Космического летательного аппарата является основным компонентом поддержка космического телескопа Джеймса Вебба , планируется к запуску в ноябре 2021 г. Он принимает множество вычислительных, связи, двигательных установок и структурных компонентов, в результате чего разные части телескопа вместе. [2] Наряду с солнцезащитным экраном он образует элемент космического корабля космического телескопа. [3] Двумя другими основными элементами JWST являются интегрированный модуль научных приборов (ISIM) и элемент оптического телескопа (OTE). [4] Область 3 ISIM также находится внутри автобуса космического корабля; регион 3 включает подсистему обработки команд и данных ISIM и криокулер MIRI.[4]
Автобус космического корабля должен конструктивно поддерживать 6,5-тонный космический телескоп при весе всего 350 кг (770 фунтов). [5] Он изготовлен в основном из графитового композитного материала. [5] Он был собран в американском штате Калифорния к 2015 году, а затем его нужно было интегрировать с остальной частью космического телескопа до его запланированного запуска в 2018 году. [6] Шина может обеспечивать наведение в одну угловую секунду ( 1 ⁄ 3600 °) и изолирует вибрацию до двух миллисекунд. [7] Точное наведение осуществляется зеркалом точного наведения JWST, что устраняет необходимость физического перемещения всего зеркала или шины. [8]
Автобус космического корабля находится на обращенной к Солнцу «теплой» стороне и работает при температуре около 300 кельвинов (80 ° F , 27 ° C ). [9] Все, что находится на обращенной к Солнцу стороне, должно быть способно выдерживать тепловые условия гало-орбиты JWST, на одной стороне которой непрерывный солнечный свет, а на другой - за счет солнечного экрана космического корабля. [5]
Еще одним важным аспектом автобуса космического корабля является центральное вычислительное оборудование, запоминающее устройство и коммуникационное оборудование. [10] Процессор и программное обеспечение направляют данные к приборам и от них, в ядро твердотельной памяти и в радиосистему, которая может отправлять данные обратно на Землю и принимать команды. [10] Компьютер также управляет наведением и моментом космического корабля, принимая данные датчиков с гироскопов и звездного трекера и отправляя необходимые команды на колеса реакции или двигатели. [10]
Обзор
Автобус представляет собой коробку из углеродного волокна, в которой находится большое количество основных систем, поддерживающих работу телескопа, таких как солнечные батареи и компьютеры. В нем также физически находится кулер Miri и некоторые основные электронные устройства ISIM.
Автобус космического корабля состоит из шести основных подсистем. [12] Основные подсистемы: [2]
- Подсистема электроснабжения
- Подсистема управления отношением
- Подсистема связи
- Подсистема обработки команд и данных (C&DH) [2]
- Командный процессор телеметрии
- Твердотельный регистратор (SSR)
- Подсистема движения
- Подсистема терморегулирования
Автобус космического корабля имеет два звездных трекера , шесть реактивных колес и двигательные установки ( топливный бак и двигатели ). [13] Две основные задачи - наведение телескопа и поддержание станции на его метастабильной гало-орбите L2. [13]
Вычислительная техника и связь
Вычислительные системы включают твердотельное хранилище данных объемом 58,9 ГБ. [13] Хранилище памяти называется твердотельным регистратором (SSR) и является частью подсистемы обработки команд и данных. [2] У SSR была программа тестирования программного обеспечения, разработанная для тестирования с использованием программного моделирования телескопа. [14]
К автобусу прикреплена антенна связи, которая может указывать на Землю. [15] Есть радиосвязь в Ka-диапазоне и S-диапазоне. [13] Общая система управления и телеметрии основана на системе Raytheon ECLIPSE. [13] Система предназначена для связи с Сетью связи в дальнем космосе НАСА. [15] Главный научный и операционный центр - Научный институт космического телескопа (STScI) в американском штате Мэриленд. [16]
Ракетные двигатели, система ориентации и т. Д.
По состоянию на 2012 год в двигательной установке используется 16 подруливающих устройств MRE-1, каждый из которых может обеспечить тягу в один фунт. [5] Это монотопливные двигатели, разработанные для выживания в уникальных тепловых условиях JWST, включая длительные периоды прямого солнечного света и отраженного света от солнцезащитного козырька. [5] Есть еще один набор толчков, называемый вторичными двигателями увеличения горения; Есть четыре из этих двигателей , и они имеют 8 фунтов F тяги каждого. [5] В то время как меньшие двигатели предназначены для помощи в точном наведении, более крупные двигатели планируется использовать для удержания станции для поддержания гало-орбиты телескопа. [5] MRE-1 использует гидразин в качестве монотоплива, а более крупные двигатели SCAT - двухкомпонентные. [17] SCAT также использует гидразин ( N
2ЧАС
4), но дополнительно окислитель тетроксид диазота ( N
2О
4), как два его пороха. [11] [17] [18]
Двигатели: [11] [19]
- Вторичные двигатели с дополнительным сгоранием (SCAT)
- 4 двухкомпонентных ракетных двигателя (два основных, два резервных) [11]
- Пропелленты на основе гидразина и тетроксида азота
- Модули сдвоенных подруливающих устройств (DTM); Монотопливо MRE-1 [11] Ракетные двигатели
- Всего имеется 8 DTM, каждая с двумя двигателями, всего 16 двигателей.
- 2 титановых гелиевых бака, обеспечивающих нерегулируемое давление для всех порохов. [11]
В целом подруливающие устройства SCAT используются для больших моментов, а DTM - для меньших. [11] Двигатели SCAT имеют удельный импульс 295 секунд. [20]
Как и все остальное Уэбба, включая открытые бериллиевые зеркала, он разработан, чтобы выдерживать ожидаемый уровень ударов микрометеороидов . [21]
JWST также имеет шесть реактивных колес для управления ориентацией, которые являются вращающимися колесами, которые позволяют изменять ориентацию без необходимости использования топлива для изменения импульса. [22] [23] Реактивные колеса могут обеспечить только определенное изменение углового момента. [22]
Для обнаружения изменения направления JWST использует полусферический резонаторный гироскоп (HRG). [24] Ожидается, что HRG будут более надежными, чем газовые гироскопы, которые были проблемой надежности космического телескопа Хаббла (HST). Однако они не могут указывать так точно, что преодолевается зеркалом точного наведения JWST. [24] Проблема с гироскопами HST в конечном итоге была обнаружена.
Тепловой
Тепловые системы на шине включают развертываемые узлы шторки радиатора. [11] Есть два, один вертикальный (DRSA-V) и один горизонтальный (DRSA-H), для вертикального и горизонтального соответственно (относительно системы координат шины космического корабля). [11] Мембрана, из которой состоит DRSA, представляет собой каптоновую мембрану с покрытием. [11] Другие тепловые элементы снаружи включают небольшой радиатор для батареи. Также имеется узкая неподвижная нижняя плафон радиатора, также выполненный из каптоновой мембраны с покрытием. [11] Покрытие мембраны - кремний и VPA. [11] Другие области снаружи покрыты многослойной изоляцией (MLI) JWST. [11]
Подсистема электроснабжения (EPS)
Подсистема электропитания обеспечивает электричеством космический корабль JWST. [25] Он состоит из набора солнечных панелей и аккумуляторных батарей, [25] [26] регулятора солнечной батареи (SAR), блока управления мощностью (PCU) и блока сбора данных телеметрии (TAU).
Солнечные панели преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество. [25] Эта исходная мощность подается на 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. Когда все научные приборы и все вспомогательные цепи включены одновременно, примерно три из четырех резервных преобразователей могут обрабатывать всю необходимую мощность. Обычно один или два конвертера должны работать одновременно, а два других должны находиться 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 подавать питание на выбранный прибор от SAR. Связь с центральным компьютером осуществляется по шине 1553. В дополнение к выключателям питания в PCU расположены процессоры для алгоритма SAR MPPT , а также некоторые процессоры телеметрии, процессоры для обнаружения отключения космического корабля от верхней ступени запуска и некоторые контроллеры криоохладителей.
Блок сбора данных телеметрии (TAU) состоит из электронных переключателей для различных нагревателей для «теплых» сторон телескопа. Кроме того, есть переключатели для исполнительных механизмов развертывания и основной части процессоров телеметрии (например, для измерения температуры, электроэнергии, уровня топлива и т. Д.). TAU связывается с центральным компьютером через шину 1553.
Как PCU, так и TAU содержат полностью резервированные системы, одна из которых активна, а другая находится в режиме ожидания или полностью выключена. Аккумуляторы JWST являются литий-ионными . [26] В аккумуляторах используется технология твердых угольных элементов Sony 18650. [26] Батареи предназначены для космических полетов и должны выдерживать 18 000 циклов заряда-разряда. [26] Солнечная панель имеет так называемую конфигурацию "хвостовой тяги" [ почему? ] и включает пять сегментов. [11] Каждая опора конструкции солнечной панели изготовлена из углеродного волокна с сотами. [11]
Некоторые ранние конфигурации автобуса имели два крыла с солнечными панелями, по одному с каждой стороны. [27] Часть дизайна программы JWST заключалась в том, чтобы позволить различным вариантам дизайна «соревноваться» друг с другом. [27]
Состав
Хотя автобус будет работать в условиях невесомости космического пространства, во время запуска он должен выдержать вес, эквивалентный 45 тоннам. [6] Конструкция может выдерживать в 64 раза больше собственного веса. [28]
Конструкция космического корабля обеспечивает современные возможности для поддержки первой световой миссии космического телескопа Джеймса Уэбба.
- Управляющий космическим аппаратом телескопа Уэбба, цитируется Composites World [28]
Автобус космического корабля соединен с элементом оптического телескопа и солнцезащитным экраном через узел развертываемой башни. [29] Интерфейс с ракетой-носителем снаружи; Имея форму конуса, он вместе с адаптером полезной нагрузки передает силы веса и ускорения наружу от стенок ракеты-носителя. [30]
Конструкция стенок автобуса выполнена из композитного углеродного волокна и графитового композита. [5] [31]
Автобус длиной 3508 мм (11,509 футов) без солнечных батарей. [32] Расстояние от одного края расширенной шторы до другого составляет 6775 мм (22,228 фута); это включает в себя длину двух жалюзи радиатора шириной два метра. [32] Размер солнечной батареи с хвостовым опусканием составляет 5900 мм (19,4 фута), но обычно она находится под углом 20 ° к солнечному экрану. [32] Группа находится перед стрелой развертывания солнцезащитных сегментов, к которой на конце также прикреплен триммер.
Сама конструкция автобуса весит 350 кг (770 фунтов). [5]
После запуска JWST он начинает разворачиваться и расширяться до своей рабочей конфигурации. [33] Планируется, что в течение первой недели развертываемая башня расширится, что отделит автобус от верхнего космического корабля примерно на 2 метра. [33]
Тестирование: JWST IV и V Simulation and Test (JIST) Solid State Recorder (SSR) Simulator
Для тестирования было разработано программное моделирование твердотельного регистратора, которое поддерживает полное программное моделирование JWST. [14] Это называется симулятором JIST SSR и использовалось для тестирования полетного программного обеспечения со связью SpaceWire и MIL-STD-1553 , поскольку это относится к SSR. [14] Тестовое программное обеспечение выполнялось на одноплатном компьютере Excalibur 1002. [14] Программное обеспечение для тестирования SSR является расширением программного обеспечения JIST, которое называется интегрированным ядром моделирования и тестирования JWST (JIST). [14] JIST объединяет программные моделирования оборудования JWST с реальным программным обеспечением JWST, чтобы обеспечить возможность виртуального тестирования. [14]
Имитация SSR была создана для поддержки создания тестовой версии программного обеспечения JWST, чтобы помочь в проверке и тестировании полетного программного обеспечения для телескопа. [14] Другими словами, вместо использования реальной тестовой аппаратной версии SSR существует программа, имитирующая работу SSR, которая выполняется на другом оборудовании. [14]
SSR является частью подсистемы обработки команд и данных. [2]
Строительство
Элемент космического корабля изготовлен компанией Northrop Grumman Aerospace Systems. [29] Солнцезащитный козырек и автобус планируется интегрировать в 2017 году. [34]
В 2014 году Northrop Grumman начала строительство нескольких компонентов космического автобуса, включая гироскопы, топливные баки и солнечные панели. [35] 25 мая 2016 г. завершена интеграция панелей космического корабля. [35] Общая конструкция автобуса космического корабля была завершена к октябрю 2015 года. [6] Автобус космического корабля был собран на заводе в Редондо-Бич, Калифорния, США. [6] Завершенный автобус космического корабля был впервые включен в начале 2016 года. [36]
Солнечные батареи завершили предварительный аудит проекта в 2012 году, переходя к стадии рабочего проектирования. [37] Баки для топлива и окислителя были отгружены на сборку в сентябре 2015 года. [38]
В 2015 году для строительства были поставлены подсистемы связи, звездные трекеры, колеса реакции, солнечные датчики, блок электроники для развертывания, процессоры командной телеметрии и жгуты проводов. [39]
С 2016 по 2018 год проводятся установки и испытания телескопа и телескопа, а также инструменты, а затем доставка в Космический центр имени Джонсона НАСА в Хьюстоне, штат Техас, где проводятся сквозные оптические испытания в моделируемой криотемпературной и вакуумной космической среде произойдет ... Затем все детали будут отправлены в Northrop Grumman для окончательной сборки и тестирования, а затем во Французскую Гвиану для запуска.
