Шина космического корабля представляет собой коробку из углеродного волокна, в которой размещаются системы телескопа, и поэтому является основным элементом поддержки космического телескопа Джеймса Уэбба , запущенного 25 декабря 2021 года . В нем размещено 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] Область 3 ISIM также находится внутри шины космического корабля. Область 3 включает подсистему управления и обработки данных ISIM и криоохладитель инструмента среднего инфракрасного диапазона (MIRI) . [4]
Космический корабль должен структурно поддерживать 6,5-тонный космический телескоп, при этом веся всего 350 кг (770 фунтов). [5] Он изготовлен в основном из графитового композитного материала. [5] Он был собран Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния , к 2015 году, а затем его нужно было интегрировать с остальной частью космического телескопа перед запланированным запуском в 2018 году. [6] Автобус может обеспечить точность наведения в одну угловую секунду ( 1 ⁄ 3600 °) и изолирует вибрацию до двух угловых миллисекунд. [7] Точное наведение осуществляется с помощью точного зеркала наведения JWST, что устраняет необходимость физического перемещения всего зеркала или автобуса. [8]
Космический корабль 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 быть способно выдерживать тепловые условия гало-орбиты JWST , одна сторона которой непрерывно освещается солнечным светом, а другая затенена солнцезащитным экраном космического корабля. [5]
Другим важным аспектом шины космического корабля является центральное вычислительное, запоминающее и коммуникационное оборудование. [10] Процессор и программное обеспечение направляют данные к приборам и от них, к ядру твердотельной памяти и к радиосистеме, которая может отправлять данные обратно на Землю и получать команды. [10] Компьютер также управляет наведением и движением космического корабля, принимая данные датчиков от гироскопов и звездного трекера и отправляя необходимые команды на реактивные колеса или двигатели. [10]
Автобус представляет собой коробку из углеродного волокна, в которой размещено большое количество основных систем, поддерживающих работу телескопа, таких как солнечные панели и компьютеры. Он также содержит охладитель MIRI и некоторую электронику ISIM.
В состав космического корабля входят шесть основных подсистем: [11] [2]
Космический корабль имеет два звездных датчика , шесть маховиков и двигательные установки ( топливный бак и двигатели ). [12] Две основные задачи — наведение телескопа и поддержание его метастабильной гало-орбиты L2. [12]
Система управления и обработки данных включает в себя компьютер, процессор телеметрии команд (CTP), и блок хранения данных, твердотельный регистратор (SSR), [2] емкостью 58,9 ГБ. [12]
К автобусу прикреплена антенна связи, которая может быть направлена на Землю. [13] : Рис. 1. Радиосвязь осуществляется в диапазонах Ka и S. [12] Система общего управления и телеметрии основана на системе Raytheon ECLIPSE. [12] Система предназначена для связи с Сетью дальней космической связи NASA . Основным научным и операционным центром является Научный институт космического телескопа в американском штате Мэриленд. [14]
JWST использует два типа двигателей. Вторичные двигатели форсированного сгорания (SCAT) используют гидразин ( N 2 H 4 ) и окислитель тетраоксид диазота ( N 2 O 4 ) в качестве топлива. [15] Четыре SCAT в двух парах. Одна пара используется для вывода JWST на орбиту, а другая выполняет удержание станции на орбите. Также имеется восемь монотопливных ракетных двигателей (MRE-1), так называемых, потому что они используют только гидразин в качестве топлива. Они используются для управления ориентацией и разгрузки импульса маховиков. [2] [16]
JWST имеет шесть реактивных колес для управления ориентацией, вращающиеся колеса позволяют изменять ориентацию без использования топлива для изменения импульса. [17]
Наконец, имеются два титановых гелиевых бака, обеспечивающих нерегулируемое давление для всех видов топлива. [ необходима цитата ]
Для обнаружения изменений направления JWST использует полусферические резонаторные гироскопы (HRG). Ожидается, что HRG будут более надежными, чем газоподшипниковые гироскопы, которые были проблемой надежности на космическом телескопе Хаббл . Однако они не могут наводиться так же точно, что преодолевается зеркалом точного наведения JWST. [18]
Тепловые системы на автобусе включают в себя развертываемые радиаторные теневые сборки. Их два, один вертикальный (DRSA-V) и один горизонтальный (DRSA-H), для вертикали и горизонтали соответственно (по отношению к системе координат автобуса космического корабля). Мембрана, из которой состоит DRSA, представляет собой покрытую мембрану Kapton. Другие тепловые элементы снаружи включают в себя небольшой радиатор для батареи. Также имеется узкий нижний фиксированный радиаторный теневой узел, также изготовленный из покрытой мембраны Kapton. Покрытие мембраны выполнено из кремния и VPA. Другие области снаружи покрыты многослойной изоляцией JWST (MLI). [ необходима цитата ]
Подсистема электропитания обеспечивает электроэнергией космический аппарат JWST. [19] Она состоит из набора солнечных панелей и аккумуляторных батарей, [19] [20] регулятора солнечной батареи (SAR), блока управления питанием (PCU) и блока сбора телеметрических данных (TAU).
