Автобус космического корабля (космический телескоп Джеймса Уэбба)

Автобус 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] Регион 3 ISIM также находится внутри шины космического корабля. Регион 3 включает в себя подсистему управления командами и данными ISIM и среднего инфракрасного диапазона (MIRI) криокулер . [4]
Автобус космического корабля должен конструктивно поддерживать космический телескоп массой 6,5 тонны 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 изолирует 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, что обращено 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 системы слежения за звездами и отправляя необходимые команды реактивным колесам или двигателям. [10]
Обзор
[ редактировать ]
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 есть шесть основных подсистем: [11] [2]
- Подсистема электроэнергетики
- управления отношением Подсистема
- Подсистема связи
- Подсистема командования и обработки данных (C&DH) [2]
- Командный телеметрический процессор
- Твердотельный регистратор (SSR)
- Подсистема двигательной установки
- Подсистема термоконтроля
Автобус космического корабля имеет два звездных трекера , шесть реактивных колес и двигательные установки ( топливный бак и двигатели ). [12] Две основные задачи — наведение телескопа и удержание станции на метастабильной гало-орбите L2. [12]
Обработка команд и данных (C&DH)
[ редактировать ]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
[ редактировать ]К автобусу прикреплена антенна связи, которая может указывать на Землю. [13] : Рис. 1 Имеется Ka-диапазона и S-диапазона . радиосвязь [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
[ редактировать ]JWST использует два типа двигателей. В двигателях с добавочным двигателем вторичного сгорания (SCAT) используется гидразин ( N 2 H 4 ) и окислитель четырехокись азота ( N 2 O 4 ) в качестве пропеллентов. [15] Всего 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 изменять ориентацию без использования топлива для изменения импульса. [17]
Наконец, есть два титановых гелиевых бака для обеспечения нерегулируемого давления для всех видов топлива. [ нужна ссылка ]
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
[ редактировать ]В состав тепловых систем автобуса входят раздвижные шторки радиатора в сборе. Их два: один вертикальный (DRSA-V) и один горизонтальный (DRSA-H), соответственно по вертикали и 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 закрепленная снизу плафон радиатора, также изготовленный из каптоновой мембраны с покрытием. Покрытие мембраны — кремний и VPA. Остальные части снаружи покрыты многослойной изоляцией JWST (MLI). [ нужна ссылка ]
Подсистема электропитания (EPS)
[ редактировать ]Подсистема электропитания обеспечивает электричеством космический корабль JWST. [19] Он состоит из набора солнечных батарей и аккумуляторных батарей. [19] [20] регулятор солнечной батареи (SAR), блок управления мощностью (PCU) и блок 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 батареях используется технология твердоуглеродных элементов Sony 18650. [20] Батареи рассчитаны на космические полеты и должны выдержать 18 000 циклов зарядки-разрядки. [20] Каждая опора конструкции солнечной панели представляет собой сотовый композит из углеродного волокна. [ нужна ссылка ]
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 дизайна «конкурировать» друг с другом. [21]
Структура
[ редактировать ]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 миссии космического телескопа Джеймса Уэбба.
— Менеджер космического корабля Webb Telescope, цитирует 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 стенкам 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] Массив находится перед стрелой развертывания 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 работы развертываемая башня выдвинется, что отделит автобус от верхнего космического корабля примерно на 2 метра. [27]
Тестирование
[ редактировать ]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
[ редактировать ]
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 панелей космического корабля. [30] Общая конструкция автобуса космического корабля была завершена к октябрю 2015 года. [6] Автобус космического корабля был собран на заводах в Редондо-Бич, штат Калифорния , США. [6] Готовый автобус космического корабля был впервые включен в эксплуатацию 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 проводятся установка и испытания телескопа, а также телескопа и инструментов с последующей доставкой в Космический центр НАСА имени Джонсона 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 испытаний, а затем во Французскую Гвиану для запуска.
- Пол Гайтнер, менеджер телескопа Уэбба по техническим вопросам 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 замкнутый стартовый обтекатель, полезный внутренний размер которого составляет 4,57 метра (15 футов) и 16,19 метра (53,1 фута). [24]
Гироскопы
[ редактировать ]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 данной конструкции отсутствуют подшипники, трущиеся детали, [37] или гибкие связи. [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 точное рулевое зеркало, которое помогает компенсировать небольшие движения телескопа. [37]
Телескоп JWST также оснащен вращающимися реактивными колесами, 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 направлять его в нужном направлении. [17]
Интеграция
[ редактировать ]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.
См. также
[ редактировать ]- Спутниковый автобус
- Хронология космического телескопа Джеймса Уэбба
- Контроль отношения
- Конструкция космического корабля
- Солнечные панели на космическом корабле
- Встроенная обработка данных
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дженнер, Линн (17 апреля 2015 г.). «Издевайтесь над автобусом: космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба» . НАСА . Проверено 06 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж «Космический автобус» . jwst.nasa.gov . Проверено 06 апреля 2021 г.
- ^ «Обсерватория – JWST/НАСА» . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ «ИСИМ и инструменты» . jwst.nasa.gov . Архивировано из оригинала 3 декабря 2016 г. Проверено 24 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д и «ПРАЙМ: Нерассказанная история космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА» . www.satmagazine.com . Февраль 2012 года . Проверено 06 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д «Космический телескоп Джеймса Уэбба преодолел еще одну веху — SpaceFlight Insider» . www.spaceflightinsider.com . 10 октября 2015 г. Проверено 20 января 2017 г.
- ^ 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.
- ^ «FAQ-Public JWST/NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 24 января 2017 г.
- ^ Росс, Рональд Г. (15 февраля 2007 г.). Криокуллеры 13 . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387275338 .
- ^ Jump up to: а б с «Космический телескоп Джеймса Уэбба» . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ «Космический телескоп Джеймса Уэбба преодолел еще одну веху — SpaceFlight Insider» . www.spaceflightinsider.com . 10 октября 2015 г. Проверено 16 сентября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д и «JWST — Каталог eoPortal — Спутниковые миссии» . каталог.eoportal.org . Проверено 06 апреля 2021 г.
- ^ 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.
- ^ «FAQ-Public JWST/NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 3 ноября 2017 г.
- ^ 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.
- ^ «Привод JWST — Пользовательская документация JWST» . jwst-docs.stsci.edu . Проверено 9 января 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с д 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}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Jump up to: а б с д и «Часто задаваемые вопросы для ученых Телескопа Уэбба / НАСА» . jwst.nasa.gov .
- ^ Jump up to: а б с «Изображение: тестирование подсистемы электропитания космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА» . физ.орг . Проверено 24 июня 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д «ABSL Space Products заключила контракт на литий-ионную аккумуляторную батарею для космического телескопа Джеймса Уэбба» . www.abslspaceproducts.com . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Обзор проекта космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST)» (PDF) . Июнь 2004 года.
- ^ Jump up to: а б «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.
- ^ Jump up to: а б Нил Инглиш - Космические телескопы: захват лучей электромагнитного спектра - страница 290 (Google Книги)
- ^ Jump up to: а б с «Запуск – JWST/НАСА» . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ «Корпорация Northrop Grumman – Связи с инвесторами – Пресс-релиз» . investor.northropgrumman.com . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с «Космический автобус Уэбб/НАСА» .
- ^ Jump up to: а б «Часто задаваемые вопросы, полный общедоступный телескоп Уэбб / НАСА» .
- ^ 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.
- ^ «Обновление Astrophycis 2015 — Пол Герц» (PDF) .
- ^ Jump up to: а б «Телескоп Джеймса Уэбба» . сайт хабблсайт.org . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ Корпорация Нортроп Грумман. «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.
- ^ «Изготовление космического корабля, построенного компанией Northrop Grumman для космического телескопа НАСА Джеймса Уэбба, продвигается вперед с завершением проектирования ключевой структуры связи» . Отдел новостей Northrop Grumman . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ «Новостной зал» . www.orbitalatk.com . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ https://jwst.stsci.edu/files/live/sites/jwst/files/home/events/_documents/EricSmithAASJan2015.pdf [ пустой URL PDF ]
- ^ «Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба будет создан в течение следующих двух лет» . 24 февраля 2016 г.
- ^ 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.
- ^ Jump up to: а б с «FAQ-Public JWST/NASA» . jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ «Гироскопы» .
- ^ Jump up to: а б с Состояние космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) Обсерватория М.Клэмпин 30 слайдов