Sungguh menakjubkan untuk berpikir ada teleskop di ruang angkasa, saat ini, mengarahkan pandangan mereka pada objek yang jauh selama berjam-jam, berhari-hari dan bahkan berminggu-minggu. Memberikan sudut pandang yang sangat stabil dan akurat sehingga kita dapat mempelajari detail tentang galaksi, planet ekstrasurya, dan lainnya.
Dan kemudian, ketika waktunya habis, pesawat ruang angkasa dapat mengalihkan pandangannya ke arah lain. Semua tanpa menggunakan bahan bakar.
Semuanya berkat teknologi roda reaksi dan giroskop. Mari kita bicara tentang bagaimana mereka bekerja, bagaimana mereka berbeda, dan bagaimana kegagalan mereka telah mengakhiri misi di masa lalu.
Inilah jawaban cepatnya. Roda reaksi memungkinkan pesawat ruang angkasa untuk mengubah orientasi mereka di ruang angkasa, sementara giroskop menjaga teleskop sangat stabil, sehingga mereka dapat menunjuk ke target dengan akurasi tinggi.
Jika Anda cukup banyak mendengarkan episode Pemain Astronomi, Anda tahu saya selalu mengeluh tentang roda reaksi. Tampaknya selalu menjadi titik kegagalan dalam misi, mengakhiri mereka sebelum waktunya sebelum sains ada di dalamnya.
Saya mungkin menggunakan istilah roda reaksi dan giroskop secara bergantian di masa lalu, tetapi mereka memiliki tujuan yang sedikit berbeda.
Pertama, mari kita bicara tentang roda reaksi. Ini adalah jenis roda gila yang digunakan untuk mengubah orientasi pesawat ruang angkasa. Pikirkan tentang teleskop ruang angkasa yang perlu beralih dari target ke target, atau pesawat ruang angkasa yang perlu mengubah dirinya kembali ke Bumi untuk mengkomunikasikan data.
Mereka juga dikenal sebagai roda momentum.
Tidak ada hambatan udara di ruang angkasa. Ketika sebuah roda berputar ke satu arah, seluruh teleskop berputar ke arah yang berlawanan, berkat Hukum Ketiga Newton - Anda tahu, untuk setiap tindakan, ada reaksi yang sama dan berlawanan. Dengan roda yang berputar di ketiga arah, Anda dapat memutar teleskop ke arah mana pun yang Anda suka.
Roda dipasang di tempat dan berputar antara 1.000 dan 4.000 putaran per menit, membangun momentum sudut di pesawat ruang angkasa. Untuk mengubah orientasi pesawat ruang angkasa, mereka mengubah tingkat di mana roda berputar.
Ini menciptakan torsi yang menyebabkan pesawat ruang angkasa menggeser orientasinya, atau presesi, ke arah yang dipilih.
Teknologi ini hanya bekerja dengan listrik, yang berarti Anda tidak perlu menggunakan propelan untuk mengubah orientasi teleskop. Selama Anda memiliki cukup rotor yang berputar, Anda dapat terus mengubah arah, hanya menggunakan daya dari Matahari.
Roda reaksi digunakan pada hampir setiap pesawat ruang angkasa di luar sana, dari Cubesats kecil hingga Teleskop Luar Angkasa Hubble.
Dengan tiga roda, Anda dapat mengubah orientasi ke titik mana pun dalam 3 dimensi. Tetapi LightSail 2 Planetary Society hanya memiliki roda momentum tunggal untuk mengubah orientasi layar matahari, dari tepi ke matahari dan kemudian melebar untuk menaikkan orbitnya hanya dengan sinar matahari.
Tentu saja, kita paling akrab dengan roda reaksi karena saat-saat mereka gagal, mengeluarkan pesawat ruang angkasa dari komisi. Misi seperti FUSE dan JAXA's Hayabusa.
Kehilangan Roda Reaksi Kepler dan Solusi Cerdas
Yang paling terkenal, Teleskop Luar Angkasa Kepler NASA, diluncurkan pada 9 Maret 2009 untuk menemukan planet yang mengorbit bintang lain. Kepler dilengkapi dengan 4 roda reaksi. Tiga diperlukan untuk menjaga teleskop menunjuk dengan hati-hati di wilayah langit, dan kemudian cadangan.
