De la Analizorul de praf cosmic la Descrierea modelului sondelor spațiale științifice - Descărcare gratuită PDF
Departamentul de tehnologie spațială, Universitatea Tehnică din München De la Analizorul de praf cosmic până la modelul Descrierea sondelor spațiale științifice Ralf Srama Copie completă a disertației aprobată de Departamentul de inginerie mecanică de la Universitatea Tehnică din München pentru a obține diploma academică de inginer doctor. Președinte: examinator al disertației: prof. Univ. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. R. Friedrich 1. Prof. univ. Dr.-Ing. A doua aplicație a lui Eduard Igenberg Prof. Dr. rer. nat. Eberhard Grün Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Disertația a fost depusă la Universitatea Tehnică din München la 19 iunie 2000 și acceptată de Facultatea de Inginerie Mecanică la 10 noiembrie 2000.
3.91 O particulă de praf interplanetară
ii CUPRINS Cuprins 1 Introducere 1 1.1 Context științific. 1 1.1.1 Praful interplanetar. 1 1.1.2 Praful interstelar. 3 1.1.3 Praful în sistemul natural. 4 1.1.4 Încărcarea particulelor de praf. 6 1.2 Misiunea Cassini-Huygens. 8 1.2.1 Întrebări științifice. 8 1.2.2 Sonda spațială Cassini-Huygens. 9 1.2.3 Cerințe pentru detectorul de praf. 9 1.2.4 Influențe externe asupra dulapului sondei de cameră. 12 1.3 Problemă. 14 1.4 Procedură. 14 2 Sistemul de analiză a prafului cosmic 17 2.1 Subsistemele Analizorului de praf cosmic (CDA). 17 2.1.1 Piesa grilajului de admisie (QP). 18 2.1.2 Senzorul de impact (IID). 19 2.1.3 Analizorul chimic (CAT). 20 2.1.4 Detectorul cu rată mare (HRD). 21 2.2 Integrarea și optimizarea sistemului general. 23 2.2.1 Configurarea. 23 2.2.2 Defecțiuni. 29 2.2.3 Pregătirea canalelor de măsurare. 32 2.2.4 Software. 40 2.3 Măsurători la acceleratorul de praf. 42 2.4 Primele rezultate ale sistemului general. 43 2.4.1 Funcția generală. 43 2.4.2 Compararea măsurătorilor de laborator și de zbor. 43 2.4.3 Întrebări deschise. 46
CUPRINS iii 3 Evaluarea sistemului CDA 49 3.1 Procedura de evaluare a sistemului. 49 3.1.1 Prezentare generală a parametrilor. 49 3.1.2 Funcția de evaluare. 51 3.2 Dezvoltarea unui sistem de evaluare a datelor pentru măsurătorile de laborator 52 3.2.1 Sistem de evaluare a măsurătorilor. 52 3.3 Determinarea parametrilor. 59 3.3.1 Masa, consumul de energie, volumul de date și rata de date . 59 3.3.2 Costuri. 60 3.3.3 Determinarea vitezei. 61 3.3.4 Determinarea masei. 71 3.3.5 Determinarea direcției. 75 3.3.6 Determinarea încărcăturii. 77 3.3.7 Domenii dinamice și limite mai mici de măsurare. 78 3.3.8 Rezoluția de masă. 78 3.3.9 Susceptibilitatea la eșec. 83 3.3.10 Probabilitatea de eșec. 87 3.3.11 Detectarea evenimentelor și fiabilitatea evenimentelor. 89 3.4 Potențialul științific al unui experiment. 96 3.5 Rezultatele evaluării. 100 4 Sistemul științific al sondei spațiale 103 4.1 Elemente și parametri ai sistemului. 103 4.1.1 De la sonda spațială cu un singur experiment la sistemul general 103 4.1.2 Relații de parametri. 105 4.2 Funcțiile sistemului și potențialul științific. 108 4.3 Sonda spațială Cassini-Huygens ca exemplu. 117 4.3.1 Prezentare generală a sistemului. 117 4.3.2 Determinarea parametrilor sistemului. 118 4.3.3 Potențialul științific. 120 4.3.4 Discutarea sistemului Cassini-Huygens. 122 4.3.5 Vizualizare. 127 4.4 Modelul shell. 129 5 Rezumat 131