Солнечные панели преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество. [19] Эта сырая энергия подается в SAR, который состоит из четырех резервных понижающих преобразователей, каждый из которых работает с алгоритмом отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). Хотя выходное напряжение не регулируется жестко, 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 могут обрабатывать всю необходимую мощность. Обычно один или два преобразователя должны работать одновременно, а два других должны находиться в активном режиме ожидания.
Блок управления питанием (PCU) в основном состоит из электронных переключателей, которые включают или выключают каждый научный прибор или вспомогательное устройство под управлением центрального компьютера. Каждый переключатель позволяет питанию поступать на выбранный им прибор от SAR. Связь с центральным компьютером осуществляется через шину 1553. Помимо переключателей питания, в PCU расположены процессоры для алгоритма SAR MPPT , а также некоторые процессоры телеметрии, процессоры для определения момента отсоединения космического корабля от верхней ступени запуска и некоторые контроллеры криоохладителя.
Блок сбора телеметрических данных (TAU) состоит из электронных переключателей для различных нагревателей для «теплых» сторон телескопа. Кроме того, имеются переключатели для приводов развертывания и основная часть процессоров телеметрии (например, измерение температуры, электроэнергии, уровня топлива и т. д.). TAU взаимодействует с центральным компьютером через шину 1553.
И PCU, и TAU содержат полностью избыточные системы, одна из которых активна, а другая находится в режиме ожидания или полностью выключена. Перезаряжаемые батареи JWST — литий-ионного типа. [20] Батареи используют технологию жестких углеродных ячеек Sony 18650. [20] Батареи рассчитаны на космические полеты и должны выдерживать 18 000 циклов заряда-разряда. [20] Каждая опора конструкции солнечной панели выполнена из сотового углеродного волокнистого композита. [ требуется ссылка ]
Некоторые ранние конфигурации автобуса имели два крыла солнечных панелей, по одному с каждой стороны. [21] Частью проекта программы JWST было позволить различным вариантам дизайна «конкурировать» друг с другом. [21]
Хотя автобус изначально был разработан для работы в условиях невесомости открытого космоса, во время запуска он должен выдерживать нагрузку, эквивалентную 45 тоннам. [6] Конструкция может выдерживать вес, в 64 раза превышающий ее собственный. [22]
Конструкция космического корабля обеспечивает самые современные возможности для поддержки первой световой миссии космического телескопа Джеймса Уэбба.
— Менеджер космического корабля «Телескоп Уэбб», цитируемый Composites World [22]
Шина космического корабля соединена с элементом оптического телескопа и солнцезащитным козырьком через сборку развертываемой башни. [23] Интерфейс с ракетой-носителем находится снаружи; принимая форму конуса, он вместе с адаптером полезной нагрузки передает вес и силы ускорения наружу стенкам ракеты-носителя. [24]
Конструкция стенок автобуса выполнена из композитного материала на основе углеродного волокна и графитового композита. [5] [25]
Длина автобуса без солнечных батарей составляет 3508 мм (11,509 фута). [26] От одного края расширенного козырька радиатора до другого — 6775 мм (22,228 фута); сюда входит длина двух двухметровых козырьков радиатора. [26] Длина ионистора хвостового тягача составляет 5900 мм (19,4 фута), но обычно он расположен под углом 20° к солнцезащитному козырьку. [26] Он находится перед стрелой развертывания щитка сегментов солнцезащитного козырька, на конце которой также прикреплен триммер.