- Пол Гейтнер, менеджер телескопа Уэбба - технический специалист, NASA Goddard [40]
Автобус космического корабля будет собираться с элементом космического корабля и другими частями в Калифорнии. [41]
Для запуска автобус космического корабля прикрепляется к Ariane 5 с помощью нижнего цилиндра Cone 3936 и ACU 2624 и зажимной ленты. [30] Это закрытый пусковой обтекатель, полезный внутренний размер составляет 4,57 метра (15 футов) и 16,19 метра (53,1 фута). [30]
Гироскопы
JWST использует тип гироскопа, известный как гироскоп с полусферическим резонатором (HRG). [24] Эта конструкция не имеет подшипников, трущихся деталей [42] или гибких соединений. [24] Это не традиционный механический гироскоп; вместо этого у HRG есть кварцевая полусфера, которая колеблется на своей резонансной частоте в вакууме. [24] Электроды обнаруживают изменения, если космический корабль движется, чтобы собрать желаемую информацию, и, по прогнозам, конструкция имеет среднее время до отказа 10 миллионов часов. [24] Гироскопы на космическом телескопе Хаббл несколько раз выходили из строя, и их несколько раз приходилось заменять. Однако это были газовые гироскопы другой конструкции, которые имели определенные преимущества, но имели некоторые долгосрочные проблемы с надежностью. [43] JWST будет иметь шесть гироскопов, но только два требуются для наведения. [42] JWST не нуждается в таком точном наведении, потому что у него есть зеркало точного управления, которое помогает противодействовать небольшим движениям телескопа. [42]
У телескопа JWST все еще есть вращающиеся реактивные колеса, которые можно отрегулировать для наведения телескопа без использования топлива. [22] Гироскопы - это датчики, которые предоставляют информацию, а реактивные колеса - это устройства, которые физически изменяют ориентацию космического корабля. [22] JWST имеет как реактивные колеса, так и гироскопы, которые работают вместе с другими системами, чтобы удерживать телескоп на правильной орбите и направлять в желаемом направлении. [22]
Есть два основных традиционных применения гироскопов в космических аппаратах: для обнаружения изменений ориентации и для фактического изменения ориентации. JWST использует HRG в качестве датчиков для обнаружения изменений ориентации в отличие от реальных вращающихся гироскопов. Тем не менее, у него также есть набор реальных вращающихся реактивных колес для поворота телескопа без использования топлива. Он также имеет набор небольших двигателей, которые могут физически изменить положение телескопа.
Стыковочное кольцо
В 2007 году НАСА заявило, что у JWST также будет стыковочное кольцо, которое будет прикреплено к телескопу для поддержки посещения JWST космическим кораблем Орион, если такая миссия станет жизнеспособной. [44] Примером миссии было, если все работало, но антенна не раскладывалась. [44]
Два отмеченных случая, когда небольшие проблемы вызвали проблемы для космических обсерваторий, включают Spacelab 2 IRT и космический корабль Gaia - в каждом случае проблему вызывал случайный материал. На инфракрасном телескопе (IRT), летавшем в рамках миссии Space Shuttle Spacelab- 2, кусок майларовой изоляции оторвался и попал в зону прямой видимости телескопа, искажая данные. [45] Это было на STS-51-F в 1985 году. [45] Другой случай произошел в 2010-х годах на космическом корабле Gaia, для которого был обнаружен рассеянный свет, исходящий от волокон солнечного экрана, выходящих за края щит. [46]
Интеграция
Автобус космического корабля интегрируется в комплекс JWST во время строительства. [47] Автобус космического корабля и сегмент солнцезащитного козырька объединены в так называемый элемент космического корабля, который, в свою очередь, объединен с комбинированной структурой элемента оптического телескопа и интегрированного модуля научных инструментов под названием OTIS. [47] Это вся обсерватория, прикрепленная к конусу, который соединяет JWST с последней ступенью ракеты Ariane 5. [47] Автобус космического корабля - это то место, где этот конус соединяется с остальной частью JWST.
Смотрите также
- Спутниковый автобус
- Хронология космического телескопа Джеймса Уэбба
- Контроль отношения
- Дизайн космического корабля
- Тепловой контроль космических аппаратов
- Солнечные батареи на космических кораблях
- Бортовая обработка данных
Рекомендации
- ^ Дженнер, Линн (2015-04-17). "Mock the Bus: Космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА" . НАСА . Проверено 6 апреля 2021 .
- ^ а б в г д «Космический корабль Автобус Вебб / НАСА» . jwst.nasa.gov . Проверено 6 апреля 2021 .