iv CUPRINS A Considerații pentru sistemul de sondă spațială 135 B Costurile unei misiuni spațiale 139 B.1 Istorie și factori de cost. 139 B.2 Optimizare și tendințe. 141 B.2.1 Programare și gestionare. 141 B.2.2 Aspecte tehnice. 142 B.2.3 DesigntoCost. 143 B.3 Rezumat. 144 C Problema de observare a unei sonde spațiale 147 C.1 Sugestii. 147 C.1.1 Discutarea primei propuneri. 147 C.1.2 Discutarea celei de-a doua propuneri. 150 D Reguli oficiale de zbor Cassini-Huygens 153 E Discutarea funcției omega 155 F Combinație și probabilități de eșec 157 G Diagrama bloc CDA 165 H Fișa tehnică a sondei spațiale Cassini-Huygens 167 H.1 Proprietățile sondei spațiale. 167 H.2 Evenimente de misiune. 167 H.3 DieCassiniTour18-5. Fișa tehnică 168 I a Analizorului de praf cosmic 169
10 1 INTRODUCERE Figura 2: Sonda spațială Cassini. În stânga și în dreapta experimentului de praf CDA (Cosmic Dust Analyzer) se află sonda Huygens a ESA (stânga) și antenele experimentului radio cu unde de plasmă. Antena antena are un diametru de 4 m. Spațiul interplanetar 1. Măsurători ale fluxurilor de praf și compoziții la o distanță de 1 UA de soare în scopul comparării cu rezultatele altor misiuni spațiale și cu descoperirile terestre; Explorarea distribuției prafului dincolo de Jupiter. 2. Determinarea profilului radial al râurilor populațiilor individuale de praf în funcție de distanța față de soare. Determinarea traiectoriilor și vitezei diferitelor populații de praf. Identificarea sursei de praf prin determinarea compoziției elementare (asteroid, cometă, sistem Jupiter, interstelar.). 3. Determinarea sarcinii electrice a particulelor și a proceselor de încărcare a acestora. Jupiter 1. Comparație cu rezultatele misiunii Galileo pentru a determina fenomene variabile din punct de vedere temporal. 2. Determinarea compoziției elementare a curenților de praf din Jupiter. Saturn 1. Determinarea distribuției densității și dinamicii particulelor de praf în sistemul inelar și în vecinătatea lunilor lui Saturn.
20 2 SISTEMUL DE ANALIZATOR PRAF COSMIC ziune. Impactul unei particule de mare viteză pe o suprafață duce la numeroase evenimente: apare un crater de impact, particulele și părțile fragmentului țintă, apare plasma de impact și se formează particule neutre. În funcție de viteza de impact și de masa particulei, domină anumite procese. Impacturi la viteze mici (0). Pentru a măsura semnale multiplicatoare mari, trebuie să măsurați tensiunea pe o parte frontală-
Viteza [km/s] R. Srama MPI-K evaluate.pro Vin Dec 17 09:37:51 1999 QEoQC_Speed_kmos_1072.ps 90 3 EVALUAREA SISTEMULUI CDA 100 10 1072 triunghi = IID cruce = CAT m. Spec. Punct = CAT fără spect. 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QC Figura 43: La impactul IID, raportul de încărcare QE/QC arată dacă viteza de impact este mai mare de 15 km/s. Crucile (stânga) sunt impacturi asupra CAT, care au arătat, de asemenea, un spectru de impact asupra multiplicatorului. Triunghiurile (dreapta) sunt impacturi IID. Raportul QE la QC oferă o indicație clară dacă impactul particulelor a avut loc pe IID sau CAT. pentru sistemul microprocesor al experimentului. Simbolul = trebuie interpretat ca o concluzie într-o singură direcție (de la stânga la dreapta). Așa cum se poate vedea din Formula 48, de exemplu, dacă este îndeplinită condiția specificată, trebuie să fie un impact IID. În schimb, nu se poate concluziona că toate impacturile IID îndeplinesc, de asemenea, această condiție. Simbolul ar fi folosit pentru aceasta, așa cum este cazul în Formula 43.