Сама конструкция автобуса весит 350 кг (770 фунтов). [5]
После запуска JWST автобус начал разворачиваться и выдвигаться в рабочую конфигурацию. [27] Планировалось, что в течение первой недели эксплуатации выдвижная башня выдвинется, что отделит автобус от верхнего космического корабля примерно на 2 метра. [27]
Для целей тестирования была разработана программная симуляция твердотельного регистратора, которая поддерживает общую программную симуляцию JWST. Это называется симулятором твердотельного регистратора (SSR) JWST Integrated Simulation and Test (JIST) и использовалось для тестирования полетного программного обеспечения с помощью SpaceWire и связи MIL-STD-1553 , поскольку оно относится к SSR. Тестовое программное обеспечение запускалось на одноплатном компьютере Excalibur 1002. Тестовое программное обеспечение SSR является расширением программного обеспечения JIST, которое называется ядром интегрированного моделирования и тестирования JWST (JIST). JIST объединяет программные симуляции оборудования JWST с реальным программным обеспечением JWST, чтобы обеспечить виртуальное тестирование. Моделируемый SSR был создан для поддержки создания тестовой версии программного обеспечения JWST, чтобы помочь проверить и протестировать полетное программное обеспечение для телескопа. Другими словами, вместо использования реальной тестовой аппаратной версии SSR, есть программное обеспечение, которое имитирует работу SSR, которое работает на другом оборудовании. [28]
SSR является частью подсистемы управления и обработки данных. [2]
.jpg/1280px-The_Secrets_of_NASA's_Webb_Telescope%E2%80%99s_%22Deployable_Tower_Assembly%22_(21274602675).jpg)
Элемент космического корабля изготовлен компанией Northrop Grumman Aerospace Systems. [23] Солнцезащитный козырек и автобус планируется интегрировать 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 была завершена интеграция панелей космического корабля. [30] Общая структура автобуса космического корабля была завершена к октябрю 2015 года. [6] Автобус космического корабля был собран на объектах в Редондо-Бич, Калифорния , США. [6] Завершенный автобус космического корабля был впервые включен в начале 2016 года. [31]
Солнечные батареи прошли предварительный аудит проекта в 2012 году, перейдя к этапу детального проектирования. [32] Топливные и окислительные баки были отправлены на сборку в сентябре 2015 года. [33]
В 2015 году были доставлены для строительства подсистемы связи, звездные датчики, реактивные колеса, точные солнечные датчики , блок электроники развертывания, процессоры командной телеметрии и жгуты проводов. [34]
С 2016 по 2018 год будут проводиться монтаж и испытания телескопа и телескопа с приборами, после чего последует отправка в Космический центр имени Джонсона НАСА в Хьюстоне, штат Техас, где будут проведены сквозные оптические испытания в имитируемых криотемпературных и вакуумных космических условиях... Затем все детали будут отправлены в Northrop Grumman для окончательной сборки и испытаний, а затем во Французскую Гвиану для запуска.
— Пол Гайтнер, менеджер телескопа Уэбба — технический специалист, NASA Goddard [35]
Сборка космического автобуса будет осуществляться из элемента космического корабля и других деталей в Калифорнии. [36]
Для запуска космический корабль крепится к Ariane 5 на Cone 3936, а также нижнем цилиндре ACU 2624 и зажимном хомуте. [24] Это закрытый пусковой обтекатель, 4,57 метра (15 футов) и 16,19 метра (53,1 фута) полезного внутреннего размера. [24]
Существует два основных традиционных способа использования гироскопов в космических аппаратах: обнаружение изменений ориентации и фактическое изменение ориентации.
JWST использует тип гироскопа, известный как полусферический резонаторный гироскоп (HRG). [18] Эта конструкция не имеет подшипников, трущихся частей [37] или гибких соединений. [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 необходимую информацию об ориентации.
Прогнозируется, что конструкция будет иметь среднее время до отказа 10 миллионов часов. [18] Гироскопы несколько раз выходили из строя на космическом телескопе Хаббл и их приходилось заменять несколько раз. Однако это была другая конструкция, называемая гироскопом на газовом подшипнике, которая имеет определенные преимущества, но испытывает некоторые проблемы с долговременной надежностью. [38] JWST будет иметь шесть гироскопов, но для наведения требуются только два. [37] JWST не нуждается в таком точном наведении, поскольку у него есть точное направляющее зеркало, которое помогает противостоять небольшим движениям телескопа. [37]
Телескоп JWST также оснащен вращающимися реактивными колесами, которые можно настраивать для наведения телескопа без использования топлива [17], а также набором небольших двигателей, которые могут физически изменять положение телескопа.
HRG — это датчики, которые предоставляют информацию, в то время как 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 направлять его в нужном направлении. [17]
Шина космического корабля была интегрирована в космический телескоп Джеймса Уэбба во время строительства. [39] Шина космического корабля и сегмент Sunshield объединены в то, что называется космическим элементом, который в свою очередь объединен с объединенной структурой оптического элемента телескопа и интегрированного модуля научных инструментов, называемого OTIS. [39] Это вся обсерватория, которая установлена на конусе, соединяющем JWST с последней ступенью ракеты Ariane 5. [39] Шина космического корабля — это то место, где этот конус соединяется с остальной частью JWST.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь )