Від аналізатора космічного пилу до опису моделі наукових космічних зондів - PDF скачати безкоштовно

Департамент космічних технологій Мюнхенського технічного університету Від космічного пилоаналізатора до модельного опису наукових космічних зондів Ральф Срама Повна копія дисертації, затвердженої кафедрою машинобудування Мюнхенського технічного університету для здобуття вченого ступеня доктора інженера Голова: Експерт дисертації: ун-т проф. Доктор-інж. Доктор-інж. хабіл. Р. Фрідріх 1. ун-т проф. Доктор-інж. Едуард Ігенберг, 2 апл. вип. нац. Eberhard Grün Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Дисертація була подана до Мюнхенського технічного університету 19 червня 2000 р. І прийнята механічним факультетом 10 листопада 2000 р.

опису

3.91 Міжпланетна частинка пилу

ii ЗМІСТ Зміст 1 Вступ 1 1.1 Наукова довідка. 1 1.1.1 Міжпланетний пил. 1 1.1.2 Міжзоряний пил. 3 1.1.3 Пил у природній системі. 4 1.1.4 Заряд частинок пилу. 6 1.2 Місія Кассіні-Гюйгенса. 8 1.2.1 Наукові питання. 8 1.2.2 Космічний зонд Кассіні-Гюйгенса. 9 1.2.3 Вимоги до детектора пилу. 9 1.2.4 Зовнішні впливи на шафу зонду кімнати. 12 1.3 Проблема. 14 1.4 Процедура. 14 2 Система космічного пилоаналізатора 17 2.1 Підсистеми космічного пилоаналізатора (CDA). 17 2.1.1 Вхідна решітка (QP). 18 2.1.2 Датчик удару (IID). 2.1.3 Хімічний аналізатор (CAT). 2.1.4 Високошвидкісний детектор (HRD). 21 2.2 Інтеграція та оптимізація загальної системи. 23 2.2.1 Конфігурація. 23 2.2.2 Несправності. 29 2.2.3 Підготовка вимірювальних каналів. 32 2.2.4 Програмне забезпечення. 40 2.3 Вимірювання на прискорювачі пилу. 42 2.4 Перші результати загальної системи. 43 2.4.1 Загальна функція. 43 2.4.2 Порівняння лабораторних та льотних вимірювань. 43 2.4.3 Відкриті запитання. 46

ЗМІСТ iii 3 Оцінка системи CDA 49 3.1 Процедура оцінки системи. 49 3.1.1 Огляд параметрів. 49 3.1.2 Функція оцінки. 51 3.2 Розробка системи оцінки даних для лабораторних вимірювань 52 3.2.1 Система оцінки вимірювань. 52 3.3 Визначення параметрів. 59 3.3.1 Маса, енергоспоживання, обсяг даних та швидкість передачі даних . 59 3.3.2 Витрати. 60 3.3.3 Визначення швидкості. 61 3.3.4 Визначення маси. 71 3.3.5 Визначення напрямку. 75 3.3.6 Визначення вантажу. 77 3.3.7 Динамічні діапазони та нижчі межі вимірювань. 78 3.3.8 Масова роздільна здатність. 78 3.3.9 Схильність до невдач. 83 3.3.10 Імовірність поломки. 87 3.3.11 Виявлення подій та надійність подій. 89 3.4 Науковий потенціал експерименту. 96 3.5 Результати оцінки. 100 4 Науково-космічна зондова система 103 4.1 Елементи та параметри системи. 103 4.1.1 Від космічного зонда з одним експериментом до загальної системи 103 4.1.2 Співвідношення параметрів. 105 4.2 Системні функції та науковий потенціал. 108 4.3 Космічний зонд Кассіні-Гюйгенса як приклад. 117 4.3.1 Огляд системи. 117 4.3.2 Визначення параметрів системи. 118 4.3.3 Науковий потенціал. 120 4.3.4 Обговорення системи Кассіні-Гюйгенса. 122 4.3.5 Вигляд. 127 4.4 Модель оболонки. 129 5 Резюме 131

iv ЗМІСТ A Міркування щодо системи космічних зондів 135 B Витрати на космічну місію 139 B.1 Історія та фактори витрат. 139 Б.2 Оптимізація та тенденції. 141 B.2.1 Програмування та управління. 141 В.2.2 Технічні аспекти. 142 B.2.3 DesigntoCost. 143 Б.3 Резюме. 144 C Проблема спостереження космічного зонда 147 C.1 Пропозиції. 147 C.1.1 Обговорення першої пропозиції. 147 C.1.2 Обговорення другої пропозиції. 150 D Офіційні правила польоту Кассіні-Гюйгенса 153 E Обговорення функції омега 155 F Комбінаторика та ймовірність відмов 157 G Структурна схема CDA 165 H Технічний паспорт космічного зонда Кассіні-Гюйгенса 167 H.1 Властивості космічного зонда. 167 H.2 Події місії. 167 H.3 DieCassiniTour18-5. 168 I технічний паспорт космічного аналізатора пилу 169

10 1 ВСТУП Рисунок 2: Космічний корабель "Кассіні". Зліва та праворуч від експерименту з пилом CDA (космічний пилоаналізатор) сидить зонд Гюйгенса ESA (ліворуч) та антени експерименту з радіохвильовими хвилями. Антенна антена має діаметр 4 м. Міжпланетний простір 1. Вимірювання потоків пилу та композицій на відстані 1 а.е. від сонця з метою порівняння з результатами інших космічних місій та з наземними знахідками; Вивчення розподілу пилу за межами Юпітера. 2. Визначення радіального профілю річок окремих пилових популяцій як функції відстані від сонця. Визначення траєкторій руху та швидкості різних популяцій пилу. Ідентифікація джерела пилу шляхом визначення елементарного складу (астероїд, комета, система Юпітера, міжзоряна.). 3. Визначення електричного заряду частинок та процесів їх заряджання. Юпітер 1. Порівняння з результатами місії Галілея для визначення тимчасово змінних явищ. 2. Визначення елементарного складу пилових потоків з Юпітера. Сатурн 1. Визначення розподілу щільності та динаміки частинок пилу в кільцевій системі та в районі супутників Сатурна.

20 2 КОСМІЧНА СИСТЕМА АНАЛІЗАТОРА ПИЛУ. Вплив високошвидкісної частинки на поверхню призводить до численних подій: відбувається ударний кратер, частинки та частини фрагмента мішені, ударна плазма і утворюються нейтральні частинки. Залежно від швидкості удару та маси частинки домінують певні процеси. Удари на низьких швидкостях (0). Щоб виміряти сигнали великого множника, потрібно виміряти напругу спереду-

Швидкість [км/с] R. Srama MPI-K evalu.pro пт 17 грудня 09:37:51 1999 QEoQC_Speed_kmos_1072.ps 90 3 ОЦІНКА СИСТЕМИ CDA 100 10 1072 Трикутник = IID хрест = CAT із специфікацією Точка = CAT без спектра. 1 0,01 0,01 1,00 10,00 100,00 QE/QC Рисунок 43: При впливі на IID відношення заряду QE до QC показує, чи швидкість удару не перевищує 15 км/с. Хрестики (ліворуч) мають вплив на CAT, який також продемонстрував спектр впливу на множник. Трикутники (праворуч) - це дії IID. Співвідношення QE і QC дає чітке вказівку на те, чи стався вплив частинок на IID або CAT. для мікропроцесорної системи експерименту. Символ = слід інтерпретувати як висновок в одному напрямку (зліва направо). Як видно з Формули 48, наприклад, якщо вказана умова виконується, це має бути вплив ІІД. І навпаки, не можна зробити висновок, що всі впливи ІІД також відповідають цій умові. Для цього буде використаний символ, як це має місце у Формулі 43.

