عجلة رد الفعل

عجلة رد الفعل ( RW ) هي محرك كهربائي متصل بعجلة دولاب ، وعند تغيير سرعة دورانها، فإنها تُحدث دورانًا معاكسًا يتناسب مع سرعة دورانها، وذلك من خلال قانون حفظ الزخم الزاوي . ^{[ 1 ]} لا تستطيع عجلة رد الفعل الدوران إلا حول مركز كتلتها ؛ فهي غير قادرة على الانتقال من مكان إلى آخر ( قوة انتقالية ).

تُستخدم عجلات رد الفعل بشكل أساسي في المركبات الفضائية للتحكم الدقيق في وضعيتها على ثلاثة محاور ، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لإيقاف دورانها بسرعة . لا تتطلب عجلات رد الفعل صواريخ أو أدوات خارجية لتطبيق عزم الدوران ، مما يقلل من نسبة الكتلة اللازمة للوقود. توفر هذه العجلات دقة عالية في التوجيه، ^{[ 2 ] : 362} ، وهي مفيدة بشكل خاص عندما يتعين تدوير المركبة الفضائية بمقادير صغيرة جدًا، كما هو الحال عند توجيه تلسكوب نحو نجم.

تُشغَّل عجلة رد الفعل أحيانًا بسرعة دوران ثابتة (أو شبه ثابتة) لتزويد القمر الصناعي بكمية كبيرة من الزخم الزاوي المُخزَّن . يُغيِّر هذا من ديناميكيات دوران المركبة الفضائية بحيث لا تُؤدي عزمات الاضطراب العمودية على أحد محاور القمر الصناعي (المحور الموازي لمحور دوران العجلة) مباشرةً إلى حركة زاوية للمركبة الفضائية حول نفس محور عزم الاضطراب؛ بل تُؤدي إلى حركة زاوية (أصغر عمومًا) ( ترنح ) لمحور المركبة الفضائية حول محور عمودي. يُؤدي هذا إلى تثبيت محور المركبة الفضائية ليُشير إلى اتجاه شبه ثابت، ^{[ 2 ] : 362} مما يسمح بنظام تحكم في الوضعية أقل تعقيدًا. من بين الأقمار الصناعية التي تستخدم نهج التثبيت هذا "المُنحاز للزخم" القمر الصناعي SCISAT-1 ؛ فمن خلال توجيه محور عجلة الزخم ليكون موازيًا لمتجه العمودي على المدار، يكون هذا القمر الصناعي في تكوين "انحياز زخم الميل". يمكن أيضًا استخدام عجلات رد الفعل أثناء مرحلة التهدئة لتثبيت المركبة الفضائية بعد انفصال الصاروخ أو وقوع حدث غير متوقع.

للتحكم ثلاثي المحاور، يجب تركيب عجلات رد الفعل على طول ثلاثة اتجاهات على الأقل، مع وجود عجلات إضافية لتوفير نظام تحكم احتياطي في الوضع. يمكن أن يتكون تكوين التركيب الاحتياطي من أربع عجلات على طول محاور رباعية الأوجه، ^{[ 3 ]} أو عجلة احتياطية محمولة بالإضافة إلى تكوين ثلاثي المحاور. ^{[ 2 ] : 369} يتم التحكم في تغييرات السرعة (في أي اتجاه) إلكترونيًا بواسطة الحاسوب. تحدد قوة المواد المستخدمة في عجلة رد الفعل السرعة التي ستتفكك عندها العجلة، وبالتالي مقدار الزخم الزاوي الذي يمكنها تخزينه.

بما أن عجلة رد الفعل تشكل جزءًا صغيرًا من الكتلة الإجمالية للمركبة الفضائية، يسهل التحكم بها، فإن التغيرات المؤقتة في سرعتها تؤدي إلى تغيرات طفيفة في الزاوية. ولذلك، تسمح هذه العجلات بإجراء تغييرات دقيقة للغاية في وضعية المركبة الفضائية . لهذا السبب، تُستخدم عجلات رد الفعل غالبًا لتوجيه المركبات الفضائية التي تحمل كاميرات أو تلسكوبات.

