stringtranslate.com

Автобус космического корабля (космический телескоп Джеймса Уэбба)

Технические специалисты работают над макетом автобуса космического корабля JWST, 2014 год [1]

Шина космического корабля представляет собой коробку из углеродного волокна, в которой размещаются системы телескопа, и поэтому является основным опорным элементом космического телескопа Джеймса Уэбба , запущенного 25 декабря 2021 года . Он содержит множество вычислительных, коммуникационных, двигательных и структурных компонентов. [2] Другими тремя элементами JWST являются элемент оптического телескопа (OTE), интегрированный модуль научных приборов (ISIM) и солнцезащитный козырек . [3] Третий регион ISIM также находится внутри шины космического корабля. Регион 3 включает в себя подсистему управления командами и данными ISIM и криокулер среднего инфракрасного диапазона (MIRI) . [4]

Автобус космического корабля должен конструктивно поддерживать 6,5-тонный космический телескоп и весить всего 350 кг (770 фунтов). [5] Он изготовлен в основном из графитового композитного материала. [5] Он был собран компанией Northrop Grumman в Редондо-Бич, штат Калифорния, к 2015 году, а затем его пришлось интегрировать с остальной частью космического телескопа перед его запланированным запуском в 2018 году. [6] Шина может обеспечить точность наведения в одну угловую секунду ( 1 ⁄ 3600 °) и изолировать вибрацию до двух угловых миллисекунд. [7] Точное наведение осуществляется с помощью зеркала точного наведения JWST, что устраняет необходимость физического перемещения всего зеркала или шины. [8]

Шина космического корабля находится на «теплой» стороне, обращенной к Солнцу, и работает при температуре около 300 Кельвинов (80 °F , 27 °C ). [9] Все на стороне, обращенной к Солнцу, должно выдерживать тепловые условия гало-орбиты JWST , одна сторона которой постоянно освещается солнечным светом, а другая затенена солнцезащитным экраном космического корабля. [5]  

Еще одним важным аспектом шины космического корабля является центральное вычислительное оборудование, память и коммуникационное оборудование. [10] Процессор и программное обеспечение направляют данные к приборам и обратно, в ядро ​​твердотельной памяти и в радиосистему, которая может отправлять данные обратно на Землю и принимать команды. [10] Компьютер также управляет наведением и движением космического корабля, получая данные датчиков от гироскопов и звездных трекеров и отправляя необходимые команды реактивным колесам или двигателям. [10]

Обзор

Схема автобуса космического корабля. Солнечная панель зеленого цвета, а светло-фиолетовые грани — это оттенки радиаторов. [ нужна цитата ]

Автобус представляет собой коробку из углеродного волокна, в которой находится большое количество основных систем, обеспечивающих работу телескопа, таких как солнечные панели и компьютеры. Он также содержит кулер MIRI и некоторую электронику ISIM.

В шине космического корабля шесть основных подсистем: [11] [2]

Автобус космического корабля имеет два звездных трекера , шесть реактивных колес и двигательные установки ( топливный бак и двигатели ). [12] Двумя основными задачами являются наведение телескопа и удержание станции на метастабильной гало-орбите L2. [12]

Система управления командами и данными включает в себя компьютер, процессор командной телеметрии (CTP) и блок хранения данных — твердотельный регистратор (SSR) [2] емкостью 58,9 ГБ. [12]

Коммуникации

К автобусу прикреплена антенна связи, которая может указывать на Землю. [13] : Рис. 1  Существует радиосвязь в Ka-диапазоне и S-диапазоне . [12] Общая система управления и телеметрии основана на системе Raytheon ECLIPSE. [12] Система предназначена для связи с сетью дальней космической связи НАСА . Главным научным и операционным центром является Научный институт космического телескопа в американском штате Мэриленд. [14]

Ракетные двигатели, управление ориентацией

JWST использует два типа двигателей. В двигателях с дополнительным сгоранием (SCAT) в качестве топлива используется гидразин ( N 2 H 4 ) и окислитель тетроксид динитрогена ( N 2 O 4 ). [15] Имеется четыре SCAT в двух парах. Одна пара используется для вывода JWST на орбиту, а другая обеспечивает удержание станции на орбите. Существует также восемь монотопливных ракетных двигателей (МРЭ-1), названных так потому, что в качестве топлива они используют только гидразин. Они используются для управления ориентацией и разгрузки импульса реактивных колес. [2] [16]

JWST имеет шесть реактивных колес для управления ориентацией, вращающиеся колеса, которые позволяют менять ориентацию без использования топлива для изменения импульса. [17]

Наконец, есть два титановых гелиевых бака для обеспечения нерегулируемого давления для всех видов топлива. [ нужна цитата ]

Для обнаружения изменений направления JWST использует гироскопы с полусферическим резонатором (HRG). Ожидается, что HRG будут более надежными, чем газосодержащие гироскопы, надежность которых была проблемой на космическом телескопе Хаббл . Однако они не могут наводить так точно, и это преодолевается зеркалом точного наведения JWST. [18]

Термальный

В состав тепловых систем автобуса входят раздвижные шторки радиатора. Их два: один вертикальный (DRSA-V) и один горизонтальный (DRSA-H), соответственно по вертикали и по горизонтали (относительно системы координат шины космического корабля). Мембрана, из которой состоит DRSA, представляет собой мембрану из каптона с покрытием. Другие тепловые элементы снаружи включают небольшой радиатор для аккумулятора. Также имеется узкая нижняя закрепленная плафон радиатора, также выполненная из каптоновой мембраны. Покрытие мембраны — кремний и VPA. Остальные части снаружи покрыты многослойной изоляцией JWST (MLI). [ нужна цитата ]

Подсистема электропитания (EPS)

Подсистема электропитания обеспечивает электричеством космический корабль JWST. [19] Он состоит из набора солнечных панелей и аккумуляторных батарей, [19] [20] регулятора солнечной батареи (SAR), блока управления мощностью (PCU) и блока сбора телеметрии (TAU).

Солнечные панели преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество. [19] Эта необработанная мощность подается на SAR, который состоит из четырех резервных понижающих преобразователей, каждый из которых работает по алгоритму отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). Хотя выходное напряжение жестко не регулируется, понижающие преобразователи не позволят напряжению главной шины космического корабля упасть ниже примерно 22 вольт или подняться выше примерно 35 вольт. При одновременном включении каждого научного прибора и всех вспомогательных цепей примерно три из четырех резервных преобразователей могли обеспечить всю необходимую мощность. Обычно один или два преобразователя должны работать одновременно, а два других находятся в активном режиме ожидания.

Блок управления питанием (PCU) состоит в основном из электронных переключателей, которые включают или выключают каждый научный инструмент или вспомогательное устройство под управлением центрального компьютера. Каждый переключатель позволяет питанию поступать на выбранный прибор из SAR. Связь с центральным компьютером осуществляется по шине 1553. Помимо переключателей питания, в PCU расположены процессоры алгоритма SAR MPPT , а также некоторые процессоры телеметрии, процессоры определения момента отключения космического корабля от разгонного блока запуска и некоторые контроллеры криоохладителя.

Блок сбора телеметрии (ТАУ) состоит из электронных переключателей различных нагревателей «теплых» сторон телескопа. Кроме того, имеются переключатели исполнительных механизмов развертывания и основная часть процессоров телеметрии (например, измерения температуры, электроэнергии, уровня топлива и т. д.). TAU связывается с центральным компьютером через шину 1553.

И PCU, и TAU содержат полностью резервированные системы, одна из которых активна, а другая находится в режиме ожидания или полностью выключена. Аккумуляторы JWST относятся к литий-ионному типу. [20] В аккумуляторах используется технология твердоуглеродных элементов Sony 18650. [20] Батареи рассчитаны на космические полеты и должны выдерживать 18 000 циклов зарядки-разрядки. [20] Каждая опора конструкции солнечной панели представляет собой сотовый композит из углеродного волокна. [ нужна цитата ]

Некоторые ранние конфигурации автобуса имели два крыла с солнечными панелями, по одному с каждой стороны. [21] Часть дизайна программы JWST заключалась в том, чтобы позволить различным вариантам конструкции «конкурировать» друг с другом. [21]

Состав

Хотя автобус в первую очередь проектировался для работы в условиях невесомости космического пространства, во время запуска он должен выдержать нагрузку, эквивалентную 45 тоннам. [6] Конструкция может выдержать вес, в 64 раза превышающий ее собственный. [22]

Конструкция космического корабля обеспечивает самые современные возможности для поддержки первой легкой миссии космического телескопа Джеймса Уэбба.