Швидкість [км/с] R. Srama MPI-K evalu.pro пт 17 грудня 09:46:37 1999 QCoQI_Speed_kmos_1072.ps 3.3 Визначення параметрів 91 100 10 1072 Трикутник = перехрестя IID = CAT із специфікацією Точка = CAT без спектра . 1 0,01 0,01 1,00 10,00 100,00 QC/QI Рисунок 44: Коефіцієнт заряду QC і QI може визначити місце удару, якщо швидкість приблизно відома. Хрестики символізують удари CAT зі спектром удару, точки (лише слабо помітні) CAT удари без спектру удару, а трикутники представляють удари IID. Короткий зміст критеріїв впливу ІІД Умови 0) - 8) 21 у рівняннях 40 - 48 ідентифікують вплив на велику ціль: 0 мкс 20 км/с) (40) ti 90% te 90% 10 v> 10 км/с = вплив IID (42) QE QC> 0,25 IID вплив (43) QE QI> 2,5 = IID вплив (дуже часто) (44) QC QP 0,25 = IID вплив (48) 21 Послідовна нумерація від 0) до 8) використовується для кращого порівняння з Програмне забезпечення для оцінки.

Швидкість [км/с] R. Srama MPI-K evalu.pro сб, 05 червня 18:07:15 1999 QElin_amp2_C_o_QIlin_amp1_C_f_speed_psu_kmos_f_269.ps 92 3 ОЦІНКА СИСТЕМИ CDA 100 10 269 IID трикутники CAT-with-Spektrum квадрати IID хрест CAT nospekt 1D 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QI Рисунок 45: Співвідношення заряду QE і QI може визначити місце удару, якщо швидкість приблизно відома. Хрестики символізують удари CAT без спектра удару, трикутники CAT удари спектром удару, а квадрати - удари IID. Короткий зміст Критеріїв впливу CAT з 16) по 30) у рівняннях 49 - 63 визначають вплив на малу ціль

116 4 НАУКОВА КОСМІЧНА ЗОНДОВА СИСТЕМА Науковий потенціал P W космічного зонда тепер виражається надійністю шини зонда, ступенем інтеграції шини зонда I B та синергією S та науковим потенціалом наукових експериментів P WIj. Значення P W служить мірою того, наскільки ефективно вся зондова система може здійснювати наукові спостереження. Отже, це значення є доповненням до раніше поширених визначень, таких як Мегабіт/витрати, що характеризують такі системи на сьогодні. На рисунках 57 і 58 показані залежності величини P W. Рисунок 57: Залежність наукового потенціалу космічної місії PW від ступеня інтеграції шини IB з різною надійністю шини, напр. 1000 Науковий потенціал космічного зонда 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 Сума P WI Малюнок 58: Діаграма показує залежність наукового потенціалу космічної місії PW від наукового потенціалу її приладів P WI = PP WIj з різним ступенем інтеграції шини космічного зонда IB.

130 4 НАУКОВА СИСТЕМА ЗОНДУ

133 ймовірність зробити наукові відкриття. При проектуванні космічних зондів потрібно шукати інтеграцію, а не додавання підсистем, щоб мінімізувати взаємну взаємодію та зберегти низьку кількість загальних обмежень (орієнтація космічного зонда). Для великих систем складність повинна збільшити можливості та надійність та спростити операції. Метою є оптимізація всієї системи, а не оптимізація окремих підсистем. Оптимізувати ступінь інтеграції, звичайно, простіше за допомогою невеликих, менш складних зондів. Функціональні взаємозв'язки, встановлені в цій роботі для розрахунку наукового потенціалу, ґрунтуються на власному досвіді проекту Кассіні-Гюйгенса і, можливо, доведеться адаптувати до розглянутої місії. Процедура, показана тут, може бути прийнята.