Viteza [km/s] R. Srama MPI-K evaluate.pro Vin Dec 17 09:46:37 1999 QCoQI_Speed_kmos_1072.ps 3.3 Determinarea parametrilor 91 100 10 1072 triunghi = IID cruce = CAT m. Punct specific = CAT fără spect. 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QC/QI Figura 44: Raportul de încărcare al QC și QI poate determina locația impactului dacă viteza este aproximativ cunoscută. Crucile simbolizează impacturile CAT cu un spectru de impact, punctele (doar puțin vizibile) impacturile CAT fără un spectru de impact și triunghiurile reprezintă impacturi IID. Rezumatul criteriilor de impact IID Condițiile 0) la 8) 21 din ecuațiile 40-48 identifică impacturile asupra țintei mari: 0µs 20 km/s) (40) ti 90% te 90% 10 v> 10 km/s = impact IID (42) QE QC> 0,25 impact IID (43) QE QI> 2,5 = impact IID (foarte des) (44) QC QP 0,25 = impact IID (48) 21 Numerotarea de la 0) la 8) este utilizată pentru o mai bună comparație cu Software de evaluare.
Viteza [km/s] R. Srama MPI-K evaluate.pro Sâ 05 iunie 18:07:15 1999 QElin_amp2_C_o_QIlin_amp1_C_f_speed_psu_kmos_f_269.ps 92 3 EVALUAREA SISTEMULUI CDA 100 10 269 IID triunghiuri CAT-cu-Spektrum pătrate IID cross CATd 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QI Figura 45: Raportul de încărcare al QE și QI poate determina locația impactului dacă viteza este aproximativ cunoscută. Crucile simbolizează impacturile CAT fără spectru de impact, triunghiurile Impacturile CAT cu spectrul de impact și pătratele reprezintă impacturi IID. Rezumatul condițiilor criteriilor de impact CAT 16) până la 30) în ecuațiile 49 până la 63 identifică impacturile asupra țintei mici
116 4 SISTEMUL DE SONDĂ SPATIALĂ ȘTIINȚIFICĂ Potențialul științific P W al unei sonde spațiale a fost exprimat acum prin fiabilitatea magistralei sondei, gradul de integrare a magistralei sondei I B și sinergia S și potențialul științific al experimentelor științifice P WIj. Valoarea P W servește ca o măsură a eficienței în care întregul sistem de sondă poate efectua observații științifice. Prin urmare, această valoare este un supliment la definițiile obișnuite, cum ar fi Megabiți/costuri care caracterizează astfel de sisteme până acum. Figurile 57 și 58 arată dependențele valorii P W. Figura 57: Dependența potențialului științific al unei misiuni spațiale PW de gradul de integrare a magistralei IB cu diferite fiabilități de magistrală Ex. 1000 Potențialul științific al sondei spațiale ZB = 0,9 S = 0,5 IB = 0, 8 100 IB = 0,6 PWIB = 0,5 10 IB = 0,4 IB = 0,3 IB = 0,2 1 5 8 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 Suma P WI Figura 58: Diagrama arată dependența potențialului științific al unei misiuni spațiale PW de potențialul științific al instrumentelor sale P WI = PP WIj cu diferite grade de integrare a magistralei sondei spațiale IB.
130 4 SISTEMUL DE SONDĂ ȘTIINȚIFICĂ A CAMEREI
133 probabilitatea de a face descoperiri științifice. În proiectarea sondei spațiale, trebuie căutată integrarea și nu adăugarea subsistemelor pentru a minimiza interacțiunile reciproce și pentru a menține numărul restricțiilor generale (orientarea sondei spațiale) scăzut. Pentru sistemele mari, complexitatea ar trebui să crească capacitățile, fiabilitatea și să simplifice operațiunile de misiune. Scopul este de a optimiza întregul sistem și nu de a optimiza subsistemele individuale. Optimizarea gradului de integrare este desigur mai ușoară cu sonde mici, mai puțin complexe. Relațiile funcționale stabilite în această lucrare pentru calcularea unui potențial științific se bazează pe propria noastră experiență în proiectul Cassini-Huygens și poate fi necesară adaptarea la misiunea în cauză. Cu toate acestea, procedura prezentată aici poate fi adoptată.