Ia mengawasi bintang mana pun di bidang pandangnya untuk mengubah kecerahan dengan faktor 1 banding 10.000, yang mengindikasikan bahwa sebuah planet bisa lewat di depan. Untuk menghemat bandwidth, Kepler sebenarnya hanya mentransmisikan informasi tentang perubahan kecerahan bintang itu sendiri.
Pada Juli 2012, salah satu dari empat roda reaksi Kepler gagal. Masih ada tiga, yang merupakan minimum yang diperlukan untuk bisa cukup stabil untuk melanjutkan pengamatannya. Dan kemudian pada bulan Mei 2013, NASA mengumumkan bahwa Kepler mengalami kegagalan dengan roda yang lain. Jadi tinggal dua.
Ini menghentikan operasi sains utama Kepler. Dengan hanya dua roda yang beroperasi, ia tidak bisa lagi mempertahankan posisinya cukup akurat untuk melacak kecerahan bintang.
Meskipun misi itu bisa saja gagal, para insinyur menemukan strategi yang cerdik, menggunakan tekanan ringan dari Matahari untuk bertindak sebagai kekuatan dalam satu poros. Dengan menyeimbangkan dengan sempurna pesawat ruang angkasa di bawah sinar matahari, mereka dapat terus menggunakan dua roda reaksi lainnya untuk terus melakukan pengamatan.
Tetapi Kepler terpaksa melihat titik kecil di langit yang kebetulan sejajar dengan orientasi barunya, dan menggeser misi sainsnya untuk mencari planet yang mengorbit bintang katai merah. Itu menggunakan propelan onboard, kembali ke Bumi untuk mengirimkan data. Kepler akhirnya kehabisan bahan bakar pada 30 Oktober 2018, dan NASA menyelesaikan misinya.
Pada saat yang sama ketika Kepler berjuang dengan roda reaksinya, misi Dawn NASA mengalami masalah dengan roda reaksi yang sama persis.
Kehilangan Roda Reaksi Dawn
Dawn diluncurkan pada 27 September 2007 dengan tujuan menjelajahi dua asteroid terbesar di Tata Surya: Vesta dan Ceres. Pesawat ruang angkasa itu pergi ke orbit di sekitar Vesta pada Juli 2011 dan menghabiskan tahun berikutnya mempelajari dan memetakan dunia.
Seharusnya meninggalkan Vesta dan berangkat ke Ceres pada Agustus 2012, tetapi keberangkatan ditunda lebih dari sebulan karena masalah dengan roda reaksinya. Mulai tahun 2010, para insinyur mendeteksi semakin banyak gesekan pada salah satu rodanya, sehingga pesawat ruang angkasa beralih ke tiga roda yang berfungsi.
Dan kemudian pada tahun 2012, roda kedua mulai mendapatkan gesekan juga, dan pesawat ruang angkasa dibiarkan dengan hanya dua roda yang tersisa. Tidak cukup untuk tetap berorientasi sepenuhnya di ruang angkasa menggunakan listrik saja. Ini berarti ia harus mulai menggunakan propelan hidrazinnya untuk mempertahankan orientasinya selama sisa misinya.
Dawn berhasil mencapai Ceres, dan melalui penggunaan propelan yang hati-hati ia dapat memetakan dunia ini, dan fitur permukaannya yang aneh. Akhirnya, pada akhir 2018, pesawat ruang angkasa itu keluar dari propelan, dan itu tidak lagi dapat mempertahankan orientasinya, untuk memetakan Ceres atau mengirim sinyal kembali ke Bumi.
Pesawat ruang angkasa akan terus mengorbit Ceres, jatuh tanpa daya.
Ada daftar panjang misi yang roda reaksinya gagal. Dan sekarang para ilmuwan berpikir mereka tahu sebabnya. Ada sebuah makalah yang dirilis pada tahun 2017 yang menentukan bahwa lingkungan ruang itu sendiri yang menyebabkan masalah. Ketika badai geomagnetik melewati pesawat ruang angkasa, mereka menghasilkan muatan pada roda reaksi yang menyebabkan peningkatan gesekan dan membuat mereka cepat aus.
Saya akan memasang tautan ke video hebat oleh Scott Manley yang menjelaskan lebih detail.
Teleskop Luar Angkasa Hubble dan Giroskopnya
Teleskop luar angkasa Hubble dilengkapi dengan roda reaksi untuk mengubah orientasi keseluruhannya, memutar seluruh teleskop dengan kecepatan satu menit pada jarum jam - 90 derajat dalam 15 menit.