-  Менеджер космического корабля Webb Telescope, цитируется Composites World [22]

Шина космического корабля соединена с элементом оптического телескопа и солнцезащитным козырьком через сборку развертываемой башни. [23] Интерфейс ракеты-носителя снаружи; приняв форму конуса, он вместе с адаптером полезной нагрузки передает вес и силы ускорения наружу стенок ракеты-носителя. [24]

Конструкция стенок автобуса выполнена из углеродного волокна и графитового композита. [5] [25]

Длина автобуса без солнечных батарей составляет 3508 мм (11,509 футов). [26] Расстояние от одного края расширенной плафона радиатора до другого составляет 6775 мм (22,228 фута); сюда входит длина двух плафонов радиатора шириной два метра. [26] Солнечная батарея с хвостовым тягачом имеет длину 5900 мм (19,4 фута), но обычно она расположена под углом 20 ° к солнцезащитному козырьку. [26] Группа расположена перед стрелой раскрытия солнцезащитных сегментов, к концу которой также прикреплен триммер.

Сама конструкция автобуса весит 350 кг (770 фунтов). [5]

После запуска JWST шина начала разворачиваться и расширяться до своей рабочей конфигурации. [27] Планировалось, что в течение первой недели эксплуатации развертываемая башня выдвинется, что отделит автобус от верхнего космического корабля примерно на 2 метра. [27]

Тестирование

Программное моделирование твердотельного самописца было разработано для целей тестирования, которое поддерживает общее программное моделирование JWST. Он называется симулятором твердотельного самописца (SSR) JWST Integrated Simulation and Test (JIST) и использовался для тестирования летного программного обеспечения с использованием SpaceWire и связи MIL-STD-1553 , что касается SSR. Тестовое программное обеспечение запускалось на одноплатном компьютере Excalibur 1002. Программное обеспечение для испытаний SSR является расширением программного обеспечения JIST, которое называется JWST Integrated Simulation and Test core (JIST). JIST объединяет программное моделирование оборудования JWST с реальным программным обеспечением JWST, что позволяет проводить виртуальное тестирование. Имитируемый SSR был создан для поддержки создания тестовой версии программного обеспечения JWST, чтобы помочь проверить и протестировать летное программное обеспечение для телескопа. Другими словами, вместо использования фактической тестовой аппаратной версии SSR существует программа, имитирующая работу SSR, которая работает на другом оборудовании. [28]

SSR является частью подсистемы управления и обработки данных. [2]

Строительство

Развертываемая башня в сборе (DTA) — это место, где шина космического корабля соединяется с элементом оптического телескопа. Когда он выдвигается, он отодвигает автобус дальше от главного зеркала, освобождая место для слоев солнцезащитного козырька.

Элемент космического корабля изготовлен компанией Northrop Grumman Aerospace Systems. [23] Солнцезащитный козырек и автобус планируется объединить в 2017 году. [29]

В 2014 году Northrop Grumman начала строительство нескольких компонентов автобуса космического корабля, включая гироскопы, топливные баки и солнечные панели. [30] 25 мая 2016 года завершилась интеграция панели космического корабля. [30] Общая конструкция автобуса космического корабля была завершена к октябрю 2015 года. [6] Автобус космического корабля собирался на объектах в Редондо-Бич, штат Калифорния , США. [6] Готовый автобус космического корабля впервые был включен в начале 2016 года. [31]

В 2012 году солнечные батареи завершили предварительный аудит проектирования и перешли к этапу детального проектирования. [32] Баки с топливом и окислителем были отправлены на сборку в сентябре 2015 года. [33]

В 2015 году на строительство были доставлены подсистемы связи, звездные трекеры, реактивные колеса, высокоточные датчики Солнца , блок электроники управления, процессоры командной телеметрии и жгуты проводов. [34]

С 2016 по 2018 год будут произведены установка и испытания телескопа, а также телескопа и инструментов с последующей доставкой в ​​Космический центр НАСА имени Джонсона в Хьюстоне, штат Техас, где будут проведены комплексные оптические испытания в моделируемой криотемпературной и вакуумной космической среде. произойдет... Затем все детали будут отправлены в Northrop Grumman для окончательной сборки и испытаний, а затем во Французскую Гвиану для запуска.

