, Хаббл и Уэбб смогут объединиться в 2020-х годах, чтобы проводить многоволновые наблюдения, которые ни одна обсерватория не может делать в одиночку.

Команды NASA/JWST и HST

С двумя полностью функционирующими гироскопами команда, работающая с Хабблом, переключится на окончательный план: работа в режиме одного гироскопа. С тремя гироскопами вы можете наводиться куда угодно и поддерживать стабильность своей обсерватории; с меньшим, чем это, ваш взгляд на небо внезапно становится ограниченным.

Вот почему план состоит в том, чтобы попытаться дистанционно починить частично неисправный гироскоп. Если вам это удастся, у вас будет три функционирующих гироскопа, и Хаббл сможет продолжать работать в обычном режиме. Если они не могут вылечить частично неисправный гироскоп, они отключат питание одного из работающих гироскопов и сохранят его. Вы можете наблюдать почти столько же неба с одним гироскопом, сколько и с двумя, но вы фактически удваиваете оставшийся срок службы вашего телескопа, используя один гироскоп за раз, а не два вместе. За счет уменьшения охвата неба и замедления времени наведения вы можете продлить срок службы Хаббла.

Эта фотография развернутого космического телескопа Хаббл 25 апреля 1990 года была сделана камерой IMAX… [+] Камера грузового отсека (ICBC), установленная на борту космического корабля “Дискавери”. Эксплуатируется более 28 лет, но не обслуживался с 2009 года.

NASA/Smithsonian Institution/Lockheed Corporation

Может показаться, что это просто еще один пример разрушающейся инфраструктуры в Соединенных Штатах, но вы не должны недооценивать ни Хаббла, ни находчивость астрономов, ученых и инженеров в целом. Два (или, может быть, три) оставшихся гироскопа имеют новую и модернизированную конструкцию, рассчитанную на то, чтобы служить в пять раз дольше, чем оригинальные гироскопы, включая тот, который недавно вышел из строя.