بمرور الوقت، قد تتراكم في عجلات التفاعل كمية كافية من الزخم المخزن لتتجاوز سرعتها القصوى، وهو ما يُعرف بالتشبع. مع ذلك، فإن إبطاء العجلات يُولّد عزم دوران يُسبب دورانًا غير مرغوب فيه. لذا، يُكمّل المصممون أنظمة عجلات التفاعل بآليات أخرى للتحكم في الوضع لإلغاء عزم الدوران الناتج عن "إزالة التشبع" من عجلات التفاعل. ^{[ 4 ]} عادةً ما يستخدم المصممون " أنظمة التحكم في التفاعل ": وهي عبارة عن مصفوفات من محركات الصواريخ الكيميائية الصغيرة التي تعمل عند تباطؤ العجلات لموازنة عزم الدوران الذي تُولّده العجلات على المركبة الفضائية أثناء تباطؤها. ^{[ 4 ]}

طُوِّرت مع مرور الوقت طرقٌ أكثر كفاءةً في استهلاك الوقود لإزالة تشبع عجلات التفاعل. ومن خلال تقليل كمية الوقود اللازمة لإطلاق المركبة الفضائية، تزداد الحمولة المفيدة التي يمكن إيصالها إلى المدار. تشمل هذه الطرق المحركات المغناطيسية (المعروفة أيضًا باسم قضبان العزم)، التي تنقل الزخم الزاوي إلى الأرض عبر مجالها المغناطيسي الكوكبي، ولا تتطلب سوى الطاقة الكهربائية دون وقود. ^{[ 2 ] : 368} إلا أنها تقتصر على مناطق الفضاء ذات المجال المغناطيسي القوي بما فيه الكفاية (كما هو الحال في المدار الأرضي المنخفض ). في حال عدم وجود مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية، فإنّ الخيار الأكثر كفاءةً هو استخدام محركات الدفع عالية الكفاءة، مثل محركات الدفع الأيونية .

أُطلق مسبار بيريشيت على متن صاروخ فالكون 9 في 22 فبراير 2019 الساعة 1:45 بالتوقيت العالمي المنسق، ^{[ 5 ]} بهدف الهبوط على سطح القمر . يستخدم بيريشيت تقنية نقل الطاقة المنخفضة لتوفير الوقود. ومنذ مناورته الرابعة ^{[ 6 ]} في مداره الإهليلجي، ولتجنب الاهتزازات عند انخفاض كمية الوقود السائل، كان لا بد من استخدام عجلة رد فعل.

يحتوي تلسكوب جيمس ويب الفضائي على ست عجلات تفاعلية صنعتها شركة روكويل كولينز دويتشلاند. ^{[ 7 ]}

أُطلق مشروع LightSail 2 في 25 يونيو 2019، وهو مشروع قائم على مفهوم الشراع الشمسي . يستخدم LightSail 2 نظام عجلة رد فعل لتغيير اتجاهه بمقادير ضئيلة للغاية، مما يسمح له باستقبال كميات مختلفة من الزخم من الضوء عبر الشراع، ما يؤدي إلى ارتفاع أعلى. ^{[ 8 ]}

قد يؤدي تعطل عجلة أو أكثر من عجلات التفاعل إلى فقدان المركبة الفضائية قدرتها على الحفاظ على وضعها (اتجاهها)، مما قد يتسبب في فشل المهمة. وخلصت دراسات حديثة إلى أن هذه الأعطال قد تكون مرتبطة بتأثيرات الطقس الفضائي . ومن المرجح أن هذه الأحداث تسببت في الأعطال عن طريق إحداث تفريغ كهربائي ساكن في محامل الكرات الفولاذية لعجلات إيثاكو ، مما أثر سلبًا على سلاسة عمل الآلية. ^{[ 9 ]} وتأكيدًا لهذه الفرضية، فإن عجلات التفاعل الأحدث مزودة بمحامل خزفية غير موصلة، ولم يُسجل أي عطل من هذا النوع فيها.