- ^ «Обсерватория - JWST / NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 .
- ^ а б "Космический телескоп Джеймса Уэбба" . jwst.nasa.gov . Проверено 24 января 2017 .
- ^ Б с д е е г ч I "SatMagazine" . www.satmagazine.com . Проверено 6 апреля 2021 .
- ^ а б в г «Космический телескоп Джеймса Уэбба проходит еще одну веху - SpaceFlight Insider» . www.spaceflightinsider.com . Проверено 20 января 2017 .
- ^ Слоан, Джефф. "Космический телескоп Джеймса Уэбба приближается к полной сборке: CompositesWorld" . www.compositesworld.com . Проверено 20 января 2017 .
- ^ «FAQ-Public JWST / NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 24 января 2017 .
- ^ Росс, Рональд Г. (15 февраля 2007 г.). Криокулеры 13 . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387275338.
- ^ а б в "Космический телескоп Джеймса Уэбба" . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o Статус JWST Sunshield и космического корабля
- ^ «Космический телескоп Джеймса Уэбба проходит еще одну веху - SpaceFlight Insider» . www.spaceflightinsider.com . Проверено 16 сентября 2017 .
- ^ а б в г д "JWST - eoPortal Directory - спутниковые миссии" . directory.eoportal.org . Проверено 6 апреля 2021 .
- ^ Б с д е е г ч Группа, Techbriefs Media. "JWST IV&V Simulation and Test (JIST) Solid State Recorder (SSR) Simulator - Nasa Tech Briefs :: NASA Tech Briefs" . www.techbriefs.com . Проверено 20 января 2017 .
- ^ а б [1]
- ^ «FAQ-Public JWST / NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 3 ноября 2017 .
- ^ а б "Какие двигатели будут использовать космический телескоп Джеймса Уэбба для поддержания станции?" . space.stackexchange.com . Проверено 20 января 2017 .
- ^ [2]
- ^ Космический телескоп Джеймса Уэбба Первоначальная коррекция среднего курса Реализация Монте-Карло с использованием параллелизма задач
- ^ [3]
- ^ [4]
- ^ а б в г д [5]
- ^ [6]
- ^ a b c d e f JWST FAQ
- ^ а б в [7]
- ^ а б в г «Компания ABSL Space Products заключила контракт на получение литий-ионной батареи для космического телескопа Джеймса Уэбба» . www.abslspaceproducts.com . Проверено 20 января 2017 .
- ^ а б [8]
- ^ a b Космический телескоп Джеймса Уэбба в дюймах к полной сборке 2015
- ^ a b Нил Инглиш - Космические телескопы: захват лучей электромагнитного спектра - стр. 290 (Google Книги
- ^ а б в «Запуск - JWST / NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 .
- ^ "Корпорация Northrop Grumman - Связи с инвесторами - Пресс-релиз" . investor.northropgrumman.com . Проверено 20 января 2017 .
- ^ а б в [9]
- ^ а б [10]
- ^ Обновление Astrophycis 2015 - Пол Герц
- ^ а б "Телескоп Джеймса Уэбба -" . hubblesite.org . Проверено 20 января 2017 .
- ^ Корпорация, Northrop Grumman. «Космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА достиг важной вехи на пути к запуску с завершением и поставкой элемента оптического телескопа» . Комната новостей GlobeNewswire . Проверено 20 января 2017 .
- ^ «Производство космического корабля, построенного Northrop Grumman для космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА, продвигается вперед с завершением проектирования ключевой коммуникационной структуры» . Отдел новостей Northrop Grumman . Проверено 20 января 2017 .
- ^ "Новости" . www.orbitalatk.com . Проверено 20 января 2017 .
- ^ [11]
- ^ [12]
- ^ Дженнер, Линн (24.02.2016). «Космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА объединится в ближайшие два года» . НАСА . Проверено 20 января 2017 .
- ^ а б в «FAQ-Public JWST / NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 .
- ^ [13]
- ^ а б «НАСА добавляет возможность стыковки для следующей космической обсерватории» . Space.com . Проверено 28 января 2017 .
- ^ а б Кент и др. - Структура Галактики с инфракрасного телескопа Spacelab (1992 г.) .
- ^ «СОСТОЯНИЕ АНАЛИЗА GAIA STRAYLIGHT И ДЕЙСТВИЯ ПО СМЯГЧЕНИЮ» . 2014-12-17 . Проверено 1 января 2015 года .
- ^ а б в [14]
Внешние ссылки
- [15]
- Фотография строящегося автобуса
- На странице 18 есть схемы автобуса.