-  Пол Гайтнер, технический менеджер телескопа Уэбба в НАСА Годдард [35]

Автобус космического корабля будет собран из космического корабля «Элемент» и других частей в Калифорнии. [36]

Для запуска автобус космического корабля крепится к Ariane 5 с помощью нижнего цилиндра Cone 3936 плюс ACU 2624 и зажимной ленты. [24] Это закрытый стартовый обтекатель, полезный внутренний размер которого составляет 4,57 метра (15 футов) и 16,19 метра (53,1 фута). [24]

Гироскопы

Есть два основных традиционных применения гироскопов в космических кораблях: обнаружение изменений ориентации и фактическое изменение ориентации.

JWST использует тип гироскопа , известный как гироскоп с полусферическим резонатором (HRG). [18] В этой конструкции отсутствуют подшипники, трущиеся детали, [37] или гибкие соединения. [18] Это не традиционный механический гироскоп; вместо этого HRG имеет кварцевую полусферу, которая вибрирует на своей резонансной частоте в вакууме. [18] Электроды обнаруживают изменения, если космический корабль движется, чтобы собрать нужную информацию об ориентации.

Прогнозируется, что среднее время до отказа конструкции составит 10 миллионов часов. [18] На космическом телескопе Хаббл несколько раз выходили из строя гироскопы, и их приходилось несколько раз заменять. Однако это была другая конструкция, называемая газовым гироскопом, которая имела определенные преимущества, но имела некоторые проблемы с долгосрочной надежностью. [38] JWST будет иметь шесть гироскопов, но для наведения потребуется только два. [37] JWST не требует столь точного наведения, поскольку у него есть зеркало точного управления, которое помогает компенсировать небольшие движения телескопа. [37]

Телескоп JWST также имеет вращающиеся реактивные колеса, которые можно регулировать для наведения телескопа без использования топлива [17] , а также набор небольших двигателей, которые могут физически изменять положение телескопа.

HRG — это датчики, которые предоставляют информацию, а реактивные колеса и двигатели — это устройства, которые физически изменяют ориентацию космического корабля. [17] Вместе они работают над тем, чтобы удерживать телескоп на правильной орбите и указывать в нужном направлении. [17]

Интеграция

Автобус космического корабля был интегрирован в космический телескоп Джеймса Уэбба во время строительства. [39] Шина космического корабля и сегмент Sunshield объединены в так называемый элемент космического корабля, который, в свою очередь, объединен с объединенной структурой элемента оптического телескопа и интегрированного модуля научных приборов, называемого OTIS. [39] Это целая обсерватория, установленная на конусе, соединяющем JWST с последней ступенью ракеты Ariane 5. [39] Шина космического корабля — это место, где этот конус соединяется с остальной частью JWST.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дженнер, Линн (17 апреля 2015 г.). «Издевайтесь над автобусом: космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба». НАСА . Проверено 06 апреля 2021 г.
  2. ^ abcdef "Космический автобус". jwst.nasa.gov . Проверено 06 апреля 2021 г.
  3. ^ "Обсерватория - JWST/НАСА" . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
  4. ^ «ISIM и инструменты». jwst.nasa.gov . Архивировано из оригинала 3 декабря 2016 г. Проверено 24 января 2017 г.
  5. ^ abcde «ПРАЙМ: Нерассказанная история космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА» . www.satmagazine.com . Февраль 2012 года . Проверено 06 апреля 2021 г.
  6. ^ abcd «Космический телескоп Джеймса Уэбба преодолел еще одну веху - SpaceFlight Insider» . www.spaceflightinsider.com . 10 октября 2015 г. Проверено 20 января 2017 г.
  7. ^ Слоан, Джефф. «Космический корабль космического телескопа Джеймса Уэбба приближается к полной сборке: CompositesWorld». www.compositesworld.com . Архивировано из оригинала 24 октября 2019 г. Проверено 20 января 2017 г.
  8. ^ "FAQ-Public JWST/NASA" . jwst.nasa.gov . Проверено 24 января 2017 г.
  9. ^ Росс, Рональд Г. (15 февраля 2007 г.). Криокуллеры 13. Springer Science & Business Media. ISBN 9780387275338.
  10. ^ abc "Космический телескоп Джеймса Уэбба". jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
  11. ^ «Космический телескоп Джеймса Уэбба преодолел еще одну веху - SpaceFlight Insider» . www.spaceflightinsider.com . 10 октября 2015 г. Проверено 16 сентября 2017 г.
  12. ^ abcde «JWST — Каталог eoPortal — Спутниковые миссии» . каталог.eoportal.org . Проверено 06 апреля 2021 г.
  13. ^ Петерсен, Джереми; Тичи, Джейсон; Вавжиняк, Джеффри; Ришон, Карен (21 апреля 2014 г.). «Первоначальная промежуточная коррекция космического телескопа Джеймса Уэбба, реализация Монте-Карло с использованием параллелизма задач» (PDF) - через ntrs.nasa.gov.
  14. ^ "FAQ-Public JWST/NASA" . jwst.nasa.gov . Проверено 3 ноября 2017 г.
  15. ^ Петерсен, Джереми; Тичи, Джейсон; Вавжиняк, Джеффри; Ришон, Карен (5 мая 2014 г.). «Первоначальная промежуточная коррекция космического телескопа Джеймса Уэбба, реализация Монте-Карло с использованием параллелизма задач» (PDF) - через ntrs.nasa.gov.
  16. ^ «Привод JWST - Пользовательская документация JWST» . jwst-docs.stsci.edu . Проверено 9 января 2022 г.
  17. ^ abcd Маркли, Ф. Лэндис; Рейнольдс, Рид Г.; Лю, Фрэнк X.; Лебсок, Кеннет Л. (1 января 2009 г.). «Максимальный крутящий момент и импульс для массивов реактивных колес» (PDF) - через ntrs.nasa.gov. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  18. ^ abcde «Часто задаваемые вопросы для ученых Телескоп Уэбб / НАСА» . jwst.nasa.gov .
  19. ^ abc «Изображение: тестирование подсистемы электропитания космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА» . физ.орг . Проверено 24 июня 2021 г.
  20. ^ abcd «ABSL Space Products заключила контракт на литий-ионную аккумуляторную батарею для космического телескопа Джеймса Уэбба» . www.abslspaceproducts.com . Проверено 20 января 2017 г.
  21. ^ ab «Обзор проекта космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST)» (PDF) . Июнь 2004 года.
  22. ^ ab «Космический корабль космического телескопа Джеймса Уэбба приближается к полной сборке в 2015 году» . Архивировано из оригинала 24 октября 2019 г. Проверено 13 декабря 2016 г.
  23. ^ ab Нил Инглиш - Космические телескопы: захват лучей электромагнитного спектра - страница 290 (Google Книги
  24. ^ abc "Запуск - JWST/НАСА" . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
  25. ^ "Корпорация Northrop Grumman - Связи с инвесторами - Выпуск новостей" . Инвестор.northropgrumman.com . Проверено 20 января 2017 г.
  26. ^ abc "Космический автобус Уэбб / НАСА" .
  27. ^ ab "Часто задаваемые вопросы, полный общедоступный телескоп Уэбба / НАСА" .
  28. ^ Группа, Techbriefs Media. «Имитатор твердотельного самописца (SSR) JWST IV&V для моделирования и испытаний (JIST) - Технические краткие описания НАСА :: Технические краткие описания НАСА» . www.techbriefs.com . Проверено 20 января 2017 г.
  29. ^ «Обновление астрофизики 2015 — Пол Герц» (PDF) .
  30. ^ ab "Телескоп Джеймса Уэбба -". сайт хабблсайт.org . Проверено 20 января 2017 г.
  31. ^ Корпорация Northrop Grumman. «Космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба достиг важной вехи на пути к запуску с завершением и доставкой элемента оптического телескопа» . Информационный центр GlobeNewswire . Проверено 20 января 2017 г.
  32. ^ «Изготовление космического корабля, построенного компанией Northrop Grumman, для космического телескопа НАСА имени Джеймса Уэбба продвигается вперед с завершением проектирования ключевой структуры связи» . Отдел новостей Northrop Grumman . Проверено 20 января 2017 г.
  33. ^ "Новости". www.orbitalatk.com . Проверено 20 января 2017 г.
  34. ^ https://jwst.stsci.edu/files/live/sites/jwst/files/home/events/_documents/EricSmithAASJan2015.pdf [ пустой URL-адрес PDF ]
  35. ^ «Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба будет собран в течение следующих двух лет» . 24 февраля 2016 г.
  36. ^ Дженнер, Линн (24 февраля 2016 г.). «Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба будет создан в течение следующих двух лет» . НАСА . Проверено 20 января 2017 г.
  37. ^ abc "FAQ-Public JWST/NASA" . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
  38. ^ «Гироскопы».
  39. ^ abc Статус Обсерватории космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) М.Клэмпин 30 слайдов

Внешние ссылки