في مهمتين للصيانة لتلسكوب هابل الفضائي ، تم استبدال عجلة رد فعل. ففي فبراير 1997، استبدلت مهمة الصيانة الثانية ( STS-82 ) عجلة رد فعل ^{[ 10 ]} بعد حدوث "خلل كهربائي"، وليس بسبب أي مشكلة ميكانيكية. ^{[ 11 ]} وقد أتاحت دراسة الآلية المُستعادة فرصة نادرة لدراسة معدات خضعت لخدمة طويلة الأمد (سبع سنوات) في الفضاء، ولا سيما تأثير الفراغ على مواد التشحيم . ووجد أن مركب التشحيم في "حالة ممتازة". ^{[ 11 ]} وفي عام 2002، خلال مهمة الصيانة 3B ( STS-109 )، استبدل رواد فضاء مكوك كولومبيا عجلة رد فعل أخرى. ^{[ 10 ]} ولم تتعطل أي من هاتين العجلتين، وقد صُمم تلسكوب هابل بأربع عجلات احتياطية، وحافظ على قدرته على التوجيه طالما كانت ثلاث منها تعمل. ^{[ 12 ]}

في عام 2004، وخلال مهمة مركبة الفضاء هايابوسا ، تعطلت عجلة رد الفعل على المحور السيني. وفي عام 2005، تعطلت عجلة المحور الصادي، مما اضطر المركبة إلى الاعتماد على المحركات الكيميائية للحفاظ على التحكم في وضعها. ^{[ 13 ]}

في الفترة من يوليو 2012 إلى 11 مايو 2013، تعطلت عجلتان من عجلات التفاعل الأربع في تلسكوب كيبلر الفضائي . أثر هذا العطل بشدة على قدرة كيبلر على الحفاظ على توجيه دقيق بما يكفي لمواصلة مهمته الأصلية. ^{[ 14 ]} في 15 أغسطس 2013، خلص المهندسون إلى أنه لا يمكن استعادة عجلات التفاعل الخاصة بكيبلر، وأن البحث عن الكواكب باستخدام طريقة العبور (قياس التغيرات في سطوع النجوم الناتجة عن الكواكب التي تدور حولها) لا يمكن أن يستمر. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} على الرغم من أن عجلات التفاعل المعطلة لا تزال تعمل، إلا أنها تتعرض لاحتكاك يتجاوز المستويات المقبولة، مما يعيق بالتالي قدرة التلسكوب على توجيه نفسه بشكل صحيح. أُعيد تلسكوب كيبلر إلى "حالة السكون النقطي"، وهي حالة مستقرة تستخدم كميات صغيرة من وقود الدفع لتعويض عجلات التفاعل المعطلة، بينما كان فريق كيبلر يدرس استخدامات بديلة له لا تتطلب الدقة المتناهية في توجيهه التي كانت مطلوبة في المهمة الأصلية. ^{[ 19 ]} في 16 مايو 2014، مددت وكالة ناسا مهمة كيبلر إلى مهمة جديدة تُسمى K2 ، والتي تستخدم كيبلر بطريقة مختلفة، لكنها تسمح له بمواصلة البحث عن الكواكب الخارجية . ^{[ 20 ]} في 30 أكتوبر 2018، أعلنت ناسا نهاية مهمة كيبلر بعد أن تبين نفاد مخزون الوقود. ^{[ 21 ]}

