Warum fallen Reaktionsräder so "häufig" aus?

[Hintergrund: Ich schreibe dies als Entwickler, dessen Firmware auf mehreren bedeutenden Satellitenmissionen im Flug ist. Ich habe Lageregelungssysteme entwickelt und dabei direkt mit RW-Hardware-Ingenieuren zusammengearbeitet.]

Wie Hash sagt, gibt es bei herkömmlichen mechanisch gelagerten Reaktionsrädern ein Problem mit der Schmiermittelverteilung. Die Folge ist ein erhöhter Verschleiß, der zu Abriebpartikeln führt, die in den Schmierstoff eingebettet werden und den Verschleißprozess weiter beschleunigen.

Dafür gibt es eine Lösung: magnetgelagerte RWs. Diese haben keinen physischen Kontakt zwischen dem Rotor und der statischen Baugruppe und haben daher eine mechanisch unbegrenzte Lebensdauer. Sie haben auch den Vorteil eines höheren Drehmoments und weniger Mikrovibrationen. Leider sind diese beide viel teurer und können ziemlich schwerer sein als mechanische Konstruktionen.

Wenn ich den Umfang der Frage etwas erweitern darf (aber beim Thema bleiben): Verschärft wird die Situation durch das Finanzierungsmodell für Weltraummissionen. Um einen Missionserfolg verkünden zu können (und damit die Finanzierung zukünftiger Projekte), legen Missionsdesigner eine sehr niedrige Erfolgslatte an. Viele, vielleicht die meisten Missionen werden mit der unausgesprochenen Erwartung entworfen, dass sie die Erfolgsschwelle um ein sehr beträchtliches Maß überschreiten werden. Das Problem ist, dass das Missionsmanifest auf der Materialliste basiert, um diese niedrige Erfolgsschwelle zu erreichen, was von preisbewussten Managern und/oder Kunden einer strengen Prüfung unterzogen wird.

Somit werden Reaktionsräder ausgewählt, die die Basismissionsanforderungen erfüllen, aber nicht notwendigerweise für eine wesentlich erweiterte Mission geeignet sind. Wenig überraschend sehen wir dann während der verlängerten Missionen frühe Ausfälle.

Reaktionsräder bestehen aus einem Elektromotor, der an einem Schwungrad befestigt ist. Es gibt zwei Fehlerursachen:

• mechanisch

• elektrisch

MECHANISCHE AUSFÄLLE

Sowohl die Schwungräder als auch der Motor können durch die G-Kräfte und die beim Start verursachten Vibrationen beschädigt werden. Im Weltraum ist eine Schmierung des Lagers fast unmöglich, was zu einer Erhöhung der Reibung und schließlich zum Ausfall führt.

ELEKTRONISCHER FEHLER :

Einmal im Orbit oder im Weltraum, stellt Strahlung eine größere Bedrohung für die elektronischen Schaltkreise dar.

Beispiel:
Bei Kepler ging eines der vier Reaktionsräder wegen sprunghafter Reibung über mehrere Monate verloren.

Als Vorsichtsmaßnahme schalteten die Missionsmanager Keplers Reaktionsräder im Januar für 10 Tage aus, in der Hoffnung, dass die Unterbrechung das Schmiermittel in den Radbaugruppen neu verteilen, die Reibung verringern und die Einheiten abkühlen lassen würde.

Das ist nicht passiert: Es zeigte sich nach dem Shutdown tatsächlich eine erhöhte Reibung.

Aber hoffentlich funktionieren die beiden verbleibenden Reaktionsräder einwandfrei.

Etwas mehr Details zu den Ursachen mechanischer Ausfälle: Lagerkäfiginstabilität (scrollen Sie zu den Abschnitten über Schwung- und Reaktionsräder) ist ein häufiges Phänomen. Es sagt aus:

Die Erschöpfung des Lagerschmiermittels zwischen den Laufringkäfigen verursacht eine Instabilität des Käfigs und nachfolgende Ausrichtungsfehler, ein erhöhtes Lagerdrehmoment und Radvibrationen.

Wenn dies nicht sofort offensichtlich ist, versuchen Sie dies als Grundierung. Das „Kugellager“ ist die kreisförmige Laufbahn eines Kugellagers, das die Kugeln enthält. Der Halter oder Käfig ist ein nichtmetallischer, normalerweise phenolischer Werkstoff, der in der Kugellaufbahn sitzt und die Kugeln auf Abstand hält. Die Kugeln drücken daher sowohl gegen den Laufring, der die Hauptlast des Mechanismus trägt, als auch gegen den Käfig, der keine Last aufnimmt. Die Instabilität des Lagerkäfigs bezieht sich auf unbeabsichtigte Schwingungsmoden des Käfigs, die durch einen Mangel an Schmiermittel verursacht werden.

Davon waren zumindest die Missionen Cassini , auch hier , und XMM-Newton betroffen.

Typische Lösungen, die in den letztgenannten Veröffentlichungen erwähnt werden und auf einer Trial-and-Error-Basis erlernt wurden, umfassen das Anhalten des Rads für eine Weile, damit sich das Schmiermittel neu verteilen kann, und auch das Vermeiden bestimmter Betriebsgeschwindigkeiten, entweder sehr hoch oder nahe Null.

Diese kurze Antwort soll die Informationen in ihrer gründlicheren Form in dieser Antwort hervorheben .

Wenn Sie dies interessant finden, lesen Sie die vollständige Antwort dort , und wenn Sie so geneigt sind, die Stimme zu erhöhen, sollten Sie dies eher dort als hier tun.

Da diese und die andere Frage etwas unterschiedlich sind und jede gute und nicht identische Antworten hat, sehe ich keine Möglichkeit, eine der beiden Fragen als Duplikat der anderen zu stellen.