138 РОЗМІРЖЕННЯ СИСТЕМИ ПРОБУВАННЯ КІМНАТИ та цілі політики проекту. Потім із цього вибирається відповідний керівний критерій. За необхідності цілі повинні бути адаптовані до керівного критерію, якщо напр. обрана модель фінансових витрат, які не повинні бути перевищені (керівний критерій 1.). Наступний етап включає точну конструкцію космічного корабля, яка може досягти необхідних цілей. Необхідно оцінити необхідну електричну потужність необхідних експериментів та їх необхідну вагу. Якщо вимоги до експериментів занадто високі, залежно від вибору керівного критерію та пріоритетності суб-аспектів, або цілі повинні бути перевизначені, щоб мати можливість спростити або дешевше спроектувати експерименти (дескопірування), або космічний зонд, в межах дозволених зусиль, потреб Експерименти адаптовані (збільшення космічного зонда, збільшення зусиль за проектом).

B.3 Підсумок 145 виявився успішним. Однак цих місій неможливо досягти за суворими специфікаціями витрат з високим рівнем успіху та низькою ймовірністю помилок. Однак інші успішні місії ESA Cornerstone, такі як Розетта, можуть назвати філософію НАСА швидше та дешевше кращою з її численними невдачами.

146 Б ВИТРАТИ КОСМІЧНОЇ МІСІЇ

154 Г ОФІЦІЙНІ ПРАВИЛА ПОЛІТУ КАССИНІ-ГУЙГЕНС

166 G БЛОКОВА СХЕМА CDA

167 H опис космічного зонда Кассіні-Гюйгенса H.1 властивості космічного зонда властивості електрична потужність на Сатурні 660 Вт вихідна маса 5600 кг маса наукової. Орбітальні прилади 360 кг Маса зразка Гюйгенса Прилади 43,8 кг Кількість наукових датчиків 66 паливо 2500 кг Об'єм зберігання даних 4 Гбіт Точність вирівнювання 2,0 мрад Стабільність вирівнювання 0,036 мрад протягом 5 с Каталог зірок 3700 зірок # Мікропроцесорні системи шини 26 Висота 6,8 м Діаметр головної антени 4 м Довжина дерева магнітометра 11 м Мова програмування Ада Потужність передавача 19 Вт Швидкість передачі даних при Сатурні 140 кбіт/с Основна тяга двигуна 445 Н Частота передавача Х-діапазон Телеметрія вимірювальні канали 11000 H.2 Події місії Початок з Титану IVB 15 жовтня 1997 р. Венера №1 Flyby 26 квітня 1998 р. Вихід № 1 16 грудня 1998-10 січня 1999 р. Венера # 2 Flyby 24.06.1999 Земляний проліт 18.08.1999 Вхід поясу астероїдів 12.12.1999 Вихід поясу астероїдів 4.10.22000 Антена з високим коефіцієнтом підсилення заземлена 02.12.2000 проліт Юпітера 30.12.2000 Проліт Фібі 6.11.2004 Введення орбіти Сатурна 7.11.2004 Загін Хайгенса 6/11/2004 . 2004 Закінчення місії 1 липня 2008 р

168 H ТЕХНІЧНИЙ ЛИСТ ПРОСТОРОННОГО ЗОНДУ КАССІНІ-ГУЙГЕНС H.3 Тур Кассіні 18-5 Малюнок 74: Екскурсія місією Кассіні-Гюйгенс на Сатурні. Кольорові сегменти - 1.7.2004-15.2.2005 (білий), 15.2.2005-1.4.2005 (фіолетовий), 1.4.2005-7.9.2005 (оранжевий), 7.9.2005-22.7.2006 (зелений), 22.7. 2006-30.6.2007 (синій), 30.6.2007-31.8.2007 (жовтий) та 31.8.2007-1.7.2008 (червоний). Внутрішня пунктирна лінія відповідає напів-головній осі орбіти Титана, зовнішня штрихова лінія відповідає напів-головній осі Япета. Напрямок сонця відповідає напрямку + x, z відповідає полярній осі Сатурна. Одиницею осі є радіус Сатурна. Графіку створив К. Гразьє.