Tetapi untuk tetap menunjuk pada satu target, ia menggunakan teknologi lain: giroskop.
Ada 6 giroskop pada Hubble yang berputar pada 19.200 putaran per menit. Mereka besar, besar, dan berputar sangat cepat sehingga kelembaman mereka menolak setiap perubahan pada orientasi teleskop. Ini bekerja paling baik dengan tiga - mencocokkan tiga dimensi ruang - tetapi dapat beroperasi dengan dua, atau bahkan satu, dengan hasil yang kurang akurat.
Pada bulan Agustus 2005, giroskop Hubble mulai berkurang, dan NASA beralih ke mode dua-giroskop. Pada 2009, selama Servicing Mission 4, para astronot NASA mengunjungi teleskop luar angkasa dan mengganti keenam giroskopnya.
Ini kemungkinan terakhir kali para astronot akan mengunjungi Hubble, dan masa depannya tergantung pada berapa lama giroskop ini bertahan.
Bagaimana dengan James Webb?
Saya tahu bahwa hanya menyebutkan James Webb Space Telescope membuat semua orang gugup. Lebih dari $ 8 miliar dolar diinvestasikan sejauh ini dan akan diluncurkan sekitar dua tahun dari sekarang. Ini akan terbang ke titik Lagrange L2 Bumi-Matahari, yang terletak sekitar 1,5 juta kilometer jauhnya dari Bumi.
Tidak seperti Hubble, tidak ada cara untuk menerbangkan James Webb untuk memperbaikinya jika terjadi kesalahan. Dan melihat seberapa sering giroskop gagal, ini sepertinya merupakan titik lemah yang berbahaya. Bagaimana jika gyro James Webb gagal? Bagaimana kita bisa menggantinya.
James Webb memang memiliki roda reaksi di papan tulis. Mereka dibuat oleh Rockwell Collins Deutschland, dan mirip dengan roda reaksi di atas misi NASA Chandra, EOS Aqua, dan Aura - jadi teknologi yang berbeda dari roda reaksi yang gagal pada Dawn dan Kepler. Misi Aura memberikan ketakutan pada tahun 2016 ketika salah satu roda reaksinya berputar, tetapi pulih setelah sepuluh hari.
James Webb tidak menggunakan giroskop mekanik seperti Hubble untuk menjaganya tetap pada sasaran. Sebagai gantinya, ia menggunakan teknologi berbeda yang disebut hemispherical resonator gyros, atau HRGs.
Ini menggunakan belahan kuarsa yang telah dibentuk sangat tepat sehingga beresonansi dengan cara yang sangat mudah diprediksi. Belahan dikelilingi oleh elektroda yang menggerakkan resonansi, tetapi juga mendeteksi sedikit perubahan dalam orientasinya.
Saya tahu suara seperti itu seperti omong kosong, seperti itu didukung oleh mimpi unicorn, tetapi Anda bisa mengalaminya sendiri.
Pegang gelas anggur dan jentikkan dengan jari Anda sehingga berdering. Dering adalah gelas anggur yang tertekuk ke sana ke mari pada frekuensi resonansinya. Saat Anda memutar gelas, penekukan bolak-balik juga berubah, tetapi tertinggal di belakang orientasi dengan cara yang sangat mudah diprediksi.
Ketika osilasi ini terjadi ribuan kali per detik dalam kristal kuarsa, dimungkinkan untuk mendeteksi gerakan kecil dan kemudian menghitungnya.
Begitulah James Webb akan tetap terkunci pada targetnya.
Teknologi ini telah terbang pada misi Cassini di Saturnus dan bekerja dengan sempurna. Bahkan, pada Juni 2011, NASA telah melaporkan bahwa instrumen ini telah mengalami 18 juta jam operasi terus menerus di ruang angkasa di lebih dari 125 pesawat ruang angkasa yang berbeda tanpa kegagalan tunggal. Ini sebenarnya sangat bisa diandalkan.
Saya harap itu beres. Reaksi atau momentum roda digunakan untuk mengarahkan kembali pesawat ruang angkasa di ruang angkasa, sehingga mereka dapat menghadap ke arah yang berbeda tanpa menggunakan propelan.
Giroskop digunakan untuk menjaga teleskop ruang angkasa secara akurat menunjuk pada target, untuk memberikan data ilmiah terbaik. Mereka bisa berupa roda pemintalan mekanis, atau mereka menggunakan resonansi kristal getar untuk mendeteksi perubahan inersia.