في يونيو 2010، واجهت مركبة الفضاء "دون" التابعة لناسا احتكاكًا زائدًا في إحدى عجلات التفاعل. وكان من المقرر أصلاً أن تغادر المركبة "فيستا" وتبدأ رحلتها التي تستغرق عامين ونصف إلى "سيريس" في 26 أغسطس 2012؛ ^{[ 22 ]} إلا أن مشكلة في عجلة تفاعل أخرى أجبرت "دون" على تأجيل مغادرتها لجاذبية "فيستا" لفترة وجيزة حتى 5 سبتمبر 2012، وكان من المخطط استخدام محركات الدفع النفاثة بدلاً من عجلات التفاعل خلال الرحلة التي تستغرق ثلاث سنوات إلى "سيريس". ^{[ 22 ]} وقد حدّ فقدان عجلات التفاعل من قدرة الكاميرات على رصد اقتراب المركبة من "سيريس".

مساء الثلاثاء 18 يناير/كانون الثاني 2022، تسبب عطل محتمل في إحدى عجلات التفاعل الخاصة بمرصد سويفت في قيام فريق التحكم بإيقاف تشغيل العجلة المشتبه بها، ووضع المرصد في وضع الأمان كإجراء احترازي. وكانت هذه هي المرة الأولى التي تتعطل فيها عجلة تفاعل في سويفت منذ 17 عامًا. واستأنف سويفت عملياته العلمية في 17 فبراير/شباط 2022. ^{[ 23 ]}

الجيروسكوب ذو عزم التحكم (CMG) هو نوع مشابه ولكنه مختلف من محركات تحديد الاتجاه، ويتكون عادةً من عجلة عزم مثبتة في محور دوران أحادي أو ثنائي المحور . [ ^{2 ] : 362 عند} تركيبه على مركبة فضائية صلبة، يؤدي تطبيق عزم دوران ثابت على العجلة باستخدام أحد محركات محور الدوران إلى توليد المركبة الفضائية سرعة زاوية ثابتة حول محور عمودي، مما يسمح بالتحكم في اتجاه توجيهها. تتميز الجيروسكوبات ذات عزم التحكم بقدرتها على إنتاج عزم دوران مستدام أكبر من عجلات الدوران مع تسخين أقل للمحرك، وتُستخدم بشكل تفضيلي في المركبات الفضائية الأكبر حجمًا أو الأكثر مرونة (أو كليهما)، بما في ذلك سكايلاب ومير ومحطة الفضاء الدولية .

• كولينز إيروسبيس – شركة تصنيع الطائرات 
• نظام التحكم في رد الفعل – محركات الدفع المستخدمة في المركبات الفضائية لتوفير التحكم في الوضع والانتقال 
• روسات – تلسكوب الأشعة السينية الفضائي 
• دفع المركبات الفضائية – طريقة تستخدم لتسريع المركبات الفضائية 

• تسيوتراس، ب.؛ شين، هـ.؛ هول، سي دي (2001). "التحكم في وضعية القمر الصناعي وتتبع الطاقة باستخدام عجلات الطاقة/الزخم" (ملف PDF) . مجلة التوجيه والتحكم والديناميكا . 43 (1): 23-34 . رمز Bibcode : 2001JGCD...24...23T . CiteSeerX 10.1.1.486.3386 . doi : 10.2514/2.4705 . ISSN 0731-5090 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 26-10-2017 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-10-2017 .  
• سينكلير، دوغ؛ غرانت، سي. كورديل؛ زي، روبرت إي. (2007). "تمكين تقنية عجلة رد الفعل للتحكم عالي الأداء في وضعية الأقمار النانوية" (ملف PDF) .
• "عجلة التفاعل في شركة وولفرام للأبحاث" . يونيو 2008.
• ماركلي، إف. لانديس؛ ريد جي. رينولدز؛ فرانك إكس. ليو؛ كينيث إل. ليبسوك (2009). "أغلفة عزم الدوران والزخم القصوى لمصفوفات عجلات رد الفعل" (ملف PDF) . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 9 أكتوبر 2022.