138 O SISTEM DE SONDĂ DE CAMERE CONSIDERAȚII și obiective politice ale unui proiect. Criteriul de ghidare adecvat este apoi selectat din acesta. Eventual. obiectivele trebuie adaptate la criteriul de îndrumare, dacă de ex. se alege modelul unei cheltuieli financiare care nu trebuie depășită (criteriul orientativ 1.). Următoarea fază include proiectarea precisă a navei spațiale care poate atinge obiectivele cerute. Este necesar să se estimeze puterea electrică necesară a experimentelor necesare și greutatea lor necesară. Dacă cerințele experimentelor sunt prea mari, în funcție de alegerea criteriului de îndrumare și de prioritizarea subaspectelor, fie obiectivele trebuie redefinite pentru a putea proiecta experimentele mai ușor sau mai ieftin (descopere), fie sonda spațială, în cadrul efortului permis, nevoile Experimentele sunt adaptate (măriți sonda spațială, efortul proiectului crește).
B.3 Rezumatul 145 s-a dovedit a avea succes. Cu toate acestea, aceste misiuni nu pot fi realizate în conformitate cu specificații de cost stricte, cu o rată de succes ridicată și probabilități reduse de eroare. Cu toate acestea, alte misiuni ESA Cornerstone, cum ar fi Rosetta, ar putea pune în discuție filosofia NASA despre Faster Cheaper Better, cu numeroasele sale eșecuri.
146 B COSTURILE MISIUNII SPATIALE
154 D REGULILE OFICIALE DE ZBOR AL CASSINI-UUIGENILOR
166 G DIAGRAMA BLOCULUI CDA
Fișa tehnică 167 H a sondei spațiale Cassini-Huygens H.1 proprietățile sondei spațiale putere electrică la Saturn 660 W masă inițială 5600 kg masă științifică. Instrumente orbitare 360 kg Masa eșantionului Huygens Instrumente 43,8 kg # de senzori științifici 66 Combustibil 2500 kg Volumul stocării datelor 4 Gbits Precizia alinierii 2,0 mrad Stabilitatea alinierii 0,036 mrad peste 5 s Catalog stele 3700 stele # Sisteme microprocesor autobuz 26 Înălțime 6,8 m Diametrul antenei principale 4 m Lungimea arborelui magnetometrului 11 m Limbaj de programare Ada Puterea emițătorului 19 W Rată de date la Saturn 140 kbits/s Puterea principală a motorului 445 N Frecvența emițătorului Banda X Canale de măsurare telemetrie 11000 H.2 Evenimente de misiune Începeți cu Titan IVB 15 octombrie 1997 Venus # 1 Flyby 26 aprilie 1998 Checkout # 1 16 decembrie 1998-10 ianuarie 1999 Venus # 2 Flyby 24/06/1999 Flyby Pământ 18/8/1999 Intrarea centurii de asteroizi 12/12/1999 Ieșirea centurii de asteroizi 4/10/2000 Antena cu câștig ridicat împământată 12/2/2000 Zbura Jupiter 30/12/2000 Phoebe zbura 6/11/2004 Inserția orbitei Saturn 11/1/2004 Huygens-Probe 6/11/2004 Detașare .2004 Sfârșitul misiunii 1 iulie 2008
168 H FIȘA DE DATE A SONDEI SPAȚIALE CASSINI-HUYGENS H.3 Turul Cassini 18-5 Figura 74: Turul misiunii Cassini-Huygens pe Saturn. Segmentele colorate sunt 1.7.2004-15.2.2005 (alb), 15.2.2005-1.4.2005 (violet), 1.4.2005-7.9.2005 (portocaliu), 7.9.2005-22.7.2006 (verde), 22.7. 2006-30.6.2007 (albastru), 30.6.2007-31.8.2007 (galben) și 31.8.2007-1.7.2008 (roșu). Linia punctată interioară corespunde axei semi-majore a orbitei lui Titan, linia punctată exterioară corespunde axei semi-majore a Iapetus. Direcția soarelui corespunde direcției + x, z corespunde axei polare a lui Saturn. Unitatea axei este raza Saturn. Grafica a fost creată de K. Grazier.